基于能量转换与存储的新能源材料与器件专业实验课程设置

朱国斌， 赵 亮， 袁海泉， 郑洪河

(苏州大学 物理与光电 能源学部， 江苏 苏州 215006)



基于能量转换与存储的新能源材料与器件专业实验课程设置

朱国斌， 赵 亮， 袁海泉， 郑洪河

(苏州大学 物理与光电 能源学部， 江苏 苏州 215006)

结合国家能源战略需求下新能源材料与器件专业的建设背景和特点，依据苏州大学能源学院现有的资源和特色，提出了基于能量转换和能量存储为主的实验教学体系建设思路，对新能源材料与器件专业的实验课程体系和专业实验内容设计等方面进行了深入探讨。

新能源材料与器件专业； 能量转换与存储； 实验课程

新能源材料与器件专业是2010年教育部为支撑国家新能源、新材料等战略性新兴产业的发展需要设置的新专业，全国共有15所高校获准设立该新专业。目前新能源材料与器件专业相关的实验课程建设正处于起步阶段，实验课程的体系与结构正处于探索之中。如何科学地设置新能源材料与器件专业的实验课程已成为一个研究课题，相关文献已经对该专业的实验课程建设做了一些讨论[1-4]。本文结合苏州大学新能源材料与器件专业建设过程中的实际情况，围绕新能源材料与器件专业实验课程的设置与全国相关专业的同行共同探讨。

1 实验课程体系设置

苏州大学能源学院依托物理学、材料科学与工程、化学工程与技术3个一级学科，在光伏材料、储能材料等新能源材料方面的相关研究和开发已初具规模。依托国家级物理实验教学示范中心、江苏省新能源材料与器件实验教学中心、江苏省薄膜材料重点实验室和江苏省锂离子电池重点实验室，进行新能源材料与器件专业的实验课程体系建设，并制订了具有特色的实验课程教学体系，包括基础实验、专业基础实验、专业实验和专业综合实验。

1.1 基础实验

新能源产业需要新能源材料的制备、能源的转换与存储、能源器件的设计与制造、能源工程的开发和管理等方面专门人才，他们不仅需要具备新能源方面的知识，更重要的是掌握物理、化学、材料等知识在新能源材料领域的应用。因此，新能源材料与器件专业更强调与材料科学相关的物理、化学基础，学生需要接受严格和坚实的基础实验技能训练[5-8]。我们将新能源材料与器件专业的基础实验设置为普通物理实验、普通化学实验、无机化学实验和物理化学实验。

1.2 专业基础实验

在开设了物理化学实验的基础上，我们选择电化学实验作为专业基础实验之一，因为电化学是能量储存重要分支化学电源(锂电池，超级电容器和燃料电池)的基础，而且应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为新能源学科不可缺少的手段[9-10]。

根据新能源材料与器件专业的研究需要，我们还开设以材料制备研究、材料性能分析和器件组装测试为主线的实验系列，帮助学生理解常用的新能源材料制备方法、性能表征测试方法的原理，熟悉常用的实验仪器及其使用方法，为后续专业实验以及科学研究打好实验基础。我们将新能源材料与器件专业的专业基础实验设置为电化学实验、储能材料制备实验、材料分析测试方法和电源工艺实验。

1.3 专业实验

专业实验主要是在专业基础实验的基础上，使学生对部分新能源材料的制备、表征以及器件的组装和性能测试有初步的了解和认识，形成材料研究的意识和具备初步参与材料与器件研究的能力。我们是在兼顾能量转换与储存、材料与器件的基础上，根据现有师资队伍的研究方向和内容选定的。苏州大学能源学院目前主要的研究方向集中在能量转换(包括了太阳能光伏技术和燃料电池技术)和存储(包括了锂离子电池技术和超级电容器技术)方面。专业实验包括了燃料电池实验、半导体光伏实验、锂离子电池实验和超级电容器实验。

1.4 专业综合实验

专业综合性实验从原料制备到器件组装、再到最后性能测试，构成了完整的制备与表征体系，可使学生对新能源材料和器件有感性认识。实验方案利于学生操作，学生可针对实验内容的某一部分设计自己的方案，并在实验平台上进行验证，既锻炼了学生的动手能力，培养了学生的创新精神，又拓宽学生的学习空间，激发学生发散性思维，培养团队协作精神。新能源材料与器件专业的综合实验设置为能量转换器件组装与性能测试实验、储能材料与器件及其性能测试实验。

