新能源材料专业互联网实验课程改革探索

摘要：新能源材料作为新兴产业，其发展需要大批专业人才，而国内新能源材料专业刚刚起步，实验课程体系设置及设备都尚未跟进，互联网实验室可以根据建设背景与学科特点建设与之相适应的实验平台，本文在现有新能源材料实验室基础上，通过互联网的加入对新能源材料专业的实验教学体系建设进行探讨。

关键词：互联网；新能源材料；实验课程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）12-0247-02

一、引言

随着信息技术，互联网+时代的到来，传统意义上的大学功能被部分取代，而实验课程体系作为传统大学教育中不可或缺的部分，在此背景下也受到了很大的冲击。既然如此，实验课程如何重新定位自己的未来发展方向并且重新审视自己在大学教育中的价值所在？其次，实验课程体系如何适应及更好地应用互联网模式来实现更大的价值呢？在互联网模式引导下，应用互联网技术，新一代实验室和实训基地在此背景下因用而生，并通过新专业、新方向等形式的设置，实现专业领域的拓展，培养更贴近社会需求的大学生，从而促进大学的长远发展。

全球经济发展引起一系列资源环境问题[1]，石油危机、环境污染和温室效应等已成为现阶段制约经济社会发展的主要因素。面临如此严峻的挑战，世界各国纷纷进行新能源、节能技术及环境技术的综合高效开发和利用，以期实现可持续发展，因此，新能源材料作为新兴的课程体系，在互联网+的模式下必将引起更大关注。

目前，新能源材料课程体系的建设正处于起步阶段，作为一个多学科交叉专业，其建设并无现成经验可以借鉴，必须经过认真的研讨和长远的规划。本文围绕新能源专业实验课程体系，结合互联网+模式探讨其实验教学的发展方向。

二、新能源材料互联网实验室的教学目标

自上世纪90年代起，世界各地一些具有前瞻性的名校校长就开始探索信息技术与教学的融合，如早在2001年由麻省理工学院启动的OCW（Open Course Ware）网络开放课程，就计划10年内把MIT所有的课程内容放到网上，供全世界所有的人免费使用。MIT前校长维斯特（Charles Vest）作为该项目的倡导者和实施者，希望能推动课程资源的共建共享，促进教授之间的相互学习与合作，创造一个全新的学习时空。紧跟其后的“媒体联合体”是由詹姆斯・杜德斯达特（James Duderstadt）在担任美国密歇根大学校长时推动和实施的一项研究型大学创新发展实验。它通过把所有的信息技术集成在一个物理空间，从而创造一个“全数字化”（all-digital）的环境，为研究型大学日益增长的跨学科学习与研究活动提供了一个统一且通用的平台。

在此背景下，网络实验室应运而生。锐捷网络早在2004年就在业内首次提出了高校网络实验室方案的理念。网联网的出现，解决了高新技术的实验难以独立操作及展示的问题，同时通过互联网的加入，建成新型的开放实验室，在实验内容做到开放性的同时还可以实现实验方式的开放性。在实验室中，教师和学生可以根据自己的需要来设计实验内容，同时可以随时随地通过远程登陆的方式进行预约和做网络实验。这种新型的互联网实验室一般由客户端、网页服务器端、应用服务器端及实验仪器设备四部分组成。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及网页的生成；应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据，学习过程中学生只需登录浏览器即可通过互联网访问网络虚拟实验室，进行实验。

实时测量过程中，通过仪器共享、远程控制来完成实验过程。学生在进入实时测量模块之前，通过一个多媒体辅助模块来实现实验平台界面的虚拟呈现，检验学生的预习程度，让学生预先了解实验内容，熟悉具体的实验步骤；然后通过测量模块，实现本地实验数据的采集，根据学生的课程安排进行分析、存储以及显示，完成实验过程。

这种新型的互联网实验室有三种实现模式：（1）软件共享网络虚拟实验室：仅通过模拟软件平台，接受学生或教师发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回。整个测试过程不涉及具体的实验仪器硬件设备，利用软件模拟即可完成。（2）仪器共享网络虚拟实验室：服务端接收学生或老师的实验请求，使用实验参数与相应的实验仪器硬件设备相配置，实验后将实验结果返回，实现实验仪器及实验数据的共享。（3）远程控制网络虚拟实验室：与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于可以实现客户端对实验仪器设备的远程控制。

通过互联网实验室的建立可以实现对实验室的高效管理，学生可实现在不同功能的实验台之间轻松切换，教师在教师机上即可登陆到学生实验的设备上，指导、检查学生实验的过程和结果，可以轻松管理多组实验；不仅如此，互联网实验室也是安全管理的实验室，由于网络实验被局限在实验台内，任何两组实验设备之间没有网络连接，实验过程互不干扰，实验结果清晰可信。

