新能源材料專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程改革探索

張蕾　王曉剛　劉清華　段曉波　華小虎　陸樹河　樊子民　鄧麗榮

摘要：新能源材料作為新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要大批專業(yè)人才，而國(guó)內(nèi)新能源材料專業(yè)剛剛起步，實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)置及設(shè)備都尚未跟進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可以根據(jù)建設(shè)背景與學(xué)科特點(diǎn)建設(shè)與之相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文在現(xiàn)有新能源材料實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的加入對(duì)新能源材料專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；新能源材料；實(shí)驗(yàn)課程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）12-0247-02

一、引言

隨著信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)意義上的大學(xué)功能被部分取代，而實(shí)驗(yàn)課程體系作為傳統(tǒng)大學(xué)教育中不可或缺的部分，在此背景下也受到了很大的沖擊。既然如此，實(shí)驗(yàn)課程如何重新定位自己的未來(lái)發(fā)展方向并且重新審視自己在大學(xué)教育中的價(jià)值所在？其次，實(shí)驗(yàn)課程體系如何適應(yīng)及更好地應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值呢？在互聯(lián)網(wǎng)模式引導(dǎo)下，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，新一代實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地在此背景下因用而生，并通過(guò)新專業(yè)、新方向等形式的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域的拓展，培養(yǎng)更貼近社會(huì)需求的大學(xué)生，從而促進(jìn)大學(xué)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起一系列資源環(huán)境問(wèn)題[1]，石油危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等已成為現(xiàn)階段制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素。面臨如此嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，世界各國(guó)紛紛進(jìn)行新能源、節(jié)能技術(shù)及環(huán)境技術(shù)的綜合高效開(kāi)發(fā)和利用，以期實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，因此，新能源材料作為新興的課程體系，在互聯(lián)網(wǎng)+的模式下必將引起更大關(guān)注。

目前，新能源材料課程體系的建設(shè)正處于起步階段，作為一個(gè)多學(xué)科交叉專業(yè)，其建設(shè)并無(wú)現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研討和長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃。本文圍繞新能源專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+模式探討其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。

二、新能源材料互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)目標(biāo)

自上世紀(jì)90年代起，世界各地一些具有前瞻性的名校校長(zhǎng)就開(kāi)始探索信息技術(shù)與教學(xué)的融合，如早在2001年由麻省理工學(xué)院?jiǎn)?dòng)的OCW（Open Course Ware）網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放課程，就計(jì)劃10年內(nèi)把MIT所有的課程內(nèi)容放到網(wǎng)上，供全世界所有的人免費(fèi)使用。MIT前校長(zhǎng)維斯特（Charles Vest）作為該項(xiàng)目的倡導(dǎo)者和實(shí)施者，希望能推動(dòng)課程資源的共建共享，促進(jìn)教授之間的相互學(xué)習(xí)與合作，創(chuàng)造一個(gè)全新的學(xué)習(xí)時(shí)空。緊跟其后的“媒體聯(lián)合體”是由詹姆斯·杜德斯達(dá)特（James Duderstadt）在擔(dān)任美國(guó)密歇根大學(xué)校長(zhǎng)時(shí)推動(dòng)和實(shí)施的一項(xiàng)研究型大學(xué)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)驗(yàn)。它通過(guò)把所有的信息技術(shù)集成在一個(gè)物理空間，從而創(chuàng)造一個(gè)“全數(shù)字化”（all-digital）的環(huán)境，為研究型大學(xué)日益增長(zhǎng)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)與研究活動(dòng)提供了一個(gè)統(tǒng)一且通用的平臺(tái)。

在此背景下，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。銳捷網(wǎng)絡(luò)早在2004年就在業(yè)內(nèi)首次提出了高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室方案的理念。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，解決了高新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)難以獨(dú)立操作及展示的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的加入，建成新型的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做到開(kāi)放性的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方式的開(kāi)放性。在實(shí)驗(yàn)室中，教師和學(xué)生可以根據(jù)自己的需要來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)可以隨時(shí)隨地通過(guò)遠(yuǎn)程登陸的方式進(jìn)行預(yù)約和做網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。這種新型的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室一般由客戶端、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、開(kāi)放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及網(wǎng)頁(yè)的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生只需登錄瀏覽器即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)儀器共享、遠(yuǎn)程控制來(lái)完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)量模塊之前，通過(guò)一個(gè)多媒體輔助模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的虛擬呈現(xiàn)，檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟；然后通過(guò)測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)學(xué)生的課程安排進(jìn)行分析、存儲(chǔ)以及顯示，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

這種新型的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室有三種實(shí)現(xiàn)模式：（1）軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室：僅通過(guò)模擬軟件平臺(tái)，接受學(xué)生或教師發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回。整個(gè)測(cè)試過(guò)程不涉及具體的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，利用軟件模擬即可完成。（2）儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室：服務(wù)端接收學(xué)生或老師的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備相配置，實(shí)驗(yàn)后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享。（3）遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室：與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室最大的區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建立可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的高效管理，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)在不同功能的實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間輕松切換，教師在教師機(jī)上即可登陸到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)備上，指導(dǎo)、檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果，可以輕松管理多組實(shí)驗(yàn)；不僅如此，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室也是安全管理的實(shí)驗(yàn)室，由于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)被局限在實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，任何兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)驗(yàn)過(guò)程互不干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰可信。

