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摘要:隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,新能源材料與器件這一新興專業(yè)也正受到社會各界的廣泛認可和接受。越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域迫切需要這一專業(yè)人才。如何針對這一專業(yè)的本科學(xué)生,在其大學(xué)就讀期間進行創(chuàng)新性思維培養(yǎng),是很多大學(xué)實驗負責(zé)教師面臨的必須解決的問題之一。本文就這一問題,將展開一系列研究和討論,力求尋找到一種切實可行的創(chuàng)新實驗?zāi)J?,?yīng)用于新能源材料與器件的本科實驗教學(xué)中。
關(guān)鍵詞:新能源材料與器件;創(chuàng)新思維;實驗教學(xué);實驗設(shè)計
當(dāng)今社會,隨著資源的日益枯竭,人們對于新能源材料的開發(fā)愿望日益迫切[1]。目前,我國大力倡導(dǎo)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對于新能源材料與器件專業(yè)的人才需求日益增長。然而,新能源材料與器件專業(yè)目前還屬于一個新興專業(yè),專業(yè)的課程體系和專業(yè)特色正在日趨完善中。針對新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)生,如何激發(fā)他們的原創(chuàng)動力,如何引導(dǎo)他們在未來的科研和工作中展現(xiàn)創(chuàng)新能力,是新能源材料與器件專業(yè)實驗設(shè)計的短板。
一、現(xiàn)狀分析
全國第一批開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)的高校大概有十余所,但是該專業(yè)普遍開設(shè)均不滿十年,各個高校對于該專業(yè)的課程設(shè)置正日趨完善[2]。對于專業(yè)課程的設(shè)置,其實驗課程教學(xué)相對還不太完善。雖然開設(shè)的實驗名為新能源材料與器件專業(yè)綜合實驗或者專業(yè)綜合設(shè)計,但在實際教學(xué)中往往還是教師給出實驗步驟,學(xué)生照樣子操作。其并沒有給學(xué)生任何發(fā)揮創(chuàng)造的空間,很難在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性動手能力[3]。學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)做出的實驗結(jié)果,很多是經(jīng)典實驗結(jié)果,對于實際生產(chǎn)或者目前的研究科研都過時已久。這完全沒有辦法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。
二、優(yōu)化措施
針對這些新能源材料與器件專業(yè)的實驗教學(xué)弊端,華東理工大學(xué)新能源材料與器件專業(yè),結(jié)合課堂教學(xué)“太陽能電池設(shè)計原理及制造”“化學(xué)電源設(shè)計原理及制造”兩門專業(yè)核心課程,將太陽能電池和化學(xué)電源中的主要組件、設(shè)計原理和設(shè)計基本工藝,讓學(xué)生在課堂教學(xué)過程中進行具體學(xué)習(xí)。教師在課堂教學(xué)中注重電池和電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)換效率影響因素、組件的制造工藝、性能的表征方法等知識點的融會貫通,利用專業(yè)實驗從真正意義上檢測學(xué)生對于這些知識點的掌握情況。教師讓學(xué)生自主設(shè)計實驗,提出實驗方案,分小組進行實驗論證,僅僅在實驗可行性論證中給予必要指導(dǎo),讓學(xué)生在獨立設(shè)計分析實驗、提出解決方案的過程中逐步實現(xiàn)創(chuàng)新性思辨思維意識的培養(yǎng)。這一過程允許學(xué)生在實驗中出現(xiàn)失誤,其是培養(yǎng)學(xué)生客服困難,在失敗實驗中尋求突破的實驗新模式。實驗教學(xué)評分不完全取決于學(xué)生的實驗結(jié)果,而是從學(xué)生設(shè)計實驗創(chuàng)新性、實驗論證科學(xué)性、實驗操作規(guī)范性、實驗改進合理性等多個方面、多個角度對學(xué)生專業(yè)實驗進行綜合評價。這就使得學(xué)生的創(chuàng)新能力能夠在專業(yè)實驗和專業(yè)設(shè)計中得到充分培養(yǎng)。在學(xué)生進行專業(yè)實驗和設(shè)計的過程中,如果涉及產(chǎn)業(yè)化放大生產(chǎn)的設(shè)計,學(xué)校就可為學(xué)生提供校企合作的機會,支持學(xué)生將想法和實驗結(jié)果與企業(yè)對接。學(xué)??梢宰寣W(xué)生利用暑假時間直接到企業(yè)中去,通過畢業(yè)實習(xí)等方法,在企業(yè)中對一些原創(chuàng)的技術(shù)和器件進行進一步優(yōu)化。學(xué)校根據(jù)企業(yè)中的實際環(huán)境進一步優(yōu)化實驗方案,以期得到一些好的創(chuàng)新電子或者優(yōu)質(zhì)技術(shù),鼓勵學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié),進一步優(yōu)化實驗設(shè)計方案。這樣就可以實現(xiàn)理論教學(xué)、實驗教學(xué)、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)論文一體化的創(chuàng)新意識培養(yǎng)路徑。學(xué)生在進行專業(yè)實驗的學(xué)習(xí)中,不再是單純地進行重復(fù)性實驗,而是在實驗中對科學(xué)原理深入理解,對實驗過程進行分析。這樣既能考察學(xué)生對于文獻的調(diào)研和理解能力,又能培養(yǎng)學(xué)生在實驗設(shè)計中結(jié)合自己對專業(yè)理論進行實踐的創(chuàng)新思維。這樣的實驗不限制學(xué)生完成實驗的路線,而是重點考察和強調(diào)學(xué)生在操作過程中的規(guī)范性;不對實驗結(jié)果的唯一性進行考察,而是考察學(xué)生設(shè)計和處理實驗數(shù)據(jù)的合理性。學(xué)生的實驗報告不再是千篇一律的,而是具有自身的實驗設(shè)計特色。