专业学位研究生“材料物理”课程案例教学实践——以“高效低成本硅基太阳能电池的开发应用”为例

苏进步，伍媛婷，朱建锋

（陕西科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710021）

一、材料类专业学位研究生案例教学的背景

随着新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，全球科技创新进入密集活跃期。目前，我国在很多领域都有尚待突破的关键技术，成为制约我国创新发展的瓶颈，因此，培养大量创新型、复合型、应用型人才至关重要。2020年，教育部出台《专业学位研究生教育发展方案（2020—2025）》，对推进新时代专业学位研究生教育改革与发展提出了深化产教融合、完善评价机制等要求，但是目前研究生教育还存在重学术学位、轻专业学位，重理论、轻实践等问题［1-3］。

大部分院校在专业型硕士研究生培养过程中沿用学术研究生培养方案，在教学过程中忽视行业企业对人才的实际需求，没有贯彻落实以产出为导向的教育理念，不能真正地把握在产业发展的实际应用过程中所出现的问题，导致理论和实践脱节。

材料产业是国民经济发展的重要支柱产业之一，与人民生活息息相关。从材料学科应用型人才培养的角度来看，本学科专业学位研究生最突出的特点是强调实践出真知，注重理论联系实际，倾向于在实践中进行应用研究和开发创新，致力于解决行业间的实际问题。

为了产业需求，要求材料类专业学位研究生具有坚实的材料工程理论基础和专业知识，了解材料工程行业发展动向，掌握材料化学成分和组织结构的分析方法、材料制造过程的质量监控、材料的改进技术等，熟悉材料获得、材料质量改进、材料制造技术、工程规划、质量监督等整个过程。

传统工科专业课程的讲授以教师为主体，学生处于被动听课状态，案例教学过程仍偏重口头讲解，注入式多，启发式、讨论式少，材料学科教学案例库仍不完善。因此，建立和完善案例库教学在材料类专业学位研究生培养过程中显得尤为重要［4-10］。

二、“高效低成本硅基太阳能电池的开发应用”案例介绍

本教学案例依托“材料物理”课程，主要利用物理学理论知识阐明材料中的变化过程和规律，培养学生利用理论指导材料性能设计、产品开发等实践过程的能力。学生在以往的课堂中，仅了解了能带理论、PN结等基础理论知识，难以将其与实际工程实践问题结合，更不能将该理论知识用于解决工程实践中遇到的问题。

为解决上述问题，我们引入了“高效低成本硅基太阳能电池的开发应用”教学案例。该教学案例主要以某光伏企业为例，展示了其从太阳能硅片、电池、组件及电池封装测试等关键环节出发，突破性地提升了单晶技术路线，优化了半片组件、双面组件等关键技术，显著降低了企业生产成本并提高了光伏发电效率，探索出一条从产品创新改变行业到技术创新改变世界能源格局的创变之路，引领了光伏行业的快速发展。该案例包括讲义、课件、教案、调查问卷、相关视频等，具体内容介绍见表1，极大地丰富了教学内容。

表1 高效低成本硅基太阳能电池的开发应用案例组成

本教学案例创新性地提出了课内外双循环教学模式和多层次评价反馈和持续改进体系教学方式，通过介绍坎坷发展的中国光伏产业——从零到世界第一，引导学生发现光伏效率低、成本高是阻碍光伏产业发展的主要原因，通过教师引导、分组讨论等课内循环和企业实践、专家讲堂等课外循环等形式，使学生更深入理解所学理论知识，并能运用于实践中解决遇到的工程问题。该案例教学对专业硕士研究生培养起到很好的示范效应，也对教学案例库的丰富具有重要的推动作用。

三、“高效低成本硅基太阳能电池的开发应用”案例教学实践过程

教案是本案例实施教学过程的重要依据，一般包括章节信息、教学目标、教学内容、教学重难点及处理措施、教学过程设计、思考题等，相关示例见图1。本小节以案例第一部分“1.2光伏产业龙头企业——××股份的发展之路”为例，说明该案例教学的具体实施过程。

1.课前。任课教师根据情况将学生分成5～8组，根据××股份的业务范围发布每个小组学习和讨论主题，要求各个小组重点讨论××股份在各个业务板块的科技创新能力，发掘与本课程相关的知识点。此过程能够培养学生的自主学习、团队协助能力及积极的科学探索精神。

2.课中。首先，任课教师总结我国光伏产业的主要公司，从而引出目前光伏产业的龙头企业——××股份，讲解××股份的发展历程。在此过程中，可联系××股份相关企业导师，以现场连线或录制视频的形式，讲解××股份发展过程中的故事。然后，组织学生以小组的形式讨论课前任务，小组代表围绕讨论内容和要点进行发言，其他学生进行提问。与此同时，任课教师对参与成果展示的小组进行评价，并深入分析科研投入和科技创新等对××股份发展的影响，根据点评内容，总结小组讨论结果的不足和存在问题。

