陳新

[摘 要]新能源材料科學基礎是前沿交叉領域的一門專業(yè)基礎必修課，在培養(yǎng)適應國家新能源戰(zhàn)略需求的高級科學研究與工程技術的復合型人才方面發(fā)揮著重要作用。該研究發(fā)現新能源材料科學基礎課程改革通過教材的合理選用、細致合理的課程內容設計、領域前沿發(fā)展內容的引入、配套課程的同步建設，可以取得良好的教學效果，有利于實現該課程和所屬專業(yè)的教學目標。

[關鍵詞]新能源材料科學基礎;高校教學;課程改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）03-0095-03

引言

人類生產和生活的方方面面都離不開能源，傳統(tǒng)化石能源不僅儲量有限，開采和運輸都要克服巨大的困難，而且在使用過程中會釋放大量的溫室氣體和有害物質。有害物質釋放到環(huán)境中導致酸雨和霧霾等的出現會嚴重破壞環(huán)境和危害人類健康，而溫室氣體的釋放會導致氣溫不斷升高，嚴重破壞人類和生物的生存環(huán)境。促進新能源材料與器件的發(fā)展，不僅具有巨大的經濟價值，更是保護人類和生物生存環(huán)境，實現人類社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵舉措。

新能源材料與器件專業(yè)[1-2]是材料、物理、化學、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換材料、能量存儲材料及其器件設計、制備工程技術為特色的專業(yè)，培養(yǎng)適應國家新能源方面的戰(zhàn)略需求，掌握新能源材料與器件基礎理論，具有新能源材料與器件的設計、制造與應用能力以及創(chuàng)新精神、求實作風、團隊精神和應變能力的高級科學研究與工程技術復合型人才。華東理工大學（簡稱“我?！保┦菄夷茉磻?zhàn)略調整后，教育部首批批復的建立新能源材料專業(yè)方向的高校之一。我校的材料科學與工程學科已入選教育部世界雙一流建設學科，其新能源材料與器件專業(yè)面向國際國內新能源領域的人才和就業(yè)[3]趨勢，著重培養(yǎng)適應國家新能源戰(zhàn)略需求的高級科學研究與工程技術復合型人才。

新能源材料科學基礎是我校新能源材料與器件專業(yè)的基礎必修課，致力于通過本課程的教學，使學生掌握新能源材料科學的基本物理化學概念和基本規(guī)律，能夠進行相關科學理論計算，為進一步深入學習新能源專業(yè)知識以及分析和解決實際問題研究而打好理論基礎。有關材料科學基礎課程的教學經驗人們已經進行了一些有益的分享[1-2，4-6]，然而結合專業(yè)建設和新能源材料，研究有針對性地建設新能源材料科學基礎課程還比較少見。筆者結合我校新能源材料科學基礎課程的教學經驗，對該課程的教學改革進行探討。

一、教學內容

（一）課程基本內容

新能源又被稱為非常規(guī)能源，指的是傳統(tǒng)能源之外的各種各樣的能源形式，比如太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能和核聚變能等。太陽能的利用主要包括陽光照射產生熱能的利用以及通過太陽能電池將太陽光中的光能轉變成電能等等，其中最主要的是太陽能電池的研發(fā)和應用。自然界中太陽能和風能的分布時間和空間很不均勻，這就需要人們設法把能量轉換儲存起來實現穩(wěn)定可持續(xù)的能量供應。比如通過太陽光裂解水制氫，所制得的氫氣經過儲存、運輸等環(huán)節(jié)，再通過燃料電池高效地將氫能轉變?yōu)榍鍧嵉碾娔芄┤藗兪褂?通過各種新能源形式產生的電能還可以通過鋰離子電池、超級電容器、儲能電池等新能源器件儲存起來，供人們需要的時候使用。由此可見，新能源材料與器件涉及的知識和技術范圍是非常廣泛的，是一門內容十分豐富的交叉學科。

