成果导向教育（OBE）理论在《光伏发电技术》实验教学中的实践探索

陈莹

摘要：为了培养符合社会经济需求的光伏人才，需要对电气工程中新能源方向的重要专业课程《光伏发电技术》进行改革，尤其是《光伏发电技术》实验课程部分。成果导向教育（简称OBE）是一种先进的教育理论，文章对《光伏发电技术》实验课程进行了基于OBE理论的改革探索，首先明确了实验课程教学的预期目标成果，然后按照成果目标制订教学计划，通过对钙钛矿太阳能电池系统实验的设计、制备、结果分析讨论和考核等环节，调动学生的主观能动性，培养学生的分析实践能力、创新能力和团队合作能力，鼓励和帮助学生实现目标成果。

关键词：成果导向教育;实验教学;《光伏发电技术》

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0200-02

一、引言

随着人类社会发展和进步，化石能源日益枯竭。新能源、绿色能源的开发和高效利用成为人类迫在眉睫的新课题。太阳能作为一种分布广、可持续、环境友好能源得到了人们的青睐。目前，我国乃至世界新能源产业发展迅猛，对专业技术应用型人才的需求日益增大[1]。传统的《光伏发电技术》实验课程已经无法紧跟光伏相关产业发展动态，难以培养出符合社会经济发展的光伏人才。因此，我系对《光伏发电技术》实验教学课程进行了基于成果导向教育（OBE）理论的改革探索，本文主要从实验教学目标和教学设计两个方面对改革的思路和实践过程展开讨论。

二、实验教学的预期目标成果

成果导向教育（Outcome based education，简称OBE）又称“产出导向教育”或“目标导向教育”，是一种以学生为中心，以成果为导向而设计的教育模式。其基本思想起源于西方教育鼻祖苏格拉底倡导的“精神助产术”式教学和中国教育先师孔子提倡的启发式教学[2]，他们认为教育的最终目标是“授人以鱼不如授人以渔”，教学是一个双向互动的过程，教师的主导作用固然重要，学生的主观能动性却是关键所在。

传统的《光伏发电技术》实验课程是根据教材进行组织和考核的，内容陈旧，理论性强。即使是实验课，也多是教师讲或者做，学生跟着教师做，学生被动跟从，目标含糊，过程乏味。而且实验平台缺乏，大多数学生没有条件亲手做实验，实践和分析能力都无法得到锻炼。成果导向教育（OBE）理论是以成果为导向设计教育环节的，只有目标明确，让学生知其然且知其所以然，才能充分调动学生的主观能动性，积极地参与学习，学得新知识和新技能。因此，我系在制订实验教学大纲时，经过反复研究讨论，确定了以下的《光伏发电技术》实验课程的成果目标。

1.夯实理论基础。在开始《光伏发电技术》实验课程之前，已经开设了《光伏发电技术》理论课程，对主要的光伏发电技术及其工作原理进行了系统的讲解学习。本实验课程的目的主要是对其中钙钛矿太阳能电池部分的实践，可以让学生加深对理论知识的理解，培养学生将理论与实践相结合的能力，提高学习效果。

2.提升实践能力。《光伏发电技术》实验课程中，从FTO玻璃的预处理、电子传输层、钙钛矿层、空穴层和电极层的制备，到太阳能电池性能测试，都需要学生动手参与，需要小组成员之间的鼎力合作。在这个过程中，学生的动手能力、团队合作能力、创新实践能力都能得到锻炼和提升。在实验结果的分析环节，学生需要通过自主分析、小组讨论、综合评估等方式，探讨实验中可能出现的问题，从而解决问题，学生在理论知识得到巩固的同时，分析解决问题能力也得到了锻炼。

3.提高学习兴趣。学生通过自主设计实验计划，完成实验，主观能动性明显提高，通过自我评价、小组互评、组间互评和教师点评等多种考核方式，自我定位明确，通过自主思考、团队合作和教师鼓励帮助，顺利完成预期成果目标，自信心变强，轻松将理论知识和实践相结合，开启“玩中学学中玩”的“乐学”模式。

三、实验教学的设计

《光伏发电技术》作为电气工程之新能源方向的重要专业课程，主要讲述光伏发电技术的基本原理及应用。作为一门专业实践性很强的课程，实验环节尤为重要。太阳能电池种类繁多，经过几十年已经发展到第三代，第一代太阳能电池是以单晶硅和多晶硅为主的硅基太阳能电池，且已经实现商业化。其中利用效率最高、技术最成熟、产业化最好的是单晶硅太阳能电池，效率可到达25%。但是，硅基太阳能电池对硅的纯度要求非常高，成本过高且转化效率趋近极限;第二代太阳能电池是以硫化镉、碲化镉、铜铟硒等为代表的半导体薄膜太阳能电池，其中砷化镓（GaAs）电池的能量转化效率可以达到28%，但是存在其成本昂贵等缺点，且镉等材料具有毒性、存储量少等缺点，导致半导体薄膜太阳能电池难以普及[3，4];第三代太阳能电池包括染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和量子点太阳能电池等，其中钙钛矿太阳能电池自从2009年被提出以來得到科研人员的广泛关注，短短几年时间，其能量转化效率从3.8%提升至超过22%，被《Science》评为2013年十大科学突破之一[5，6]。考虑到目前的研究热点、师资特点、实验室条件等方面的因素，本课程选择钙钛矿太阳能电池为载体开展实验教学过程。

