以《光伏技術(shù)與應(yīng)用》為例的“金課”課堂教學(xué)模式研究

王娜，楊秋云，樊曉宇，左緒忠，章毛連

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，蚌埠233000）

0 引言

上個(gè)世紀(jì)90 年代以后，教學(xué)研究從課堂教學(xué)的規(guī)范性轉(zhuǎn)向課堂教學(xué)的實(shí)踐性；研究主題則從關(guān)注課堂教學(xué)過程的實(shí)效性轉(zhuǎn)向關(guān)注課堂教學(xué)過程的合理性[1-2]。進(jìn)入本世紀(jì)以后，發(fā)達(dá)國家和新興國家不斷加強(qiáng)對(duì)教育體系的反思和關(guān)注，其研究內(nèi)容轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)者。

2018 年8 月份，教育部專門印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》，教育部部長陳寶生提出“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰‘水課’、打造‘金課’，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量”[3-5]。課程作為教育最微觀部分，其改革卻是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的系統(tǒng)工程。課程實(shí)施的基本途徑是課堂教學(xué)，所以，課堂教學(xué)改革是課程改革的重要環(huán)節(jié)。但是，對(duì)于課堂教學(xué)改革應(yīng)該改什么、怎么改、以及誰來改等問題還需要進(jìn)行深入思考，才能使課堂教學(xué)改革的思路更加清晰。

太陽能資源分布廣泛而且取之不盡、用之不竭。光伏發(fā)電是目前最具可持續(xù)發(fā)展的能源，目前我國的光伏產(chǎn)業(yè)位居世界第一?！豆夥夹g(shù)及應(yīng)用》是介紹光伏技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用的重要課程，是光電專業(yè)的專業(yè)拓展課程，但是關(guān)于其“金課”課堂教學(xué)模式改革未見報(bào)道。

1 “金課”課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型研究思路

目前，我校光電專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課有8 門，其中《通信原理》為省級(jí)智慧課堂試點(diǎn)項(xiàng)目；專業(yè)核心課程有6 門，其中《工程光學(xué)》為省級(jí)精品開放課程，《光電探測與信號(hào)處理》為省級(jí)精品資源共享課程。這為我們開展《光伏技術(shù)及應(yīng)用》課程課堂教學(xué)改革打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為此開展以下研究內(nèi)容：推進(jìn)教師的“金課”課程意識(shí)的培養(yǎng)。因?yàn)椴煌處煵煌慕逃J(rèn)知對(duì)應(yīng)不同的教育實(shí)踐，所以在推動(dòng)“金課”課堂教學(xué)改革時(shí)，必須培養(yǎng)教師在課堂中的“金課”教學(xué)思維。如何追求生命課堂、課堂教學(xué)如何有靈魂和如何讓學(xué)生身心在課堂改革中成長都是教師要考慮的問題。推進(jìn)有關(guān)課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革實(shí)踐活動(dòng)。革新教育教學(xué)理念，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的基本要素深度融入專業(yè)課程教學(xué)全過程，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，并將產(chǎn)學(xué)研合作成果作用于專業(yè)課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革。推進(jìn)智慧學(xué)習(xí)空間建設(shè)?；陂L江雨課堂、超星泛雅和QQ 屏幕分享大平臺(tái)建構(gòu)開放服務(wù)模式；利用學(xué)習(xí)工具、協(xié)作交流工具等教育軟件，構(gòu)建本專業(yè)課程資源；基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析與評(píng)估；基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，可以描述和解釋過去的現(xiàn)象、預(yù)警和干預(yù)正在發(fā)生的學(xué)習(xí)、推斷發(fā)展趨勢和預(yù)測將來；精準(zhǔn)地向?qū)W習(xí)者推送符合其特征的學(xué)習(xí)資源，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)效率。

2 《光伏技術(shù)與應(yīng)用》“金課”課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型研究內(nèi)容