在此过程中，培养学生自主探索的学习能力，激发学生的求知欲，使学生变被动学习为主动探索；培养学生利用所学知识分析和解决工程问题的能力，提高其工程实践能力。最后，任课教师帮助学生梳理本节课的知识要点和逻辑结构，总结本节课主要内容，提高归纳总结能力。

3.课后。任课教师对学生进行合理引导，布置课后思考题“假如你是一家光伏企业的负责人，为保持或追赶行业领先地位，你会在哪些方面努力？”通过教师引导、学生互评及小组合作探讨，做到查漏补缺、巩固提高、拓展提升。

4.实践教学。任课教师带领学生前往实践单位参观实习，通过参观生产线、企业专家座谈等，学生分析课堂中所提解决方法和工程实践中实际解决方法的优缺点，从而分析总结最优方法。此外，专业学位硕士需要参加8～10个月的工程实践，部分学生会参与工程实践，将课堂所学理论知识与工程实践问题相结合，进而对后续课程案例进行改进和更新。

5.总结反馈。每次课程和工程实践结束后，对上课学生、工程实践学生和用人单位进行问卷调查，反馈案例教学效果，用于案例库和课程教学目标的改进和更新。

四、案例教学实施效果及评价

在传统的理论教学模式中，教师作为教学活动的中心，凭借口头表达、板书、手势及身体语言等完成教学活动，“填鸭式”要求学生精心倾听、详细记录，具有很大的局限性，缺乏师生之间、学生之间的交流。

因此，这种教学模式对于学生的能力培养难以奏效，尤其是对于“材料物理”等以理论为主的专业基础课程。学生虽然掌握了能带理论等基础知识，但是难以将其应用于工程实践中解决遇到的具体问题。

本案例教学则完全不同，教学活动的素材主要是基于生产实际，将抽象的理论知识融入企业生产实践，在学生自学基础理论知识的基础上，通过小组讨论、辩论和个人演讲完成教学，教师只是启发和帮助学生，引导学生自己或集体做分析和判断，通过工程实践，经过讨论后达成共识。

教师仅仅提出学习要求，最后进行概括总结，绝大部分时间和内容交由学生自己主动地进行和完成。通过本工程案例教学，学生在以下方面具有明显的提升。

1.学生分析、解决问题和利用理论解决工程实践问题的能力大幅度提升。本教学案例均来源于生产实践，是书本理论知识在企业生产过程中的具体实践。通过工程案例可将抽象的专业理论具体化，如半导体能带理论。学生在教师的引导下应用所学的理论知识，通过对具体的工程案例分析，体验生产或工程实践中的具体问题，达到理论与实践相结合，学生在获得知识的同时获得了相应的经验，有效地培养了学生综合运用知识、独立工作和实践的能力，有利于塑造学生的创新精神。

2.学生学习的积极性和主动性大幅度提升。在工程案例教学中，教师通过介绍企业生产过程中的难题引出具体工程问题，鼓励学生通过对案例分析讨论，互相提问和解答，寻找蕴含在案例背景材料中的相关知识，应用所学的基础理论知识和分析方法，对工程案例进行理论联系实际的思考、分析和研究，充分体现了学生在学习中的主体地位，有效地提高了学生学习的积极性和主动性。

3.学生团结协作精神显著增强。工程案例教学鼓励学生以辩证思维的方法，从不同角度观察、探讨同一问题的不同侧面，提倡交流、讨论、启发和批评；帮助学生串联知识要点、解答疑难，通过讨论、集思广益，共同完成最终的方案。这一过程培养了学生敢于质疑权威的能力、敢于发表个人观点的能力、分析个案的能力和团队协作精神。

结语

传统课堂难以满足生产实际对高级应用型人才的基本要求。课程团队以太阳能光伏器件生产实践为教学实例，与××建立了产学研用合作创新机制，将“材料物理”等基础课程中涉及的光电效应、能带理论、掺杂改性等理论知识与企业生产实践相结合，整理编制此教学案例。通过该案例教学，将工程案例引入材料类工程硕士研究生教学中，丰富学生受训内容，缩短理论教学与生产实际的距离，以满足工程教育面向工业企业的要求，体现培养面向材料工程技术领域的高层次复合型应用技术和工程管理人才的办学理念和培养目标。该案例教学方式和教学内容可推广应用于化工、机械、电子信息等相关专业学位研究生培养中。