罗 文，钱艳楠，王文广*

（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）

能源是现代工业生产和社会发展的主要动力来源和基础。随着传统化石能源的逐渐枯竭及导致的环境污染，人们的环保呼声日益高涨，大力开发新能源和节能减排已成为世界各国重点关注的战略问题[1]。新能源作为新兴产业，能够影响一个国家高新技术发展的水平，也是未来国际竞争的战略制高点[2]。作为新能源中的重要组成部分，太阳能是一种清洁、可再生的能源。人们在开发和利用太阳能时，不会污染环境和影响生态平衡。因此，研究和开发太阳能的高效应用，对于人类社会的生产、生活乃至生存，都具有十分重要的意义[3]。

目前，太阳能的利用主要有太阳能集热、太阳能光伏发电和太阳能电池。其中，太阳能电池由于其优异的性能受到了广泛关注和应用。太阳能电池是一种利用光电效应或光化学效应把光能转化为电能的装置。基于太阳能电池集成的太阳能发电系统具有显著的优势，如易增容、维护成本低、使用寿命长、性能稳定可靠、节省土地资源等[4]。

《太阳能电池》是广东工业大学新能源材料与器件专业的一门专业必修课，其目的是使该专业的学生掌握太阳能光电转换的基本原理、太阳能电池材料的制备工艺以及太阳能电池器件的组装与性能测试方法，为学生以后从事太阳能电池研究和光伏技术应用打下坚实的理论和实践基础。以高素质创新型人才为目标，以提高学生全面素质为宗旨，这是我们针对《太阳能电池》的课程性质以及新能源背景下提出的教学定位。因此，构建《太阳能电池》课程理论和实践相结合的教学平台，以培养学生的专业素质，提高学生的思维能力，增加学生的就业机会，提高学生服务社会的能力为核心，进行相关的教学改革具有十分重要的意义。

1 目前存在的问题

在新能源发展的大背景下，广东工业大学材料与能源学院在2016年开设了新能源材料与器件专业。本专业主要系统地学习新能源技术和材料科学的相关知识。以新能源技术和材料科学为主，面向能源行业特别是太阳能、光电、新能源电池等领域，培养从事新能源材料和器件设计、制备、表征、分析和管理等相关工作的高素质创新型专业人才。《太阳能电池》这门专业基础课就是在这种情况下开设的，但我们在授课中也发现了传统的教学过程中存在诸多问题。

1.1 教学理论性强，前期学科基础要求高

《太阳能电池》是一门相对理论性强的专业课程，一般包涵太阳能领域的概况、太阳能电池原理、太阳电池组件、以及太阳能光伏系统的种类、设计、应用、安装、检查与测试等[5]。该课程的内容涉及材料、物理、电化学、数学等多学科的知识。尽管学生在前期对电池内容有所学习，但与太阳能电池相关的知识了解不深，一些重要知识点与化学电池相差甚远，学生难以理解。例如，“光电转化效率”是太阳能电池中的重要概念，但很多学生在平时的学习中，只是记住了简单的计算公式，对里面的参数理解不深，还无法与太阳能电池器件融会贯通。此外，太阳能电池中涉及到许多复杂的概念和繁琐的公式，都需要学生有一定知识储备才能更好的消化和掌握。

1.2 教学过程缺乏实践

前面提到本课程理论性强，一般的“讲授式”教学以课堂讲授为主，学生几乎是被动接受知识。教学过程不够生动，学生在学习过程中感到无趣，导致学生的学习积极性不高，教学效果不佳，不能很好地完成教学目标。而且，现有的教学模式缺乏实践教学，学生一方面难以理解和消化所学知识，另一方面学生也缺乏实践动手能力，无法理论联系实践。

1.3 教学内容不能与时俱进

太阳能电池研究的发展日新月异，有些研究内容的发展甚至突破了现有理论的极限。但是，目前的教材和教学内容相对陈旧，无法跟上太阳能电池领域前沿的高速发展。如果花费大量学时进行陈旧内容的讲解，是不利于培养高素质创新型人才的，急需调整和优化授课内容和方式。

1.4 考核方式单一

目前的教学只要以课堂授课为主，最后的考核方式就是考试（闭卷或开卷）。考虑到现有的授课学时和教学内容，学生很难在有限的时间内学习到最重要和前沿的知识，同时在实践和创新能力上得到锻炼和考核。所以，现有的考核方式过于单一，需要进行适当的调整或优化。

2 教学改革探索

针对《太阳能电池》教学中存在的问题，结合本专业的培养目标，采用核心讲授与拓展探讨、线上学习与线下讨论、理论学习与科研实践相结合的教学方式，实现互动型教学。经过近几年的教学改革和课程实践，取得了良好的教学效果。

