李 燕，李 釗，高歡歡，陳雪蓮，王 磊

（西安石油大學新能源學院，陜西 西安 710065）

1 研究背景

新能源材料與器件專業(yè)是教育部2010 年新開設的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)緊缺專業(yè)，是教育部為促進新能源、新材料、新能源存儲器件等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展而批準成立的重要專業(yè)之一[1-2]，主要對標解決我國能源產(chǎn)業(yè)布局和發(fā)展中存在的系列問題。目前，為適應國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要，培養(yǎng)能夠系統(tǒng)掌握新能源材料、新能源器件設計與制造工藝、新能源系統(tǒng)與工程等方面的專業(yè)基本理論與基本技能的復合型人才，國內(nèi)許多高校迅速設立了新能源材料與器件專業(yè)[3-4]。

新能源材料與器件專業(yè)的學科內(nèi)涵較為繁雜，一般由材料、物理、化學、電子和機械等多學科交叉而形成[5-6]，特別是高層次的研究生培養(yǎng)，直接定位為為產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高技能人才[5]。當前，在“碳中和”“碳達峰”戰(zhàn)略方針引領(lǐng)下，社會對研究性專業(yè)人才又提出了快速上崗和迅速發(fā)展的迫切訴求，然而，國內(nèi)絕大部分高校對新能源材料與器件專業(yè)研究生通識基礎(chǔ)的培養(yǎng)，基本還是沿用傳統(tǒng)工科專業(yè)相似的做法[7-9]，如開設實習實踐、實驗課堂和第二課堂等環(huán)節(jié)。除此之外，也有通過增設創(chuàng)新能力培養(yǎng)相關(guān)課程和各種選修、輔修課程來提升學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)質(zhì)量，然而，這些傳統(tǒng)的需要長時間積淀思維模式和培養(yǎng)方法滲透的知識傳遞方法，在很大程度上與研究生的本科知識儲配以及學習時間不匹配，嚴重削弱了研究生對新能源材料與器件專業(yè)學習的興趣度和探究精神。

同時，在作者近些年的研究生教學經(jīng)歷中，明顯感到有很大一部分研究生對新能源材料與器件專業(yè)的知識積累薄弱，理解能力受限，因此，在教學過程中培養(yǎng)學生快速掌握新能源材料和器件專業(yè)知識體系的建設迫在眉睫。作者結(jié)合新能源材料與器件專業(yè)研究生培養(yǎng)的實際情況，針對研究生知識儲備與新能源研究方向不對接問題，提出了基于代表性器件的案例庫建設策略，分析了案例庫建設存在的問題，對代表性案例進行了主體規(guī)劃。

2 案例庫建設存在問題剖析

2.1 新能源材料和器件種類繁多

新能源材料與器件相關(guān)課程涵蓋的內(nèi)容包括新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保和高端裝備制造等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的材料，它以能量轉(zhuǎn)換與存儲、光電與節(jié)能材料及器件的設計、制備與應用等為特色，以能量轉(zhuǎn)換與存儲、光電材料及器件的設計、制備與應用為核心，所設計的器件和材料種類繁多，這要求具有不同學科背景的研究生，比如電器、通信和計算機等，最多在研究生一年級的整個學期中快速掌握專業(yè)的理論知識體系，這是案例庫建設的重要挑戰(zhàn)。

2.2 專業(yè)知識面覆蓋范圍廣

新能源材料與器件專業(yè)既包含材料方向的知識，又涵蓋了器件方向的知識；既需要傳統(tǒng)材料科學的理論，又需要包括電力傳輸知識和能源調(diào)度方面的實踐認識。在知識體系上涉及物理、化學、材料、電子等多個學科，課程多而且廣泛，但具體課時有限，這一矛盾對案例設置及案例推進提出了更高的要求。針對這一點，隨著教學經(jīng)驗積累，逐步總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，研究生對新能源器件的探索能力充足，但是由于前期基本理論知識儲備的薄弱，很多學生很難在短時的課堂上找到學習的興奮點。因此，在有限的課堂上滲透基礎(chǔ)理論知識的前提下，更關(guān)鍵的是以案例為指引，帶領(lǐng)研究生開發(fā)研究和總結(jié)能力，讓學生從“興趣—知識—追求”上形成系統(tǒng)的理論思維能力，這是案例庫建設的關(guān)鍵。

