浅谈新工科背景下新能源材料与器件专业建设思路

吴小帅，史转转，杨晓刚，郭春显

(苏州科技大学材料科学与工程学院，江苏 苏州 215009)

新能源和新材料是我国现代化社会建设的基础，成为实现“碳达峰” 和“碳中和”中长期目标的重要因素。随着全球能源供给的不确定性增加，我国对新能源新材料特别是高端材料的研发和生产需求将更加强烈，相关高技术专业人才也将非常短缺[1]。为响应国家大力发展新能源技术和产业的战略导向，教育部于2011年已新增了新能源材料与器件等特色专业，专门培养在新能源材料与器件领域掌握新能源材料制备过程和制造器件的基本规律和原理、具备生产创新思维和实践能力，并能适应行业与国民经济发展，从事研究开发、工程设计、生产管理和市场开拓等技术型专业人才。特别是2017年起，为应对新一轮科技革命和产业变革，复旦大学和天津大学召开的新工科研讨会启动了新工科建设的模式探索[2]。苏州科技大学材料科学与工程学院紧紧把握机会，经过多轮大胆细致论证后，于2020年申报获批“新能源材料与器件”专业。结合材料科学与工程学科发展新工科的背景，探索合适的新能源材料与器件专业人才培养模式改革。本文结合地方经济、学科师资队伍和支撑条件等方面就新专业培养方案的制定，推动材料、化学和新能源模块课程体系的构建和专业实验的设置方面提出几点思路，为培养能够适应新工科发展所需的新能源科学与技术领域的专业人才提供借鉴。

1 模块化材料、化学和新能源课程体系构建

新能源材料与器件特色专业知识结构涉及化学、物理学、材料科学等多个学科基础，其产品应用涵盖了锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、氢能、生物质能源等多个领域。本专业知识体系强调数理、科学与技术结合，体现了新材料制备和器件系统的技术整合特性。所以为了有效实现专业人才培养目标，需要构建合理的多元课程体系模块，将不同学科教学内容有机融合、集成，并且形成全面、特色的知识结构[3]。

在培养过程中，本专业对学生的自我选择和职业规划进行充分指导，提供更加宽泛的教育平台供学生自我选择。为此，结合我校材料科学与工程学院的教学实际情况，在新专业的培养方案制定时重点考查了以下几点：(1)在通识课程教育中增强任选课与创新创业、科技进步与科技精神、文化传承与国际视野、哲学智慧与思维训练等课程，旨在加强培养学生的国际思维和哲学思维，引导学生追踪学术前沿热点，熟悉学术发展动态，提高其探求新知识和新技术的热情。(2)学科基础必修课中开设材料科学导论、材料科学基础、材料工程基础、电工电子技术、材料制备科学与技术以及材料研究方法与现代测试技术等课程，使学生在新材料基础理论方面得到全面的训练，并对材料科学的制备和检测技术有深入的理解和掌握。(3)专业教育必修课除了开设基础化学和应用电化学、化学电源基础与应用、等能源方面基础理论课程外，还开设光伏材料与器件、新能源材料与器件、燃料电池技术以及新能源材料技术前沿等专业课程，保证学生在新能源技术领域的全面培养，接受现代工程师的基本训练，毕业后能进行新能源材料与器件相关的制造、加工组装、性能测试以及设备运行和维护，并能从事产品生产工艺设计、生产加工、科学研究、技术开发以及组织管理方面的工作。(4)专业教育任选课目则开设了锂离子电池材料与技术、超级电容器材料与器件、太阳能电池基础及应用、储热材料与技术、节能减排技术、生物能源、制氢与储氢材料、可再生能源、光电催化原理与应用、新能源汽车动力电池技术、有机光电材料与器件以及纳米科技等选修课，学生可以根据自己的兴趣以及未来的职业规划自主选择相应的选修课程，提高学生在就业市场上竞争力。总之，新专业的课程体系建设体现出模块化培养，突出厚基础、宽口径的思想，反映出新工科背景下的专业特色并适应国民经济社会发展需要等原则，重视科学创新思维和工程实践的培养。