在能量转换方向，能量转换器件组装与性能测试实验包括了有机薄膜和染料敏化太阳能电池制备及性能测试、有机电致发光材料制备及其典型器件光电性能测试、富勒烯在光电体系中的应用实验、燃料电池用催化剂制备及性能测试。通过以上综合实验教学使学生掌握目前广泛研究和应用的光电转换电池(如太阳能电池)的工作原理、制备及测量方法。

在能量存储方向，储能材料与器件及性能测试实验包括锂离子电池正极材料制备、结构与性能表征，电极制备与表征，电池组装过程与工艺及电化学性能和安全性测试，以及锂离子电池系列和超级电容器相关的正、负材料的合成、器件组装以及器件的整体存储性能测试，通过以上综合实验教学使学生掌握目前广泛研究和应用的高性能化学电源(如锂离子电池)的工作原理、制备及测量方法。

综上所述，我们设置的新能源材料与器件专业实验课程体系如图1所示。

图1 新能源材料与器件专业实验课程体系

2 专业实验内容设置原则

新能源材料与器件专业实验涉及方向较多，包括了物理、化学、材料等学科。在实验课程确定基础上，可选实验内容很多，为了选择合适的实验项目，我们确定了新能源材料与器件专业实验内容设置的几个原则。

2.1 基础性原则

实验技能的发展是连续的，基本技能的形成依赖于基础实验的开设，本专业的基本实验技能包括物理、化学和材料实验技能。在专业实验中，也应该重视基础实验的作用，在专业实验内容选择中，我们遵循了基础性原则[11-12]。例如半导体光伏实验主要是围绕半导体物理等专业基础课开设的实验，使学生能得到严格的物理和材料专业基本实验技能和动手能力的训练，熟悉基本的半导体材料测试方法，为后续物理电源相关实验打好专业实验基础。因此选择了以光伏电池、薄膜材料以及纳米材料技术等基础实验，使学生了解和接触目前硅太阳能电池中硅片表面结构处理的工艺，掌握目前物理电源如硅基太阳能电池的工作原理及基本测试方法。

2.2 代表性原则

实验教学时间有限，而相关实验内容庞杂，因此实验项目的选择不可能做到面面俱到，我们尽可能选取实验课程中具有代表性的内容，从而实现举一反三，触类旁通。由于不同实验内容可以训练学生的同一种实验技能，因此，从实验技能形成与发展的角度，选择代表性的实验也具有重要意义[13]。例如电化学实验有很多种实验方法，应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法是实验室分析测试的重要手段，但是电化学实验课程中不可能让学生学习所有的电化学实验方法，为了让学生掌握典型的电化学分析方法，我们选择了循环伏安法、交流阻抗法、恒流暂态法和旋转圆盘电极等具有代表性的实验项目。储能材料制备实验我们选择了代表性的实验项目：固相法、溶胶凝胶法、水热法、共沉淀法和电化学法。

2.3 可行性原则

目前本专业不同院校开设的实验项目差异较大，其原因在于不同院校研究方向存在差异，而大型实验仪器设备满足不同研究方向的需求，实验课程的开设必须以学校现有的相关仪器设备能够开展相关实验为前提，学生实验项目的选择要考虑到可行性原则[14]。例如材料分析测试方法是着重培养学生掌握现代分析测试技术的一门实验课程，在众多的分析测试方法中，如何选择合适的实验项目，就要根据学校现有的分析测试设备来确定，因为这些分析测试设备价格比较昂贵，单独为了学生实验教学购买不合实际。我们利用苏州大学能源学院现有的分析测试仪器确定了材料分析测试方法，实验课程包括了热分析中的热重和差热技术，光谱分析中的红外技术、荧光技术和等离子体发射光谱技术，物理测试技术中的多晶X射线衍射分析技术、扫描电镜分析技术、比表面分析技术、激光粒度技术和原子力显微镜技术。

2.4 实用性原则

所选实验项目要有科研、生产的实际背景和较好的应用价值，这样学生从实验过程中不仅能体会到理论与实践之间的相互作用，而且还能从结果的实际意义中看到实验的价值。专业基础实验实验内容的选择应该为专业实验服务，例如电源工艺实验中物理化学电源的种类较多，我们重点选择了锂离子扣式和袋式电池的电极制备，器件组装等实验项目。因为这可为学生后续开展专业实验锂离子电池实验做准备，也对学生就业后进入相关企业参与研发和生产有较好的指导意义。