三、新能源材料互联网实验室的发展方向

西安科技大学新能源材料方向立足于当地新材料产业技术落后、能源资源浪费大、污染大、装备水平低的现状，旨在解决技术水平落后，专业技术人员不足等问题，推进研发成果产品化、工程化和产业化，形成能源材料专门人才培养基地。目前主要开展多晶硅、多晶薄膜、太阳能光热转换储运器材料、电极材料、负极材料、电热转换陶瓷以及低载能工业硅、单/多晶碳化硅和金属镁材料等新能源新材料方面的研究和开发已初具规模，在师资、实验室建设等方面都积累了一定的基础。

与传统的材料专业相比，新能源材料专业教学内容更为抽象，新能源材料与器件专业与以往的工程类材料专业相比，更强调与材料科学相关的物理、化学基础，学生将接受更为严格和坚实的基础理论教育和实验技能训练[2，3]。其中实验部分主要由基础实验、专业基础实验、专业实验和科学训练、创新实验等多部分组成，从而培养学生的实验设计、实验操作、实验结果分析等综合实验能力。其中基础实验主要包括大学物理实验、基础化学实验等，让学生通过接触多学科、综合性的知识和技能，理解基础理论知识，掌握基本的实验操作技能，这部分实验在传统的实验室即可完成。而对于新能源材料的专业性实验则需通过不同的方式呈现给学生，由于其专业的新颖性及特殊性，很多新材料的制备及表征过程无法完全由学生自己动手完成，实验设备的局限性限制了学生对新能源材料的进一步深入探究。计算机和多媒体技术的广泛应用，在这一方面将会迅速、高效地根据学生需求提供所需信息，提高教学效率和教学质量。互联网实验室可以完全满足新能源专业的教学需求，完成新材料制备研究、材料性能测定、材料应用分析等的实验系列，帮助学生理解常用的新能源材料制备方法、性能表征测试方法的原理，熟悉常用的实验仪器及其使用方法，为后续相关实验以及科学研究打好基础。同时在每个网络实验室均配套相关专业的实验手册，以供教学参考。作为教材使用的实验手册包括：教学目的、真实实验环境描述、实验设备、实验设备间相连的网络拓扑、操作步骤、实验结果及验证等内容。

以储能材料与器件及性能综合实验为例，主要包含了包括锂离子电池正极材料制备、结构与性能表征，电极制备与表征[4]，电池组装过程与工艺及电化学性能和安全性测试等过程。学生在实验过程中主要学习锂离子电池系列相关的正、负材料的合成、器件组装以及器件的整体存储性能测试，目的是让学生掌握目前广泛研究和应用的高性能化学电源（如锂离子电池）的工作原理、制备及测量方法。在实验课程设置时，必须考虑学生的实际操作问题，让其针对实验内容的某一部分设计自己的方案，并在实验平台上进行验证。但目前实验室无法满足学生对整个过程的直接了解，通过互联网实验室可以实现虚拟流程、虚拟工艺、虚拟生产等数字化教学资源，为数字化课堂建设提供翔实的资源保障。可以将锂离子电池的生产过程、工作流程等信息实时传送到课堂，培养学生的创新精神，拓宽学生的学习空间，激发学生发散性思维。

实验前先让学生查阅相关文献，了解锂离子电池的电化学工作机理，在基础实验部分让学生自主设计、制备不同电极的材料、完成电解液的选择过程。后续的电池的组装及性能检测过程可通过网络实验室完成，让学生对锂离子电池的构造有了感性的认识，对其主要的性能指标参数有更深的理解，更可以通过互联网实验室实现学生对锂离子电池生产工艺流程的直观学习，培养培养学生的综合职业能力，推动新能源材料的后续发展。

四、结语

作为新型战略性产业，新能源材料专业在未来的很长的时间内必会有广阔的发展前景，专业人才的培养，教学质量的全面提高将会是高等院校发展的重点和热点。同时通过互联网的加入让学生了解新能源材料的最新生产工艺，及时地跟进最新的生产技术，加强学生工程实践能力和专业实验技能训练，促进学生的职业成长，为解决国内高校开设新能源材料专业实验课暂无经验借鉴的现状，提出一种可参考的实验教学模式。

参考文献：

[1]Zhang G.Q，Zheng J.P，Liang R，et al. J Electrochem Soc. J，2010，157（8）：A953-A956.

[2]刘德波，张保丰.材料成型及控制工程专业实践教学体系研究[J].实验科学与技术，2011，9（2）：131-132.

[3]王子贤，马国富.基于应用型人才培养的创新实践教学体系研究[J].科技信息，2009，（34）：116-117.

[4]吴辉煌.应用电化学基础[M].厦门大学出版社，2006：337-340.