2.3 建設起點要求高且可借鑒案例少

新能源材料與器件專業(yè)作為國家清潔能源優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略的支撐性專業(yè)，教育部要求其實驗課程教學必須能夠切實提升學生解決復雜工程問題的能力，因此，在新能源材料與器件專業(yè)建設過程中，企業(yè)實際面臨的問題將作為專業(yè)的發(fā)展依據(jù)，那么緊密結(jié)合企業(yè)人才需求，培養(yǎng)能將理論應用于新能源器件開發(fā)的合格研究生成為案例庫組建的重中之重。與此同時，新能源材料與器件專業(yè)作為開設時間不長的新專業(yè)，其課程案例的實施并無太多的現(xiàn)成經(jīng)驗可供借鑒，考慮到新能源材料與器件中器件的輕型廉價和易于展示的特點，可通過豐富相關(guān)課程的課堂形式再配合案例支撐，促成培養(yǎng)任務的推進，為案例建設定好了基調(diào)。

3 案例庫組建策略及代表性案例內(nèi)容

專業(yè)學位碩士研究生教學案例庫是由多個案例組成，案例的質(zhì)量直接決定了案例教學的效果，基于好的案例是建立案例庫的基本條件，在選取編選案例時，應遵循以下策略。一是案例的真實性與原創(chuàng)性：案例編寫遵循真實性原則，案例必須依據(jù)器件的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展動態(tài)等應用領(lǐng)域?qū)嶋H情況編寫。二是案例的典型性與啟發(fā)性：案例以問題為引領(lǐng)，符合時代發(fā)展的需要，應用性強，突破傳統(tǒng)思維，按照“課題研究→新技術(shù)引進→教學案例編寫→課堂教學應用”的形式，使學生了解科技最新技術(shù)發(fā)展動態(tài)。三是案例的完整性與系統(tǒng)性：案例的敘述要具體、特定，除了情節(jié)完整之外，應包含案例正文和案例教學指導或使用說明，注重案例內(nèi)容涵蓋知識的相關(guān)性及多樣性，注重知識的橫向和縱向聯(lián)系，從而發(fā)揮現(xiàn)實指導作用和教學作用。

作者結(jié)合近些年新能源材料與器件專業(yè)教學實際，進行了大類資料分類與匯總，厘出了針對每種器件的代表性且可執(zhí)行的案例，通過教師命題，學生查閱資料、匯總PPT 和答辯等嘗試，總結(jié)歸納了以下案例。

案例一：KxMnO2·nH2O 型混合型超級電容器的設計和性能。

具有二維層狀結(jié)構(gòu)的KxMnO2·nH2O 材料是一種屬于δ 晶型的MnO2材料，該材料在層間結(jié)構(gòu)中有大尺寸K+和H2O 分子作為支柱，一方面可拓寬層間距，另一方面能夠抑制錳離子向?qū)娱g區(qū)域擴散，避免向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而有利于其層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)晶度較高的KxMnO2·nH2O 材料能夠在KCl 水溶液中工作，并發(fā)生可逆的K+嵌/脫反應，使以該材料為核心的混合型超級電容器成為可能。此外，KxMnO2·nH2O 在KCl 水溶液中的放電比電容最高，但是對于其原因和該材料的其他性能沒有做出系統(tǒng)分析。本案例通過將KxMnO2·nH2O 的設計和性能分析作為選題，對其合成方法、性能分析思路、數(shù)據(jù)評價模式等各環(huán)節(jié)進行規(guī)劃和論述，最終由點及面闡明各類混合超級電容器的制備和性能分析原理。