本課程的內容包括晶體學基礎、固體材料的結構、晶體中的缺陷、新能源材料講座、相圖及相變、固體中的擴散、固相反應等，從晶體的認知、晶體的形成機理、材料的結構、相變、擴散等方面進行材料科學基礎知識和材料物理化學知識等內容的講授，使學生能扎實掌握新能源材料的基礎知識，為將來成長為具有新能源材料與器件的設計、制造與應用能力以及創(chuàng)新精神、求實作風、團隊精神和應變能力的高級科學研究與工程技術復合型人才做好準備。

我們任課教師結合新能源材料與器件專業(yè)的要求，將本課程中有關材料科學基礎知識的內容確定為除了傳統(tǒng)的材料科學的基礎知識，還結合新能源材料的實例，把新能源材料與器件的知識有機地融入進去。此外，通過增加新能源材料講座的內容，結合本學科領域發(fā)展動向和我們近期在新能源材料科學研究中取得的實際結果進行講授，幫助學生把所學的基礎知識跟新能源材料與器件領域的實際應用有機地結合起來。

（二）教材

考慮到新能源材料是一門前沿的綜合性交叉學科，所涉及的知識面非常廣，目前尚未有合適的新能源材料科學基礎教材可供本課程使用，因此，我們選擇不將課程內容局限在一本教材中，而是結合多本教材以及相關領域當前的實際發(fā)展情況開展教學，以增強課程的綜合性、交叉性和前沿性。通過一段時間的調研交流，我們最終選擇由潘金生等著作、清華大學出版社2011年出版的《材料科學基礎》作為選用教材，以張志杰主編、化學工業(yè)出版社2008年出版的《材料物理化學》為輔助教材，同時給學生介紹一些新能源材料、材料科學基礎、材料物理化學領域的中英文專著作為參考書目。這樣的教材選擇，既能夠幫助學生拓寬知識面，又能夠讓學生了解國內外本領域工作的前沿動向，從而很好地適應本領域的不斷進步，為開展新能源材料與器件方面的科研和應用工作做好準備。

（三）課程具體內容

本課程強調理論與工程實踐的結合，注重知識掌握和能力提高并重，除了講授基礎知識，還結合本領域的文獻和實際工程問題進行授課，在提高學生工程知識水平的基礎上，進一步培育學生跟蹤領域前沿進展以及分析研究和解決復雜實際問題的能力。教師在做好基礎理論知識授課的基礎上，還通過增加一些相關歷史知識的介紹[7]，幫助學生了解學科背景;通過增加新能源材料講座，幫助學生了解領域的實際應用和最新進展。具體來說，本課程主要包括以下幾方面的內容：其一，通過講解新能源材料開發(fā)利用的發(fā)展趨勢及其對解決傳統(tǒng)能源問題、改善人類生存環(huán)境的影響，幫助學生樹立正確的課程學習觀念，了解并培養(yǎng)相關責任意識。其二，通過講解與新能源材料與器件相關的晶體學基礎理論、晶體中的缺陷等基礎知識，幫助學生掌握新能源材料科學的基本物理化學概念和基本規(guī)律，并獲得一定的科學理論計算能力。其三，通過講解材料的相圖及相變理論和確定方法，固體材料的結構以及固體材料中的擴散、固相反應等理論知識，幫助學生更深入地了解新能源專業(yè)知識，夯實分析和解決研究與應用中的實際問題的理論基礎。

教師通過以上教學內容的講解，致力于使學生達到以下主要目標：其一，掌握新能源材料科學的基本物理化學概念和基本規(guī)律，結合文獻信息了解光伏和化學電源材料與器件制備相關材料問題的多樣性并進行優(yōu)選。其二，能夠進行材料基礎、光伏和化學電源材料與器件制備相關問題的科學理論計算。其三，進一步深入學習新能源專業(yè)知識，用以分析和解決研究與應用中的實際問題，能對光伏和化學電源等不同領域的新能源材料的基礎知識進行正確表述，進而想辦法找到問題解決的方法及途徑。