2.1 核心讲授与拓展探讨

《太阳能电池》的核心是太阳能电池的原理、组成、设计和应用。根据教学目标和授课学时，以尹建华、李志伟主编等的《半导体硅材料基础》和杨德仁的《太阳能电池材料》为基础教材，适当地调整和优化了教学内容，突出了太阳能电池领域的核心基础知识，并结合最新的研究进展[6]进行拓展探讨，鼓励学生了解最新的前沿知识并进行小组讨论，同时增加拓展讨论在考核中所占的比例。一方面可以提高学生的学习兴趣，另一方面也能提高学生的理解能力，从而更好地培养学生的思维和创新能力。比如，在讲到染料敏化太阳能电池部分，首先讲解染料敏化太阳能电池的典型结构、基本原理，以及最新的一些研究进展，然后会将学生分组，鼓励他们从光阳极、敏化剂、电解质、对电极这四部分查阅最新的研究论文，进行分组讨论。这样不仅可以进一步加深他们对染料敏化太阳能电池的基本概念和结构的理解，也能增加学生们的学习兴趣，从而提高他们的思维能力。再比如，光阳极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，而目前光阳极材料主要是二氧化钛。材料的基本结构决定了它的性能。因此，我们可以让学生去思考怎样的二氧化钛结构可以制备出具有高光电转换效率的太阳能电池，包括二氧化钛的形貌、微结构、晶粒尺寸等，而其微观形貌又可以分为零维、一维、二维和三维的不同结构。通过这样的方式，让学生的思维得到最大的拓展，不仅丰富了知识面，而且对太阳能电池的结构和性能有了更深入的理解。

2.2 线上学习与线下讨论

传统的“讲授式”教学限制了学生们的学习积极性，不利于培养高素质的创新型人才。因此，进行了一定的教学方法的改革，以线上学习与线下讨论为主体，增加与学生的互动与交流，提高了学生们的学习兴趣，变被动为主动，有效地提高了教学质量。一方面构建线上的教学库，包括一些视频、动画、文字说明和核心练习题，以供学生提前预习或课后复习；另一方面，也会在一定时间内安排线下讨论，针对已学内容提出问题或创新想法，进一步锻炼学生们的学习能力。比如，在讲到染料敏化太阳能电池的实际应用时，除了通过动画或图片举例它们在电池领域的应用，也举例它们在装饰品、人工太阳叶、在野外帐篷和幕墙等领域的应用，然后鼓励学生们课后搜索，发现更多的应用领域，并在线下进行讨论，从而提高学生们的理解和认知能力。再比如，敏化剂是染料敏化太阳能电池的重要部分，现阶段除了一些工业化的染料之外，自然界中也有很多染料，广泛存在于各种植物的根、茎、叶中。可以让学生去讨论哪些天然染料可以用来敏化太阳能电池，它们又要满足什么样的条件，从而把大自然跟课程知识联系起来。

2.3 理论学习与科研实践相结合

《太阳能电池》这门课理论知识丰富，学科范围广泛，单纯的理论学习不仅降低了学生们的学习兴趣，也会限制他们对所学内容的理解和运用。结合本专业的优势，提出理论学习与科研实践相结合的教学方式。针对不同的太阳能电池，结合不同的科研团队，给学生们实际学习和动手操作的机会，锻炼他们的动力能力，进一步加强他们的理解和创新能力。比如，在讲解染料敏化太阳能电池部分，会让学生们分组进入相关科研课题组，实际演示和讲解经典染料敏化太阳能电池的制备过程，然后让他们自己动手完成简单的电池制备，增强他们的感性认识，提高实践动手能力。再比如，教会他们使用电化学工作站测试太阳能电池的光电转换效率，而电化学工作站又是其他电池如锂离子电池、超级电容器的常用测试仪器，由此也促进了他们对其他专业课程知识的掌握。

3 结论

《太阳能电池材料》作为新能源材料与器件专业的一门重要专业基础课，在前期课程和后续课程之间起到一个重要的桥梁作用。学生学习质量的高低，直接影响他们对太阳能电池和其他相关材料科学领域知识的掌握。本文在新能源背景下，研究《太阳能电池》课程的理论和实践教学改革，辅助以教学方法的改进。经过我们的教学改革，极大地提高了学生学习的兴趣，课堂教学质量有了显著提高，近几年的教学评价都处于学院前列。此外，学生们的思维和动手能力也得到了锻炼，有助于培养高素质的创新型人才。