這樣的實驗報告不再是單純的實驗原理、實驗設(shè)備與材料、實驗過程、實驗結(jié)論的堆砌,而是包含實驗研究背景、實驗方案設(shè)計調(diào)研、實驗原理分析、實驗儀器與材料設(shè)計、實驗過程合理性論證、實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)果評價等幾個部分。學(xué)生操作的實驗結(jié)果可能是成功的、也可能是失敗的。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生如何正確面對失敗,允許學(xué)生進行調(diào)研分析后提出改進方案,然后進一步進行實驗論證,從根本上杜絕了學(xué)生隨意修改實驗結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。個性化的實驗報告也給予了學(xué)生在實驗報告撰寫過程中進行發(fā)揮的空間。教師利用本科的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng),提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力,進而極大地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。
三、實施案例
以太陽能電池電極制備實驗為例,首先,我們在“太陽能電池設(shè)計原理及制造”課程中分析了太陽能電池中電極的作用,給出了太陽能電池電極目前主要的制備方法,電極性能的評價指標(biāo)及檢測方法,了解了各種雜質(zhì)對于電極性能的主要影響,以及影響的機理。其次,在新能源材料與器件專業(yè)實驗中,我們要求學(xué)生分組根據(jù)所學(xué)自行設(shè)計一種太陽能電極的制備方案,包括所需的原材料,測試所需要的設(shè)備清單。每組根據(jù)自己的實驗方案,準(zhǔn)備實驗可行性論證ppt,然后在全班進行討論。在討論的過程中,學(xué)生逐步完善自己的實驗方案。教師負責(zé)引導(dǎo)學(xué)生找出方案中的錯漏,并啟發(fā)學(xué)生尋求解決方案。最后,根據(jù)學(xué)生設(shè)計的實驗方案,教師集中購置實驗所需的實驗耗材,讓學(xué)生根據(jù)自己制定的實驗方案進行操作實施,并撰寫實驗報告。無論實驗成功還是失敗,學(xué)生都需要在實驗報告中進行分析。針對失敗的實驗,如果學(xué)生能夠提出解決方案,就允許學(xué)生進行二次嘗試。但是,在學(xué)生的每次嘗試中,教師都要要求學(xué)生提交相應(yīng)的實驗報告,以培養(yǎng)學(xué)生在綜合實驗中分析解決問題的能力和素養(yǎng),在常規(guī)實驗中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。對于學(xué)生獲得較好性能的一些實驗結(jié)果,其項目還可以與我校產(chǎn)學(xué)研實習(xí)基地進行橫向合作,讓學(xué)生在本科階段就可以與社會和企業(yè)密切接觸,讓科技落地從本科教學(xué)中真正實現(xiàn)。學(xué)生在完成太陽能電極制備實驗過程中,要做的不再是一份單純的實驗報告,而是首先要在“太陽能電池設(shè)計原理及制造”理論課上,完成相關(guān)太陽能電極背景的調(diào)研,并撰寫太陽能電極制備方法的調(diào)研報告。在新能源材料與器件專業(yè)實驗中,學(xué)生根據(jù)前期調(diào)研報告,完成對應(yīng)的實驗報告的撰寫。其實驗報告分四個階段:第一階段設(shè)計實驗方案;第二階段分組討論實驗方案可行性;第三階段實施實驗完成實驗報告;第四階段進行實驗優(yōu)化及反思。這樣的分段可以在專業(yè)實驗環(huán)節(jié)中將學(xué)生各項能力指標(biāo)的達成做得更加明晰和深化,讓學(xué)生在專業(yè)理論課的學(xué)習(xí)中,完成了對基本原理和技術(shù)方法的識別表達,并利用文獻對相應(yīng)項目的影響因素進行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上,教師借助專業(yè)實驗課對項目實驗方案進行多樣性優(yōu)化,并在設(shè)計實驗時,綜合考察安全、環(huán)境、法律法規(guī)等相關(guān)要求,設(shè)計合理且綠色環(huán)保的實驗解決方案,讓學(xué)生在進行實驗的過程中培養(yǎng)安全的實驗操作規(guī)范,掌握收集、分析整理數(shù)據(jù)的能力,并能根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析獲得結(jié)果。這樣,學(xué)生可以靈活運用實驗室先進的測試加工儀器對實驗材料進行分析,甚至可以針對某些實驗項目運用軟件先進行理論模擬,以預(yù)測實驗結(jié)果。實驗設(shè)計可以充分考量學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)思想和理念,培養(yǎng)學(xué)生遵循科學(xué)發(fā)展的思想,并在小組的分工合作中,培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神,讓學(xué)生掌握如何進行文獻綜述、調(diào)研報告的撰寫,并且明確文獻綜述與調(diào)研報告在實際研究中的重要意義和作用。在實驗報告論證階段,其可以培養(yǎng)學(xué)生就專業(yè)問題與他人進行有效的溝通和交流,讓學(xué)生了解與實驗相關(guān)的前沿學(xué)術(shù)進展。教師利用這種理論課程與實驗課程一體化的培養(yǎng)模式,可以實現(xiàn)對本科學(xué)生多種能力全方位的培養(yǎng),在教學(xué)過程中真正做到了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
四、小結(jié)
這種專業(yè)綜合實驗的培養(yǎng)過程,能極大地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。然而,一個實驗的準(zhǔn)備往往需要實驗教師投入大量的時間和精力,華東理工大學(xué)實驗教學(xué)中心的教師對此付出了極大的精力。這項對學(xué)生創(chuàng)新性實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的教學(xué)方案,也獲得了實驗教學(xué)中心領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。
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作者:孫金煜 楊曉玲 潘鏞宇 張小凡 曹詩雅 胡金龍 單位:華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院