三、新能源材料互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向

西安科技大學(xué)新能源材料方向立足于當(dāng)?shù)匦虏牧袭a(chǎn)業(yè)技術(shù)落后、能源資源浪費(fèi)大、污染大、裝備水平低的現(xiàn)狀，旨在解決技術(shù)水平落后，專業(yè)技術(shù)人員不足等問(wèn)題，推進(jìn)研發(fā)成果產(chǎn)品化、工程化和產(chǎn)業(yè)化，形成能源材料專門人才培養(yǎng)基地。目前主要開(kāi)展多晶硅、多晶薄膜、太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換儲(chǔ)運(yùn)器材料、電極材料、負(fù)極材料、電熱轉(zhuǎn)換陶瓷以及低載能工業(yè)硅、單/多晶碳化硅和金屬鎂材料等新能源新材料方面的研究和開(kāi)發(fā)已初具規(guī)模，在師資、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面都積累了一定的基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的材料專業(yè)相比，新能源材料專業(yè)教學(xué)內(nèi)容更為抽象，新能源材料與器件專業(yè)與以往的工程類材料專業(yè)相比，更強(qiáng)調(diào)與材料科學(xué)相關(guān)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生將接受更為嚴(yán)格和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論教育和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練[2，3]。其中實(shí)驗(yàn)部分主要由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)訓(xùn)練、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等多部分組成，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＦ渲谢A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，讓學(xué)生通過(guò)接觸多學(xué)科、綜合性的知識(shí)和技能，理解基礎(chǔ)理論知識(shí)，掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，這部分實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室即可完成。而對(duì)于新能源材料的專業(yè)性實(shí)驗(yàn)則需通過(guò)不同的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，由于其專業(yè)的新穎性及特殊性，很多新材料的制備及表征過(guò)程無(wú)法完全由學(xué)生自己動(dòng)手完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性限制了學(xué)生對(duì)新能源材料的進(jìn)一步深入探究。計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在這一方面將會(huì)迅速、高效地根據(jù)學(xué)生需求提供所需信息，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可以完全滿足新能源專業(yè)的教學(xué)需求，完成新材料制備研究、材料性能測(cè)定、材料應(yīng)用分析等的實(shí)驗(yàn)系列，幫助學(xué)生理解常用的新能源材料制備方法、性能表征測(cè)試方法的原理，熟悉常用的實(shí)驗(yàn)儀器及其使用方法，為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)研究打好基礎(chǔ)。同時(shí)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室均配套相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，以供教學(xué)參考。作為教材使用的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)包括：教學(xué)目的、真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境描述、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備間相連的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒉僮鞑襟E、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證等內(nèi)容。

以儲(chǔ)能材料與器件及性能綜合實(shí)驗(yàn)為例，主要包含了包括鋰離子電池正極材料制備、結(jié)構(gòu)與性能表征，電極制備與表征[4]，電池組裝過(guò)程與工藝及電化學(xué)性能和安全性測(cè)試等過(guò)程。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要學(xué)習(xí)鋰離子電池系列相關(guān)的正、負(fù)材料的合成、器件組裝以及器件的整體存儲(chǔ)性能測(cè)試，目的是讓學(xué)生掌握目前廣泛研究和應(yīng)用的高性能化學(xué)電源（如鋰離子電池）的工作原理、制備及測(cè)量方法。在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置時(shí)，必須考慮學(xué)生的實(shí)際操作問(wèn)題，讓其針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的某一部分設(shè)計(jì)自己的方案，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。但目前實(shí)驗(yàn)室無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程的直接了解，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)虛擬流程、虛擬工藝、虛擬生產(chǎn)等數(shù)字化教學(xué)資源，為數(shù)字化課堂建設(shè)提供翔實(shí)的資源保障。可以將鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程、工作流程等信息實(shí)時(shí)傳送到課堂，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維。

實(shí)驗(yàn)前先讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解鋰離子電池的電化學(xué)工作機(jī)理，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、制備不同電極的材料、完成電解液的選擇過(guò)程。后續(xù)的電池的組裝及性能檢測(cè)過(guò)程可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室完成，讓學(xué)生對(duì)鋰離子電池的構(gòu)造有了感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)其主要的性能指標(biāo)參數(shù)有更深的理解，更可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程的直觀學(xué)習(xí)，培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，推動(dòng)新能源材料的后續(xù)發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

作為新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，新能源材料專業(yè)在未來(lái)的很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)必會(huì)有廣闊的發(fā)展前景，專業(yè)人才的培養(yǎng)，教學(xué)質(zhì)量的全面提高將會(huì)是高等院校發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的加入讓學(xué)生了解新能源材料的最新生產(chǎn)工藝，及時(shí)地跟進(jìn)最新的生產(chǎn)技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生的職業(yè)成長(zhǎng)，為解決國(guó)內(nèi)高校開(kāi)設(shè)新能源材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)課暫無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒的現(xiàn)狀，提出一種可參考的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

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