新能源专业“太阳能利用技术”课程建设研究与探讨

张怿 郭苏

【摘要】本文主要从建设背景及目标、课程建设内容与特点、课程建设具体措施等方面探讨新能源专业“太阳能利用技术”课程的建设思路与方法，以“培养专业特色人才”为根本，坚持理论与实践相融合，通过课堂授课、课后作业及线上自学资源等形式全面培养学生对相关学习内容的理解与运用能力。为我国“双碳”国策培养高质量的新能源背景专业人才。

【关键词】太阳能利用技术  光伏工作原理  新能源课程  碳达峰与碳中和

【中图分类号】G642.3;TM615-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）30-0177-02

新能源专业是一门学科高度交叉的新兴专业，其内容涉及多種专业跨度极大的研究领域。本文以新能源专业中的“太阳能利用技术”专业课为案例，就课程中太阳能光伏部分的教学内容与方法建设具体展开研究与讨论，以进一步提高课程教学质量，对新能源专业其他相关课程的建设与改革起到引领示范作用。

一、课程建设背景及目标

国家主席习近平在2020年联合国气候雄心峰会上宣布：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施控制二氧化碳排放，力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和，同时到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。上述内容即为我国“碳达峰碳中和”战略的关键时间点和具体目标。随着“碳达峰碳中和”国策的提出，以水能、风能、太阳能为代表的可再生能源产业即将迎来更加快速高质量的发展期[1-2]，这对我国新能源人才的培养提出了更高、更新的要求和挑战。

河海大学新能源专业依托学校传统优势学科，在专业教学和人才培养方面独具特色和专业优势，现已形成以风能为主、太阳能及其他新能源为补充的成熟新能源人才培养体系。其中针对太阳能发电原理及应用，开设了“太阳能利用技术”专业课及课程设计实践环节。由于该课程很多内容涉及微电子学及固体电子学的相关知识，这对以学习风电为主的新能源专业本科生而言，过于抽象且不易理解。本文将针对上述问题，提出以下几点建设措施。

二、课程建设内容与特点

太阳能光伏技术作为一种重要的新能源技术近年来获得了快速发展和广泛应用，其核心关键技术为太阳能半导体光伏组件的工作原理。因此，“太阳能利用技术”专业课第一章将首先教授学生半导体的物理特性基础，其中半导体的能带模型和能键模型的概念、构建和应用最为抽象难懂。学生需有一定的凝聚态物理、材料学及量子物理学背景才能深刻理解相关知识。而由于课程设置等原因，学生一般很少具备相关基础，这就导致了教师需花费大量时间以补充相关知识盲点，造成一定的课程时间浪费。在学生掌握相关知识后，本专业课第二章将继续介绍P型及N型半导体概念和P-N结工作原理，此处的教学难点是半导体中载流子运动较为抽象，很难给学生阐述具体过程。这就造成了学生对一些基本概念产生混淆，如完全电离后的掺杂离子能够运动等错误概念。在完成P-N结工作原理教学后，本课程第三章将介绍基于单P-N结的光伏电池工作原理，此处教学内容的难点是扩散与漂移电流的形成原因与先后顺序的解释与阐述。由于多种离子（如：电子、空穴、完全电离的正负离子等）都参与到该过程中造成学生对暗环境下P-N结内部载流子运动的动态平衡过程产生错误认知等问题。另外，热力平衡与光照状态下的P-N结半导体电流电压曲线的变化关系与经验公式也是教学难点。综上所述，太阳能光伏发电原理内容专业性较强，逻辑递进关系紧密，涉及多种物理概念和复杂物理过程，这些特点都不利于学生有效掌握相关知识。从课堂问答及考试中都反映出一些问题，如基础概念混淆、物理公式错用、物理过程不明晰等问题。上述问题部分源于学生惰性或基础薄弱，部分也源于老师授课方式不科学或教学内容过于深入晦涩，无法让学生深入浅出地掌握相关知识，不利于激发学生的学习兴趣。

三、课程建设具体措施

（一）完善教学课件罗列知识重点难点厘清教学逻辑（课前）

授课前应开展专业背景调查，统计学生专业背景知识储备水平，并据此调整课程内容和难度。开始授课前仔细准备相关课件，并请资深教师就课件内容和结构提出意见和建议，及时根据反馈信息修改课件。收集相关短视频（如：我国太阳能光伏技术产业纪录片）或准备开放性话题（如：新能源产业就业前景展望）以调动学生的学习兴趣和积极性。

（二）充分利用线上教学软件辅助知识难点理解（课中）

针对部分抽象概念，准备1～2个相关光伏自学网站及推荐专业书籍，需包含一定的教学动画示意且内容深度与授课内容高度匹配。通过教师口头讲述知识点配合相关动画演示开展教学工作，同时注重类别将抽象概念与学生所熟悉的实物相类比，以提高巩固教学效果。此外，一般类似软件都以英文为主，可让感兴趣的学生课后自学相关内容，同时锻炼提高英文水平。