2 专业创新实验的设置

本专业的课程体系追求基于产出的教育模式(OBE)，其育人目标是培养新能源和新材料领域高级应用型人才，对学生的创新能力和实践能力有较高的要求，这使得实验实践教学在专业培养中占有重要地位。新能源材料与器件专业学生的培养模式，必须在理论教学的基础上加强实验教学，以理论支撑实践并在实践中加强对理论知识的掌握。本专业的教学实验需要依据毕业要求、课程内容结合学生知识结构特点进行设计，探索不同层次的实验实践课程在提高学生创新和实践能力方面打下坚实的基础的可行性和必要性[4-5]。苏州科技大学材料科学与工程学院根据本专业的课程体系和学生特点设计了一系列基础实验课程和综合实验课程，系统地全方位地培养学生的实践能力。

2.1 基础性实验项目设计

专业基础实验主要针对的是基础化学课程所设置的实验，包括无机及分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验以及应用电化学实验等。开设基础化学实验的主要目的是：(1)培养学生的基本动手能力，温习和巩固理论课程所学到的专业知识，探索课堂所学知识转化为实际应用能力；(2)在材料和化学领域之外，基础实验还开设了新能源领域一批关键实验，例如新材料设计合成实验，从简单到复杂、从验证到分析，只有熟练掌握基本操作才能进一步拓展。实验课主要以学生为主体进行具体实验操作，老师指导协助的模式。通过实验现象的观察、实验数据的记录与分析，使得学生能够掌握基础理论验证方法。以应用电化学实验为例，该课程既包括电极抛光、涂敷等技术性能力训练，又包括复杂的电化学循环伏安、阻抗测试、循环伏安测试，经过系统训练可以对电化学的相关理论加强理解，并为后续的综合性创新实验夯实基础。

2.2 综合创新性实验项目设计

综合创新性实验设计是专业基础实验的后续课程，体现了综合性和创新性，主要为加强学生材料研究的科学意识并培养其具备初步参与新材料和器件研究的能力，并进一步了解新能源材料的制备、表征、器件的组装和性能测试等。学院兼顾师资团队和研究方向，设置了锂离子电池材料的制备与器件组装、生物传感芯片的制作及生化性能检测、可见光光催化材料的制备及催化性能测试、薄膜太阳能电池的搭建及性能测试等一系列创新性实验。此外，学生还可以根据某一课程的综合知识及相关知识，按照授课老师给定实验目的和要求，自行设计实验方案并加以实现，培养学生自主创新的能力。

进一步创新能力是学生培养目标的核心，学科竞赛也是培养创新型高素质人才的有效途径，所以材料学院不仅重视在理论课教学中引导学生的创新意识，更加注重给学生提供创新平台、实验场地和实验设备，鼓励并支持本科生在老师的指导下参加各类学科竞赛和大学生创新创业项目等科创活动。低年级学生经过基础实验和创新实验训练后，即可在本科导师的指导下申报国家、省级等各级双创训练项目。经过科研团队的训练和培育，学生将在互联网+、挑战杯和专业学科竞赛方面逐步崭露头角。

2.3 工程实践

除了接受基础性实验和综合创新性实验的理论训练之外，本专业学生还要在实践基地单位接受生产工程实践。例如通过课程设计和生产实习培养自己的工程实践能力，学院正在建设锂离子电池中试平台作为实训平台促进校企合作实验基地的建设。学生通过将专业实验、工程实践和毕业设计有机结合，在此过程中进行系统地科学训练，有针对性培养学生的创新思维，增强学生文献调研、实验设计、实验操作以及实验结果分析等综合能力。

为了实现立德树人的根本任务，学院坚持以先进的科研成果促进学科建设，加强青年教师队伍的建设和培养，充分发挥科研育人的引领作用，构建科研育人的长效机制。本专业以资深教授讲授专业基础课，积极尝试将新的科研成果融入教学过程，引导学生追踪学术前沿热点，熟悉学术发展动态，提高其探求新知识和新技术的热情。

3 结 语

新能源材料与器件专业是为了应对新能源产业发展需要所设立的特色专业，在新工科建设背景下探索建立合理的新能源材料与器件专业人才培养模式，应对行业发展的机遇和挑战，坚持OBE基于学习产出导向的培养理念，在专业培养方案中拓宽专业知识面、突出专业教学、加强实践和理论的结合。通过模块化课程体系的构建和专业创新实验的设置培养学生独立思考和创新的能力，提高毕业生的综合素质以及市场竞争力。苏州科技大学材料科学与工程学院既注重培养学生专业理论学习，又全面加强理论与实践相结合，坚持全员、全方位、全过程育人模式培养适应新能源材料行业发展的具有实践能力创新能力的专业人才。