羅一丹， 薛名山， 虞碩涵， 謝 宇， 洪 珍， 殷祚柱， 謝 嬋

（南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063）

引 言

太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)是培養(yǎng)無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的工程技術(shù)及研究人才整體知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的重要組成部分。本課程講述了太陽(yáng)能電池的原理、種類、特點(diǎn)和制造技術(shù)，以及太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向。該課程在引導(dǎo)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和能力，為學(xué)生科研興趣的形成和拓寬就業(yè)方向打下良好的基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中，首先從介紹能源需求和矛盾入手，包括能源應(yīng)用的發(fā)展過程、太陽(yáng)能的特點(diǎn)；再介紹了太陽(yáng)能電池的基本概念、裝置物性和工作原理；隨后，學(xué)習(xí)了單晶硅、多晶硅、非晶硅及微晶硅、銅銦鎵硒系、III-V 族和色素增感型太陽(yáng)能電池等多種太陽(yáng)能電池的制備方法、特點(diǎn)和應(yīng)用；最后系統(tǒng)地介紹了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)和太陽(yáng)能電池在日常生活中的應(yīng)用。由于與太陽(yáng)能電池相關(guān)的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，我們還需要進(jìn)一步調(diào)整該課程的授課內(nèi)容和形式以增加學(xué)生對(duì)該學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用前沿的了解，從多方面對(duì)這門課程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，如：教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核形式等。

教改過程中，在介紹太陽(yáng)能電池的同時(shí)，我們引入了新材料的制備和應(yīng)用方法，讓學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)新材料在太陽(yáng)能電池方向的應(yīng)用，符合無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)方向和目標(biāo)，全方面地提升了學(xué)生對(duì)材料結(jié)構(gòu)以及性能的理解。同時(shí)增加了對(duì)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域科技前沿的介紹，從而促進(jìn)了學(xué)生對(duì)現(xiàn)在該領(lǐng)域科技發(fā)展現(xiàn)狀的了解。同時(shí)我們還改革了課堂教學(xué)形式和考核方式，學(xué)生們通過對(duì)該課程進(jìn)行學(xué)習(xí)，整體滿意度較高，在學(xué)習(xí)的過程中，增加了知識(shí)的掌握程度，還增加了對(duì)前沿科學(xué)論文的查閱和思考能力。

1 太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)課程的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和存在的問題

太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)是一門綜合性課程，該課程學(xué)科交叉性強(qiáng)且內(nèi)容豐富。該課程涉及到晶體學(xué)、物理化學(xué)、材料化學(xué)和半導(dǎo)體物理等多門學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)。課程中講述的太陽(yáng)能電池的種類包括：晶體硅太陽(yáng)能電池、非晶硅及微晶硅太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒系太陽(yáng)能電池、III-V 族太陽(yáng)能電池和染料敏化太陽(yáng)能電池等多達(dá)五種。本課程設(shè)置的學(xué)時(shí)為32 h，包含的學(xué)時(shí)較少但是內(nèi)容比較多，同時(shí)，太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)課程涉及的科學(xué)不斷發(fā)展，知識(shí)點(diǎn)多，大量的新科技和技術(shù)也有待于介紹，因此需要整合和更新教學(xué)內(nèi)容。

在上課時(shí)間講完各種電池的原理、特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀非常困難，所以需要合理地安排和調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容和形式。同時(shí)，“滿堂灌”的授課方式講授內(nèi)容有限且難于啟發(fā)學(xué)生思維，學(xué)生課堂參與度不高，容易跟不上老師的上課節(jié)奏，也難以保持上課的積極性，所以，為了學(xué)生全面地掌握該領(lǐng)域的知識(shí)，必須改革課堂講授形式，除了課堂講授外，還必須與其他教學(xué)手段相結(jié)合[1-2]。

而且，課程的考核方式影響著課程的授課質(zhì)量和班級(jí)的學(xué)風(fēng)。對(duì)于現(xiàn)在太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)的考核評(píng)價(jià)中，分為平時(shí)成績(jī)和期末考試兩部分。其中平時(shí)成績(jī)主要靠出勤率和上課發(fā)言，期末成績(jī)采用開卷考試方式，考核知識(shí)內(nèi)容范圍窄，限制了學(xué)生對(duì)知識(shí)全面性的學(xué)習(xí)和對(duì)該學(xué)科前沿的發(fā)掘和了解，還缺少了對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的監(jiān)督和檢查。因此，目前單一的評(píng)價(jià)方式已經(jīng)不能全面促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和考核學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，需要對(duì)考核方式進(jìn)行改革。