2.5 发展性原则

发展性原则是指根据学科发展动态、结合教师科研工作，选择科学前沿热点问题相关的实验内容。对于专业综合实验内容的选择，需要密切结合学科最新的发展和学院教师的科研最新进展，例如选择了锂离子电池的高电压正极材料、硅基负极材料和新型粘结剂作为实验项目，就是因为高电压正极材料、硅基负极材料的研发是高能量，高功率锂离子电池发展的方向之一。而有机薄膜太阳能电池，染料敏化电池也是最近发展较为迅猛的非晶硅太阳能电池的代表，学生通过综合实验查阅相关文献，了解染料敏化太阳能电池的光电转换机理，再通过纳米多孔膜电极的制备多孔膜电极吸附染料、铂对电极的制备、电解液的配制以及电池的组装，对电池的性能进行检测的实验流程，让学生对染料敏化太阳能电池的构造有了感性的认识，对太阳能电池的主要性能指标参数有了更深的理解

3 新能源材料与器件专业实验内容

综上所述，我们设置的新能源材料与器件专业实验内容如表1所示。

4 实验教学实施存在的问题及建议

经过4年专业建设，我们发现在实验教学实施中也存在着一些问题：

(1) 教师各学科知识割裂，思维缺乏整体性。教师在实验教学过程中不能很好地将物理、化学和材料等学科的实验课程实现成功的融合，因此在实验教学中学生不能很好地将各课程的知识融会贯通，导致学生做实验目的单一，缺乏系统性和整体性。这就需要教师心中有完整的实验课程体系，体现实验课程的相互兼顾和配合。

(2) 实验教材需要进一步开发。因为不少实验都是新开设的，缺少合适的配套教材，现在使用的都是自编讲义。因此编制高质量的实验教材，对提高本专业实验课程的教学质量、培养具有创新精神和创新能力的高素质人才，具有重要意义[15]。

表1 新能源材料与器件专业实验内容

表1(续)

(3) 专职实验教师队伍建设亟待加强。新能源材料与器件专业的物理、化学和材料的学科交叉渗透特点，对教师的实验能力提出了更高的要求，指导教师的技能水平直接影响着培养学生的质量，因而，学校应根据新能源实验教学特点及要求，多方位多渠道优化教师结构组合，加强专职实验教师队伍建设。

5 结束语

为了培养出国家和地方急需的新能源材料与器件专业技术人才，实现本专业人才培养目标，全面提高教学质量，苏州大学将根据该专业特点，围绕学校发展定位和地域特色确定专业培养目标，进一步探索新能源材料与器件专业的实验体系建设，加强学生科研能力和专业实验技能训练，培养学生的独立思考能力和创新能力，提高毕业生的综合素质，为解决国内高校开设新能源材料专业所面临的暂无经验借鉴的现状，提出一种可参考的实验教学模式。

References)

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[3] 朱媛媛,陈智慧,曲婕.新能源材料专业实验教学的实践与探索[J].产业与科技论坛,2013,12(2):157-158.

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Set-up of experimental curriculum of New Energy Materials and Devices major based on energy conversion and storage

Zhu Guobin, Zhao Liang, Yuan Haiquan, Zheng Honghe

(College of Physics,Optoelectronics and Energy,Soochow University,Suzhou 215006, China)

Combining the construction background and features of New Energy Materials and Devices major under national energy strategy needs,according to the existing resources and features of Energy College of Suzhou University, based on the energy conversion and energy storage-based experimental teaching system, this paper puts forward the construction ideas, and the new energy materials and devices professional experimental curriculum system design and professional content and other aspects of the experiment are discussed in depth.

new energy materials and devices; energy conversion and storage; experimental courses

2014- 07- 25 修改日期：2014- 08- 27

江苏省实验教学与实践教育中心建设项目“新能源材料与器件实验教学中心”

朱国斌(1989—)，男，江苏东台，硕士，助理实验师，从事储能材料研究与实验室管理工作.

E-mail：gbzhu@suda.edu.cn

G423.07

A

1002-4956(2015)2- 0204- 04