2.1 “金課”課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型研究基礎(chǔ)

在首屆（2019 屆）安徽省電子類專業(yè)水平測試賽，我專業(yè)學(xué)生表現(xiàn)突出，5 名同學(xué)全部獲獎(jiǎng)，其中二等獎(jiǎng)1 名，三等獎(jiǎng)4 名。我校獲獎(jiǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于省平均水平。我院一直重視學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，目前校內(nèi)外創(chuàng)新基地有8 個(gè)，以我院精英大舞臺(tái)為載體，指導(dǎo)學(xué)生積極開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。光電信息科學(xué)與工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育成效顯著，學(xué)生參加創(chuàng)新活動(dòng)積極性高，近三年來，報(bào)名參加互聯(lián)網(wǎng)+活動(dòng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的同學(xué)的年均比例分別為60%和63%。目前，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)大生共主持省級(jí)及以上大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目18 項(xiàng)（其中國家級(jí)4 項(xiàng)、省級(jí)14 項(xiàng)）；各級(jí)各類大學(xué)生競賽是提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、培育學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的優(yōu)質(zhì)載體。學(xué)校、學(xué)院和光電工程系以學(xué)科競賽為持續(xù)抓手，積極穩(wěn)步推進(jìn)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、安徽省機(jī)器人大賽、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能競賽、飛思卡爾智能車競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”等各級(jí)各類競賽，同事注重競賽對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神的過程性影響。近三年來，在各種技能及科技競賽活動(dòng)中獲省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)22 項(xiàng)（其中國家級(jí)英語競賽獎(jiǎng)2 項(xiàng)，全國管理模擬大賽2 項(xiàng)，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽3 項(xiàng)，大學(xué)生環(huán)保知識(shí)競賽1 項(xiàng)，全國大學(xué)生智能汽車競賽1 項(xiàng)）；包含安徽省單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用競賽一等獎(jiǎng)在內(nèi)的各類省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)13 項(xiàng)。因此，以培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才教育為目標(biāo)，結(jié)合本校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)際情況，探究《光伏技術(shù)及應(yīng)用》課程課堂教學(xué)如何優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)打造具有示范作用的“互聯(lián)網(wǎng)+光電”的“金課”是切實(shí)可行的。