（三）师生及时沟通获得教学效果反馈（课中）

每讲授完一个知识点需及时获得学生反馈，即教师教学/提问时间与学生作答讨论时间基本保持2∶1的比例，以提高课堂气氛并保持学生注意力。重点培养学生对课题内容的兴趣，鼓励学生积极参与问题作答与小组讨论。

（四）准备或出版适用于实际教学情况的教材或讲义（课后）

总结教学内容，形成一套切合实际情况的教学方案和教材（或讲义）。鼓励学生积极从中学习相关内容并提出建议和意见。及时总结教学经验和方法，并撰写相关教改论文或报告。以“太阳能利用技术”专业课为例，教学团队已出版相关教材《太阳能发电原理及应用》一部[3]，该教材既可用于太阳能利用技术课程的教学也对相关科学研究具有一定参考意义。

四、教学案例分析

（一）借助简单教具和类比方法教授晦涩知识点

以半导体能带模型中电子从价带跃迁至导带后在导带留下空穴过程为例，该知识点的掌握既要求学生对半导体能带模型有一定理解，也要对该过程中的离子种类和物理过程有清晰认识。其中“空穴”是电子跃迁后剩余其他电子在价带中自由移动所形成的抽象概念，此时可通过满瓶装矿泉水瓶进行类比。将瓶中的水视为可自由移动的“电子”，由于此时瓶中无空气，可视为满带状态下的价带。当倒掉部分瓶中矿泉水后，瓶中出现空气，这时可将空气视为电子跃迁至导带后在价带留下的“空穴”。倒置矿泉水瓶，我们可发现瓶中空气发生上浮（密度较大的水会流向瓶底）。该情况下，我们既可视为水在流动，也可视为空气在流动，这同样也适用于价带中“电子”与“空穴”的流动。空穴并非实际存在的粒子，只是为了便于描述价带中的电子移动而引入的抽象概念。该教学方法借助学生所熟悉的事物（即矿泉水及水瓶）将较为抽象的知识概念（即电子跃迁及空穴形成）具象化，从而达到深入浅出的教学效果。

（二）借助教学动画演示阐述复杂物理过程

以半导体P-N结形成过程为例，利用线上教學资源（如Photovoltaic Education Website[4]）中的演示动画可清晰展现半导体中各种不同带电粒子。这些粒子包括但不限于带负电的电子（可自由移动）、电离化受主杂质（不可自由移动）以及带正电的空穴（可自由移动）和电离化施主杂质（不可自由移动）。基于能量守恒及电荷守恒定律，这些粒子共同构成了半导体P-N结内的粒子动态平衡过程。演示动画按照不同阶段演示不同物理过程，并模拟可自由移动粒子受内置电场和浓度差值影响所形成的漂移电流及扩散电流的大小及方向。相比于课件中固定的图片，动画能够更加形象帮助教学。该线上教学资源具有体系化和模块化等特点，可为学生在学习该课程的过程中提供一定参考和帮助。该教学资源语言为英语，因此也可帮助学生在掌握基本专业知识基础上，拓展提升相关专业英语水平。在平时课堂中也可适当增加相关英文知识拓展学生知识内容。

（三）通过实际数据和事实开展符合社会主义核心价值观的思政课程建设

在开展专业课教学时，还将通过罗列实际数据和我国光伏领域的发展成就开展符合社会主义核心价值观的思政课程建设。树立学生正确的人生观、世界观和价值观，培养学生爱国主义精神和对社会主义制度优越性的自信，锻炼学生坚持用唯物主义思想辩证看待所学习的相关专业知识，最终培养出具有新能源专业背景的复合型人才。

五、结论与展望

本文重点阐述了新能源专业“太阳能利用技术”专业课程的建设内容及方法、特点。针对该专业课所存在的教学难点，提出拓展线下线上教学资源，利用现有资源改进教学方法，在课堂内容上全面提升教学效果激发学生学习兴趣，最终致力于培养学生综合学习能力，掌握太阳能发电原理基本知识，锻炼学生自我思辨能力，从而将学生培养为满足“双碳”国策需求的新能源高级专业技术人才。

参考文献：

[1]李全生.碳中和目标下我国能源转型路径探讨[J]. 中国煤炭，2021，47（8）：7.

[2]邹才能.新能源在碳中和中的地位与作用[J].石油勘探与开发，2021，48（2）：10.

[3]郭苏，张怿.太阳能发电原理及应用[M].北京： 中国水利水电出版社， 2021.

[4]C.B.Honsberg， S.G.Bowden. Photovoltaics Education Website.（Available： www.pveducation.org.）2019.

作者简介：

张怿（1989年-），男，汉族，江苏东台人，讲师，博士研究生，研究方向为电子科学与技术。

郭苏（1982年-），女，汉族，辽宁抚顺人，教授，博士研究生，研究方向为动力工程及工程热物理。