案例二：抑制枝晶強化鋰金屬負極提高鋰電池循環(huán)壽命。

鋰金屬電池是一種新型的儲能器件，因其高能量密度而被廣泛研究，但其鋰負極的鋰枝晶不可控生長，尤其是沿垂直于隔膜方向生長的鋰枝晶，有刺穿隔膜造成電池短路的風險，影響鋰金屬電池安全性能和能量密度的提升。如何減少甚至避免垂直于隔膜方向鋰枝晶生長，強化鋰金屬電池的安全性能依然是其高能量密度發(fā)展趨勢下的關(guān)鍵問題。本案例擬從鋰金屬電池安全性角度出發(fā)，以三維多孔鎳基材料調(diào)控鋰金屬微結(jié)構(gòu)，降低有效電流密度，抑制鋰枝晶生長。并深入挖掘鋰電池鋰枝晶生長內(nèi)在動力學因素，使學生深入理解鋰電池當前的安全性痛點與所學知識的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，提升學生從實際問題出發(fā)思考問題、建立模型并解決問題的能力。

案例三：鈣鈦礦-晶硅疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)設計方法。

鈣鈦礦-晶硅疊層電池成為了近幾年新型太陽電池的一個熱門研究方向，從理論上講，這種電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到30%以上。盡管廣泛意義的研究展現(xiàn)了這種疊層電池非常大的轉(zhuǎn)換效率潛力，然而到目前為止，還從未有人從光學角度提出具體化的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。本案例將從光學角度研究將納米倒金字塔結(jié)構(gòu)應用于鈣鈦礦-晶硅疊層電池，以實驗層面的可行性為前提，一方面，通過在頂?shù)纂姵刂g添加一層透明導電氧化物，激發(fā)頂電池內(nèi)部的折射率引導的導模共振陷光，有效阻隔頂層電池導波光耦合到底層電池；另一方面，通過一種典型的陷光布拉格反射層的選擇性全反射實現(xiàn)，最終設計出一種理論轉(zhuǎn)換效率更高的疊層太陽電池并闡明其設計原理。

案例四：溶液法超大面積鈣鈦礦厚膜的制備工藝設計。

國家能源局和科學技術(shù)部發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》針對太陽能領(lǐng)域異軍突起的鈣鈦礦型太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs），明確提出研制PSCs 的量產(chǎn)設備，研究疊層電池制備技術(shù)，研發(fā)大面積、高效率及高穩(wěn)定性的PSCs 模組，這既給PSCs 領(lǐng)域的研究指明了前進方向，又布置了艱巨任務。實驗室量級的小面積鈣鈦礦薄膜（＜1 cm2） 已可以通過結(jié)晶行為控制順利獲得無裸漏、均勻且全覆蓋的微結(jié)構(gòu)，小面積PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率已超過單結(jié)硅太陽電池，但在PSCs 模組的開發(fā)過程中，為了適應百平方厘米的尺度鈣鈦礦薄膜的制備，研究者針對性地推出了諸如噴墨打印、低壓抽氣（Low-pressure Gas Pumping，LPGP） 等方法，通過攤平鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，然后干燥制備大面積鈣鈦礦薄膜，然而基于新工藝很難制備大面積并且均勻全覆蓋的鈣鈦礦薄膜?？紤]到溶液法具備低成本、易量產(chǎn)并且適合超輕器件開發(fā)的優(yōu)勢，本案例擬采用LPGP 技術(shù)，通過結(jié)晶行為的控制理論建設，制備20×20 cm2的CH（NH2）2PbI3（FAPbI3） 的微米級厚膜，并研究所組裝的PSCs 模組的性能。

上述案例分別為超級電容器、鋰離子電池和鈣鈦礦太陽電池3 種代表性新能源器件中的核心材料的設計和合成方法、器件組裝原理和工藝以及性能分析原則等，因此，本案例庫的特色在于不僅能夠使研究生依據(jù)具體案例快速深入理解和掌握新能源材料和器件的種類、工作原理和基本結(jié)構(gòu)，而且所選用案例緊追科研前沿，同時緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際，有效實現(xiàn)理論與實際深度融合。同時，本案例庫的建設將有助于研究生理解新能源材料與器件行業(yè)的當前發(fā)展現(xiàn)狀，強化其在納米材料和半導體材料領(lǐng)域的知識積累，有效提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。