2 教學(xué)方法改革的總體方案

2.1 備課階段

在太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)課程的備課階段，要以學(xué)生為主體，整合和更新教學(xué)內(nèi)容，從而提升學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握和思考能力以及對(duì)學(xué)科前沿的了解[3-6]。

近年來太陽(yáng)能電池飛速發(fā)展，主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)硅系太陽(yáng)能電池的應(yīng)用不斷成熟，新型太陽(yáng)能電池不斷開發(fā)以及使用。因此在備課階段除了準(zhǔn)備基礎(chǔ)知識(shí)的講解，還要注意增加科學(xué)前沿知識(shí)：在第一章能源的應(yīng)用發(fā)展背景中，既要包括能源的發(fā)展進(jìn)程，能源的種類和占有比例，也要包括各種能源應(yīng)用領(lǐng)域的前沿問題和熱點(diǎn)，如化石能源的使用對(duì)環(huán)境的影響；在介紹新型電池，如染料敏化太陽(yáng)能電池，可以在講章節(jié)內(nèi)容之前或者章末總結(jié)時(shí)介紹國(guó)內(nèi)外著名的課題組的相關(guān)研究方向和最新研究成果等。

同時(shí)，在備課內(nèi)容中可以補(bǔ)充一些有趣的應(yīng)用介紹[7]，使學(xué)生了解太陽(yáng)能電池在日常生活中的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加具體化。如在第一章中，可以增加太陽(yáng)能電池的手表、太陽(yáng)能電池的路燈的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)和原理。在單晶硅太陽(yáng)能電池章節(jié)的備課內(nèi)容中，可以增加一些國(guó)內(nèi)外著名的晶體硅太陽(yáng)能電池的制造公司和企業(yè)的生產(chǎn)線和產(chǎn)品特點(diǎn)，也可以加入一些容易理解的太陽(yáng)能電池制作的簡(jiǎn)易流程圖。通過在備課內(nèi)容中增加對(duì)太陽(yáng)能電池具體應(yīng)用的介紹，可以增加課堂趣味性，進(jìn)而為學(xué)生深入理解相關(guān)知識(shí)打下基礎(chǔ)。

2.2 課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)階段，設(shè)計(jì)課程時(shí)應(yīng)注意學(xué)生的參與度和多方面能力的提升。在課堂教學(xué)改革中，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性[8-10]。在講課形式上多采用啟發(fā)式教學(xué)，每節(jié)課提出一兩個(gè)啟發(fā)性問題作為下堂課的討論內(nèi)容。在課堂討論環(huán)節(jié)中，將全班學(xué)生分成多個(gè)小組，每4～6 人為一組，以小組的形式進(jìn)行集體討論，集體討論可以增加課堂中老師與學(xué)生的溝通和交流，在集體討論中可以培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和學(xué)習(xí)的能力。

對(duì)于一些前沿科學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容，增加了學(xué)生的課堂展示和課后作業(yè)調(diào)研報(bào)告部分，具體實(shí)施過程見圖1。首先老師提出問題，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)，調(diào)查與本學(xué)科前沿內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)。如在色素增感型太陽(yáng)能電池的章節(jié)，可以讓學(xué)生分別調(diào)研在色素增感型太陽(yáng)能電池的幾種主要的應(yīng)用材料，分別有什么樣的應(yīng)用特點(diǎn)，以小組形式進(jìn)行總結(jié)，撰寫調(diào)研報(bào)告，并進(jìn)行幻燈片展示，由此可以增加學(xué)生對(duì)科研的興趣熱愛和對(duì)課程內(nèi)容的理解。

圖1 調(diào)研報(bào)告和展示的實(shí)施過程圖

而對(duì)于一些較難的內(nèi)容，可以輔助動(dòng)畫、模型講解等，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，如在太陽(yáng)能電池原理及裝置物性的章節(jié)中，可以展示結(jié)晶硅太陽(yáng)能電池的三維立體模型圖，而太陽(yáng)能電池中pn 結(jié)產(chǎn)生電的原理說明圖也可以采用動(dòng)畫的形式展示，觀察電子和空穴在太陽(yáng)能電池pn 結(jié)中轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)變化過程。同時(shí)，在課堂中可以增加提問環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提問，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的思考。