2.2 “金課”課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型研究內(nèi)容

最新科研前沿的介紹。我系目前博士教師9 名，比如我系教師楊秋云博士2018 年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)凝聚態(tài)物理專業(yè)。楊秋云博士以國產(chǎn)銅箔為襯底，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法成功制備大面積單層石墨烯。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行石墨烯生長之前，對(duì)銅箔進(jìn)行正壓退火可以顯著拓寬大面積單層石墨烯的生長窗口，進(jìn)而提高國產(chǎn)商業(yè)銅箔上生長的大面積單層石墨烯的質(zhì)量，并通過制備石墨烯-硅太陽能電池對(duì)石墨烯的品質(zhì)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)制備的大面積石墨烯單層率達(dá)到95%以上，面電阻約500Ω/sq，載流子遷移率為2000-3000cm2/V·s，光透過率達(dá)到97.24%。以此制作的石墨烯-硅(Gr/Si)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為4.99%-5.62%。如圖1 所示，國產(chǎn)銅箔上生長石墨烯的光學(xué)圖片，在上面隨機(jī)選取一些地方剪裁出一定面積的小塊，然后將銅箔刻蝕掉，把石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)Si 襯底上，制造了六個(gè)Gr/Si 太陽能電池。圖2 顯示了制備的Gr/Si 太陽能電池的電流密度J-電壓V 特性曲線。從圖中可以看出，六個(gè)Gr/Si 太陽能電池的曲線彼此相似。曲線與水平/垂直坐標(biāo)的交點(diǎn)數(shù)據(jù)浮動(dòng)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，封閉區(qū)域幾乎相同。說明制備的石墨烯薄膜的性質(zhì)相對(duì)均勻，且層數(shù)相對(duì)均一。楊秋云博士的工作一方面與本課程教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，另一方面也可以讓學(xué)生了解課程相關(guān)的科研熱點(diǎn)。太陽能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電技術(shù)。核心器件是太陽能光伏電池，即將光能轉(zhuǎn)化為電能的器件，其效率決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。有關(guān)光伏發(fā)電的薄膜材料的制備和表征是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，也是廣大研究生研究的熱門課題。如果將薄膜技術(shù)、發(fā)光技術(shù)和異質(zhì)結(jié)等技術(shù)介紹給同學(xué)，一方面擴(kuò)展了課程內(nèi)容緊密聯(lián)系實(shí)際，另一方面為學(xué)生將來的就業(yè)指明方向?？蒲泄ぞ叩倪\(yùn)用插入實(shí)際教學(xué)過程。光伏電池的伏安特性曲線類似二極管，即指數(shù)關(guān)系。普通實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)們測量伏安數(shù)據(jù)，但是缺乏直觀的曲線圖像表征?？茖W(xué)工具的運(yùn)用，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合出指數(shù)曲線，科學(xué)直觀地表征光伏電池的伏安特性，學(xué)生印象深刻，能學(xué)以致用。有關(guān)課程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的申請(qǐng)。《光伏技術(shù)及應(yīng)用》課程的內(nèi)容涉及電路、數(shù)電、模電和單片機(jī)技術(shù)等，是一門綜合性課程。結(jié)合課程特點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生申報(bào)有關(guān)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，例如光伏路燈、光伏玩具小車、光伏電動(dòng)車等。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的實(shí)踐過程中學(xué)以致用。

2.3 “金課”課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型研究的預(yù)期效果

在“金課”和“智慧教學(xué)”建設(shè)背景下，認(rèn)真分析光電專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀及問題，給出專業(yè)課程定位和改革思路，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法/手段、考核方式、教學(xué)資源、師資隊(duì)伍、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等7 個(gè)方面設(shè)計(jì)課程改革方案并在安徽科技學(xué)院電氣學(xué)院進(jìn)行教育改革實(shí)踐。以安徽科技學(xué)院為例，給出“以學(xué)為中心”背景下光電專業(yè)課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型實(shí)踐并申報(bào)校級(jí)以上大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項(xiàng)目1-2 項(xiàng)；申報(bào)校級(jí)以上高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)1 項(xiàng)；申報(bào)校級(jí)以上校企合作實(shí)踐教育基地項(xiàng)目1 項(xiàng)；申報(bào)校級(jí)以上智慧課堂1-2項(xiàng)；組建1-2 個(gè)教師團(tuán)隊(duì)參加2020 年的聯(lián)盟高校第四屆移動(dòng)教學(xué)大賽；積極參報(bào)校級(jí)以上教師水平教學(xué)競賽。指導(dǎo)學(xué)生參加安徽省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新競賽2-6 人次；指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)省級(jí)以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目3-7 項(xiàng)；指導(dǎo)學(xué)生參加校級(jí)以上“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽2-5項(xiàng)；積極組織學(xué)生參加全國大學(xué)生智能汽車競賽、安徽省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽和安徽省單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用競賽。

圖1 生長有石墨烯薄膜的無氧銅箔

圖2 六個(gè)太陽能電池的J-V 特性曲線圖

3 結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前“金課”和“以學(xué)為中心”建設(shè)要求，進(jìn)行《光伏技術(shù)及應(yīng)用》課堂教學(xué)改革，通過科研熱點(diǎn)介紹、教師科研工作內(nèi)容介紹、科研工具運(yùn)用和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申報(bào)等提升課堂教學(xué)質(zhì)量，借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，最終創(chuàng)造適合學(xué)生學(xué)習(xí)程度《光伏技術(shù)及應(yīng)用》“金課”場域。