原创《新能源材料和器件专业实验课程设置和实践教学》
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新能源材料与器件专业是2010年教育部为适应我国新能源、新材料、新能源汽车、节能环保、高端装备制造等国家战略性新型产业发展需要而设立,是由物理、化学、材料、电子、机械等多学科交叉,以能量转换与存储材料及其器件设计、制备工程技术为培养特色的战略性新兴专业.三峡大学从2012年开始招收本专业本科生,通过近几年的教学实践,逐步完善并制定了适合本专业学生发展的实验课程,以材料性能综合实验和材料制备综合实验为基础,较详细地介绍新能源材料、器件设计与制造的基础知识、基本理论,同时使学生掌握太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、光催化等新型能源材料的合成与测试.
一、实验课程设置三峡大学材料与化工学院依托材料科学与工程和化学工程与工艺两个学科建设新能源材料与器件专业,在光伏材料和储能材料方面的相关研究已初具规模.以学院现有的师资力量和实验设备为基础,开设了材料性能和材料制备两门综合实验课程,使学生对新能源材料和器件有感性的认识,同时也锻炼学生的动手能力,培养学生的创新精神,激发学生的发散性思维,培养学生的团队协作精神.
材料性能综合实验和材料制备综合实验均为48学时,其中材料性能综合实验课程理论课安排16个学时,材料性能综合实验实验课安排32学时.理论课主要在课堂上讲解实验步骤,实验原理,实验注意事项,实验方案的设计以及相关的实验背景知识,加深学生对实验的理解与掌握.实验课主要在实验室进行,学生进行分组实验,根据相应的实验方案,进行相关材料的制备与性能测试,以及组装器件等.材料性能综合实验共开设16个实验,主要包括石墨负极的循环伏安测试、改性石墨的充放电测试、超级电容器的循环伏安测试及分析、超级电容器的容量测试、稀土晶态材料的荧光性能、多孔材料的吸附性能测试、染料敏化太阳能电池对电极电催化性能研究、硅片表面氧化物薄膜的减反射性能测试等.材料性能综合实验主要涉及到锂离子电池、超级电容器、太阳能电池以及光催化等新型能源材料的测试方法.材料制备综合实验课程理论课安排16学时,实验课安排32学时,共开设16个制备实验,主要包括TiO2纳米线阵列的水热法制备、喷雾热解发制备薄膜、机械球磨法制备氧化铜、提拉法制备TiO2薄膜、SiO2纳米微球的制备、高温固相法制备LiCoO2、溶胶凝胶法制备透明氧化物薄膜等（具体实验内容设置如图1所示）.通过材料制备与材料性能综合实验的学习,要求学生掌握无机材料、薄膜的基本合成方法以及掌握光伏、气敏、光催化、超级电容器和锂电池材料的性能表征方法以及检测技术.增进学生观察记录、分析归纳、方案设计、撰写报告等能力的培养,提高学生动手能力和解决问题的能力.
二、新能源材料与器件实验课程设置对学生能力的培养（一）培养学生查阅文献能力、分析问题能力为了培养学生的自学能力,可将学生分成几组,提前将每次实验课的内容告知学生,给各小组充足的自学时间,学生可查阅相关实验文献.针对实验的某一个部分自己制定一个比较安全、合理的实验方案,在老师的指导和监督下利用现有的实验平台进行验证.
其次,在实验课堂上,老师通过讲解实验方案、实验步骤和实验注意事项,使学生更深入地了解实验过程.在具体的实验操作过程中,学生可比较自己制定的实验方案和老师的实验方案有无差别,并去分析可能产生的结果.（二）培养学生的数据处理能力学生在做完实验之后,要进行相应的数据分析与处理,使用较多的软件有Word、Excel、Origin、Photoshop等,学生在进行数据作图和数据分析时,可以加强对相关软件的学习.本科生在一般的课堂教学中很少接触到专业的数据分析软件,通过这些实验数据的分析与处理,可以使本科生掌握本专业相关的软件,对其以后的毕业设计打下坚实的基础.
学生通过独立地完成实验,并分析处理实验数据,撰写实验报告.这样的实验教学方法既锻炼了学生的动手能力,又提升了学生查找文献的能力及数据处理能力,还锻炼了学生归纳总结的能力.
三、实验教学存在的主要问题和建议三峡大学新能源材料与器件专业虽然经过多年的积累,建立了相应的实验平台,对学生实践能力的培养起到至关重要的作用,但仍然存在一些不容忽视的问题.
1.实验课程设置上过于偏重锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等电化学方向,对其他新型能源材料的制备及性能测试设置较少.这些课程的设置主要与本学院相关老师的研究方向有关,后期希望开设诸如燃料电池、储氢材料、光催化等方面的实验课程.2.实验设备仪器有限,一些性能测试实验分组进行时学生较多,部分学生只能进行部分实验,通常情况下,一个实验需要几个学生共同完成,这虽然锻炼了学生的团队协作能力,但是对学生的动手能力以及掌握相关实验技能的能力没有得到坚实充分的锻炼.3.由于同一个实验的理论课在课堂上讲解,而实验课需要在实验室进行实验操作,部分学生不能较好地将实验背景、实验原理与具体的实验步骤以及实验结果分析有机结合在一起.从相关的实验报告中发现,部分学生在撰写实验报告时,虽然数据的整理以及分析结果较好,但其实验的原理和实验目的不是特别明确.后续实验课程的设置上,建议理论课与实验室都在实验室进行,实验教学老师在实验室讲解完实验原理、实验方案、实验步骤后,学生在实验室直接动手做实验,可以较好地将理论与具体的实验过程相结合,加深学生对该实验的理解.
四、结束语三峡大学新能源材料与器件专业根据学院教学老师的研究方向和实验平台,建立了以材料制备综合实验和材料性能综合实验为主的实践教学课程,该实验课程的设置对同类高校新能源材料与器件专业实践课程的设置具有重要的借鉴意义.根据科研发展的方向与进展,实验课程的内容需要不断更新,与时俱进.实践课程的教学方式也需要在不断发展,能够激发学生的学习兴趣,培养学生查阅文献、思考问题、解决问题的能力.
实践教学论文参考资料：
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