2.3 完善考核制度

為了增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，在考核的實(shí)施過程中，應(yīng)建立多元的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系，力求多方面提升學(xué)生的能力，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度[11-15]。

具體實(shí)施的考核內(nèi)容和分?jǐn)?shù)比例與傳統(tǒng)的考核方式對(duì)比見表1。首先，在平時(shí)成績(jī)的計(jì)算方面，除了考勤和課堂提問回答情況外，還可以加入課堂討論的表現(xiàn)，把課堂討論和發(fā)言情況歸入平時(shí)成績(jī)考核。在調(diào)研報(bào)告部分，小組成員根據(jù)前沿課題查閱文獻(xiàn)和資料后可以分別進(jìn)行撰寫，根據(jù)報(bào)告的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分。在調(diào)研展示時(shí)，根據(jù)幻燈片材料收集、制作和講解等進(jìn)行分工，而后根據(jù)分工和表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。通過增加平時(shí)成績(jī)的考核環(huán)節(jié)，從多方面增加學(xué)生對(duì)課堂的參與度和對(duì)知識(shí)的理解和把握。另外，在期末試卷中，增加應(yīng)用型題目，對(duì)于學(xué)生課堂中提出的問題，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，出題內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系緊密。還可以增加開放性題目，考察學(xué)生的開放性思維和創(chuàng)新能力，以及對(duì)課程的深層次的思考和理解。

表1 太陽(yáng)能電池課程的改革后考核與傳統(tǒng)考核對(duì)比

在考核過程中應(yīng)注意，課程考核的實(shí)施過程應(yīng)在課堂上及時(shí)公布階段性成績(jī)和結(jié)果。選擇的調(diào)研問題的難度應(yīng)該適中，對(duì)學(xué)生的調(diào)研報(bào)告和展示應(yīng)給予恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)和建議促進(jìn)學(xué)生思考。要及時(shí)與學(xué)生交流，了解學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握情況和對(duì)前沿課題的思考，促進(jìn)考核過程的優(yōu)化。

3 教學(xué)實(shí)踐結(jié)果

太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)課程設(shè)置的初衷區(qū)別于一些無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的專業(yè)課，這門課程除了使學(xué)生了解太陽(yáng)能電池原理等理論基礎(chǔ)，更多的是使學(xué)生深化了解太陽(yáng)能電池材料的種類和應(yīng)用，增加學(xué)生的科研興趣。在太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)這門課程改革結(jié)束的時(shí)候，對(duì)全班70 位同學(xué)進(jìn)行了問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，70%的同學(xué)認(rèn)為通過這次教學(xué)改革，學(xué)生參與度增加。57%左右的學(xué)生認(rèn)為自己學(xué)習(xí)能力還不足，對(duì)資料的收集和查閱能力有待提高。80%左右的學(xué)生認(rèn)為本門課的學(xué)習(xí)壓力適中，學(xué)習(xí)任務(wù)略有增加，但是知識(shí)掌握程度較好，對(duì)太陽(yáng)能電池材料的科技和生產(chǎn)現(xiàn)狀已有初度的了解。90%左右的學(xué)生認(rèn)為課堂趣味性較強(qiáng)。98%的同學(xué)認(rèn)為對(duì)于文獻(xiàn)和其他的資料查閱后進(jìn)行課堂展示的過程增加了對(duì)前沿科技資料的查閱能力和自主學(xué)習(xí)能力。從教學(xué)改革結(jié)果的反饋來看，增加PPT 展示和調(diào)研報(bào)告的上課和考核形式充分提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，學(xué)生對(duì)本次課程改革的接受程度較高。

4 結(jié) 論

本次教改從學(xué)生的知識(shí)掌握和思維拓展出發(fā)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核形式上進(jìn)行了全面的調(diào)整。通過本次教改，得到如下結(jié)論：在太陽(yáng)能電池材料與技術(shù)課程的教學(xué)過程中，通過采用多元化授課模式增加了學(xué)生對(duì)課堂的參與度，學(xué)生的興趣得到大幅度提升，對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握更加具體和全面；同時(shí)，在課堂授課中講述和討論了相關(guān)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的科研前沿和動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維和能力。此次教學(xué)改革，從學(xué)生的角度出發(fā)，全方面地啟發(fā)了學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)以及科研的能力。