1.教学内容设计。一般情况下钙钛矿太阳能电池结构为平面层状结构，从下往上依次是：玻璃衬底（FTO玻璃）、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和电极层。其工作原理大致如下：光线透过透明导电玻璃，照射到钙钛矿吸收层。能量大于钙钛矿禁带宽度的光子被吸收，激发产生电子和导电空穴。载流子由钙钛矿层分离，电子经过电子传输层到达FTO，导电空穴经空穴传输层达到金属电极，再经过外电路构成回路。

目前电子传输层最常用的材料为TiO2，而且TiO2电子传输层的物相和形貌与最终电池性能息息相关。本实验内容主要是首先带领学生了解钙钛矿太阳能电池制备过程，然后要求学生以小组为单位，每组设计3种或以上不同的TiO2电子传输层制备参数，并按照参数合成不同的电子传输层，通过XRD和SEM检测，分别对其进行物相和形貌的鉴别观察，最后制备基于不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池，并对太阳能电池的主要性能参数进行测试和分析，包括开路电压、短路电流、填充因子、能量转换效率等，总结分析出TiO2电子传输层的物相、形貌与钙钛矿太阳能电池性能之间的内在联系，优化TiO2电子传输层制备参数。另外，学生还可以进行太阳能电池方阵的容量设计和结构设计，将制备的单个钙钛矿太阳能电池通过串联或者并联的形式，组装成目标太阳能电池方阵，用于驱动小功率电器工作，如LED灯泡、太阳能小车等，实现小型应用。

2.實验考核方式。学生以小组的形式完成实验，一般4—5人为一组。按照OBE理论设置预期成果目标，根据目标进行考核。主要考核学生基础知识理论和基本技能、创新意识、团队合作能力和自主学习的意识。考核形式多样，分为自评、小组内互评、组间互评和教师点评、成果展示和最终答辩等。考核内容主要包括：实验方案设计和实施、实验结果与分析、创新点总结、成果展示和最终答辩。

四、总结

在OBE理论中，学生可以清晰地预见学习成果，明确需要掌握哪些知识点和技能，教师的教学和考核方式可以灵活多变。为了培养符合社会经济需求的光伏类新兴人才，本文以钙钛矿太阳能电池制备实验为模板，探索了成果导向教育理论（OBE）在《光伏发电技术》实验课教学中的应用，可以为类似课程改革提供借鉴，为培养光伏人才提供新思路。

参考文献：

[1]徐燕，刘永生.《太阳能发电技术》课程思政的探索与实践[J].教育教学论坛，2019，（19）：161-162.

[2]杨璐.苏格拉底“产婆术”与孔子启发式渊源和内涵的比较及其启示[J].语文学刊，2012，（18）：110-112.

[3]杜以博，林琳，何丹农.钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的研究进展[J].材料导报，2017，31（z2）：1-7.

[4]张婧，何有军，闵杰.钙钛矿太阳能电池中小分子空穴传输材料的研究进展[J].物理化学学报，2018，34（11）：1221-1238.

[5]Kojima，Akihiro，Teshima，Kenjiro，Shirai，et al.Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J].the American Chemical Society，2009.

[6]Kim H S，Lee J W，Yantara N，et al.High efficiency solid-state sensitized solar cell-based on submicrometer rutile TiO2 nanorod and CH3NH3PbI3 perovskite sensitizer.Nano Letters，2013.

Practical Exploration of Outcome Based Education （OBE） Concept in "Photovoltaic Technology" Experimental Teaching

CHEN Ying

（School of Electrical and Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068，China）

Abstract：According to the needs of the social and economic，it is necessary to reform the "Photovoltaic Technology"，which is an important professional course in the new energy direction of electrical engineering，especially the experimental courses of "Photovoltaic Technology".Outcome Based Education （OBE） is a kind of advanced education concept.In this paper，we reformed the photovoltaic technology experiment courses based on Outcome Based Education （OBE） concept to cultivate photovoltaic talents.Firstly，we defined an expected achievement goal of the experimental course.Secondly，we made the teaching plan according to the achievement goal.We try to mobilize students' subjective initiative，raise students' analysis and practice ability，innovation ability and the team cooperation ability through the perovskite solar cell system experiment design，preparation，results analysis，discussion and examination.

Key words：Outcome Based Education;experiment teaching;"Photovoltaic Technology"