本課程的教學安排共56學時，其中授課54學時，復習考試2學時。以下是每章內容的主要目標。

第一章是緒論。講述光伏和化學電源材料與器件制備等新能源材料研究的重要意義及要解決問題的多樣性，幫助學生樹立正確的課程學習觀念。

第二章是晶體學基礎。包括空間點陣和晶體指數、晶體堆垛方式和結構特征、晶體投影和倒易點陣、菱方晶系的兩種描述等內容。與光伏和化學電源材料等領域的實際應用材料相結合，講授晶體學基本概念、晶體結構的基本特征、晶體學問題的基本分析方法以及光伏和化學電源材料晶體學相關基礎科學理論和問題的多樣性。

第三章是固體材料的結構。包括原子分子結構和結合鍵、晶體的電子結構、元素和化合物的晶體結構和性質、影響化合物晶體結構的主要因素、固溶體和離子化合物等內容。結合光伏和化學電源材料等領域的實際應用，從原子電子結構與原子間的相互作用入手，講授單質、化合物、固溶體等材料的結構及影響其結構的主要因素，在講述基礎科學理論的同時，介紹相關材料應用于光伏和化學電源等實際器件中的工作原理。

第四章是晶體中的缺陷。包括點缺陷的基本屬性、位錯的概念、位錯的運動和性質、位錯力學、面心立方晶體中的位錯、其他晶體中的位錯、小角度位錯及位錯小結等內容。結合光伏和化學電源材料等領域的實際應用，講授材料中不同維度缺陷的基礎知識以及缺陷對材料性能的重要影響，同時介紹材料缺陷調控對光伏和化學電源等實際器件應用的重要性，以及通過相關缺陷調控方法發(fā)展先進新能源材料的途徑。

第五章是新能源材料講座。包括硅、應變硅材料和PN結太陽能電池簡介，以及III-V族半導體材料及新能源材料與器件的制備表征工藝簡介等內容。根據光伏和化學電源材料等領域的實際應用需要，講授硅、應變硅、III-V族半導體材料在器件應用中的基本工作原理，并在此基礎上介紹通過材料與器件結構設計和工藝改進，使其性能得到顯著提高、在實際應用中發(fā)揮更大作用的途徑。

第六章是相圖及相變。包括概述及格杠桿定律，一元、二元、三元相圖，相圖及其與材料性能的關系，相變及應用等內容。結合光伏和化學電源材料等領域的實際應用，講授一元、二元、三元相圖表示以及相圖和相變中的基本規(guī)律，同時介紹人們利用相圖和相變知識開展新能源材料與器件工作的實際進展。

第七章是固體中的擴散。包括引言及菲克定律、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)擴散、擴散理論和機制、反應擴散以及離子晶體中的擴散等內容。結合光伏和化學電源材料等領域的實際應用，講授材料中擴散的基本規(guī)律、基本機理以及相關基礎科學理論問題的計算方法。

第八章是固相反應。包括固相反應機理、固相反應動力學以及影響固相反應的因素等內容。結合新能源材料領域的實際應用，講授固相反應的種類、基本機理以及運用固相反應基礎知識設計制備先進新能源材料的途徑。

以上教學內容的設置，均與課程的教學目標相契合，具體明確地為實現課程教學目標服務。

二、課程教學方法手段以及配套課程和本課程的建設探索

（一）本課程的教學方法和手段

本課程以課堂教學為主，配合習題、討論提升教學效果。課程考核期末有閉卷筆試，平時有考勤、課堂考查、作業(yè)以及綜合復習等考核。試卷考核要圍繞課程目標考查學生工程知識以及問題分析和研究能力，同時盡量覆蓋課程的主要知識點，合理分配各個課程目標的考核分值。

我們在幾年來的實際教學工作中，通過對教學大綱、教學日歷、課件、題庫、慕課資料的不斷完善和建設，以及每學期上完課之后對授課效果和課程教學目標的達成情況進行認真總結分析和改進，努力使自身的教學水平不斷得到提高。

（二）相關配套課程的同步建設

除了本課程自身的理論教學，我們還開設了與之配套的實驗課程即新能源材料科學基礎實驗。通過實驗課程的開設，使學生加深對新能源材料科學的基本物理化學概念和基本規(guī)律的認識，培養(yǎng)實驗操作能力，能夠對科學實驗結果進行計算分析并完成實驗報告，為進一步深入學習新能源專業(yè)知識和技能以及培養(yǎng)解決相關實際問題的能力奠定基礎。

教學團隊從實驗課程的設置、實驗設備的購置搭建、實驗教材的準備、實驗教學的授課等方面開展了大量工作，把這門配套課程很好地建立了起來。理論課和實驗課的配合教學，在把學生培養(yǎng)成理論與實踐相結合的新能源領域專業(yè)人才中發(fā)揮了重要作用。

除此之外，我們還積極參與學院新能源材料與器件專業(yè)的整體建設。一個專業(yè)是一個有機的整體，加強各門課程的緊密配合，有助于實現專業(yè)人才的培養(yǎng)目標。我們通過整體專業(yè)建設的參與，不僅能加深了解本課程在專業(yè)教學中擔當的角色，更好地搞好本課程的教學，發(fā)揮本課程教學的作用，而且還能為學校特色新專業(yè)的建設貢獻力量。

（三）本課程的建設進展

通過任課教師的不斷努力以及教學團隊的支持和配合，本課程的建設已經取得了初步成效：通過教學和考核，學生在本課程學習中整體成績優(yōu)良，教學目標得到很好達成，課程在同行聽課和學生評教中也得到了積極肯定的評價。通過共同努力，教學團隊參與和主持的相關教學工作先后取得了2016年校級教育教學成果獎二等獎和三等獎，并且被推薦選作2019年度上海市教委本科重點課程。相關教材和教學參考書《新能源材料科學基礎實驗》《先進納米薄膜材料：制備方法及應用》也已經出版發(fā)行[8-9]，其中前者被選作普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材、新能源材料與器件專業(yè)規(guī)劃教材，后者則被編入師昌緒先生主編的先進功能材料從書，被選為“十二五”國家重點圖書，并獲得2018年中國石油和化學工業(yè)優(yōu)秀出版物獎的圖書獎一等獎。通過本課程授課培養(yǎng)出的學生，先后獲得了華東理工大學優(yōu)秀獎學金一等獎、上海市大學生頭腦奧林匹克創(chuàng)新比賽最默契團隊獎、上海市級優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。今后我們將繼續(xù)不斷努力，把課程建設得更好，爭取更大的成績。

三、結語

隨著人類生產和經濟的不斷發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益緊迫，新能源材料與器件的研發(fā)和利用在國內外都受到高度重視。在新能源材料與器件專業(yè)新能源材料科學基礎課程的建設過程中結合相關領域實際發(fā)展情況，系統(tǒng)講授相關材料科學基礎的基本知識，可以取得良好的教學效果，對培養(yǎng)適應國家新能源戰(zhàn)略需求的專業(yè)人才可以發(fā)揮積極的作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 孫文周.新能源材料與器件專業(yè)材料科學基礎教學初探[J].科技文匯，2015（33）：51-52.

[2] 李偉，展東紅，梁瑋，等.新能源材料與器件專業(yè) 《材料科學基礎》 教學探討[J].廣州化工，2020（9）：166-168.

[3] 趙洪杰.基于提升大學生就業(yè)能力的普通高校教學改革探索[J].中國成人教育，2016（1）：101-104.

[4] 李燕.提高無機材料科學基礎教學效果的幾點措施[J].中國冶金教育，2014（3）：1-2.

[5] 翁俊迎，李愛香，張紅鷹.關于高材專業(yè)《材料科學基礎》課程教學方法的探討[J].山東化工，2020（6）：178-179.

[6] 馬權.材料科學基礎教學與大學生人格特點培養(yǎng)[J].大學教育，2014（14）：93-94.

[7] 賀哲豐，楊平.名人典故在材料科學基礎教學中的作用[J].中國冶金教育， 2011（5）：38-40.

[8] 陳新，王德強，曹紅亮，等.新能源材料科學基礎實驗[M].上海：華東理工大學出版社，2018.

[9] 林媛，陳新.先進納米薄膜材料：制備方法及應用[M].Weinheim： WILEY-VCH出版公司，北京：化學工業(yè)出版社，2017.

[責任編輯：龐丹丹]