蔣玉榮，邊長(zhǎng)賢，黃 靜，胡曉鋒，秦瑞平

（1.河南師范大學(xué)，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南省光伏材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453007；3.河南省新鄉(xiāng)市第五職業(yè)中專，河南 新鄉(xiāng) 453007）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和教育的發(fā)展，高度重視并深化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家、服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。面對(duì)社會(huì)的需要，建立新形勢(shì)下的課程體系，構(gòu)建一種有助于學(xué)生積極主動(dòng)參與并善于探索的教學(xué)模式，是擔(dān)負(fù)人才培養(yǎng)重任的高等學(xué)校不可回避的責(zé)任[1]。物理實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、研究意識(shí)、創(chuàng)新思維與科研素質(zhì)方面具有重要的作用。目前物理實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置有基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)等[2－4]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)和其他自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是高等院校理工科最基本的實(shí)驗(yàn)課程，是學(xué)生在高校接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，它反映了理科、工科、醫(yī)學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)的共性和普遍性的問題，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)如創(chuàng)新能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維以及理論聯(lián)系實(shí)際方面有著重要的作用，所以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的重要性日益凸顯。許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多問題。

隨著全國(guó)各大高校的建設(shè)和發(fā)展，科學(xué)研究成為了高校的一個(gè)重要的社會(huì)職能，并且高校的科研條件越來越好，建設(shè)了一些重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、開放性實(shí)驗(yàn)室、科研課題組等平臺(tái)，購(gòu)置了很多大型實(shí)驗(yàn)儀器和配套設(shè)備。但對(duì)于一些大型的實(shí)驗(yàn)儀器大多數(shù)只是使用于科學(xué)研究或研究生培養(yǎng)方面，而在本科生教學(xué)上應(yīng)用較少，甚至和本科教學(xué)脫鉤，因此沒有充分發(fā)揮大型儀器潛在的價(jià)值。探索教學(xué)與科研創(chuàng)新相結(jié)合，一方面可以充分實(shí)現(xiàn)大型科研儀器設(shè)備潛在的價(jià)值，另一方面可以將科學(xué)研究工作中的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技術(shù)等與本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來，，這將是一個(gè)非常有意義的課題[5，6]。

本文分析了目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題，針對(duì)科研創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合方面進(jìn)行了一些探索與實(shí)踐分析，一些科研成果轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這無(wú)疑是一個(gè)非常有意義的課題。筆者在這方面進(jìn)行了一些探索與實(shí)踐，將近將高溫?cái)U(kuò)散爐、真空鍍膜系統(tǒng)、激光切割機(jī)及太陽(yáng)能電池綜合性能測(cè)試系統(tǒng)等大型科研儀器引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合具體的科研課題，如硅納米線太陽(yáng)能電池研究課題，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和基礎(chǔ)理論知識(shí)植入到不同專業(yè)、不同層次的本科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開設(shè)了一些研究型、設(shè)計(jì)型物理實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了教學(xué)科研互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和課題組，使之成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段能較早地開展帶有創(chuàng)新研究性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，更多地接觸科研創(chuàng)新工作，很大程度上提高了學(xué)生的工作實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維素養(yǎng)。

1 大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題

許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多問題，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有特色

由于經(jīng)費(fèi)及師資力量限制等原因，大學(xué)物理設(shè)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊，較少涉入新增項(xiàng)目和創(chuàng)新性項(xiàng)目，目前所開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例較高，設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)例過低，甚至有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相比在實(shí)踐創(chuàng)新上沒有體現(xiàn)深化和提高[7]；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本上都是按照使用多年的教學(xué)程序：學(xué)一預(yù)習(xí)、老師理論講解及演示、學(xué)生自己操作獲取數(shù)據(jù)、撰寫報(bào)告。這種程式化的教學(xué)過程在知識(shí)的傳授和接收上效果較好，但不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)；另外，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊老化，開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目普遍臺(tái)套數(shù)不夠，人才培養(yǎng)方案規(guī)定的部分選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于缺少儀器設(shè)備無(wú)法開出。針對(duì)以上情況，將科研中的大型儀器適當(dāng)引用到教學(xué)上將是一個(gè)很好的資源利用，并且將提高學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)激情，提高創(chuàng)新能力。

（2）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，不能給學(xué)生留充分的獨(dú)立思考時(shí)間

在有限的實(shí)驗(yàn)課課堂上，老師要對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行講解以及示范實(shí)驗(yàn)操作過程，留給學(xué)生自己真正動(dòng)手操作儀器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間很少，造成在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題沒有足夠的時(shí)間去獨(dú)立思考和分析解決問題，結(jié)果學(xué)生獨(dú)立思考、分析解決問題的能力得不到加強(qiáng)和提高，更談不上創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（3）學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)缺乏學(xué)習(xí)積極性

學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要性認(rèn)識(shí)不足，學(xué)習(xí)明顯缺乏積極性。這種情況一方面與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有關(guān)，另一方面也與目前社會(huì)大環(huán)境有關(guān)。由于目前大學(xué)生就業(yè)形勢(shì)嚴(yán)峻，學(xué)生從入學(xué)開始往往就會(huì)根據(jù)當(dāng)前就業(yè)形勢(shì)選擇熱點(diǎn)方向或科目學(xué)習(xí)。常規(guī)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)得不到學(xué)生的重視，甚至部分學(xué)生對(duì)此應(yīng)付了事，在實(shí)驗(yàn)課上草草完成規(guī)定數(shù)據(jù)或拼湊數(shù)據(jù)，甚至互相抄襲。因此如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性將是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要課題。

總之，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過分強(qiáng)調(diào)教師的中心地位，學(xué)生的主動(dòng)性、探索性受到一定限制，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對(duì)以上存在的問題，我們提出將科研創(chuàng)新引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合科研進(jìn)展不斷更新完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研創(chuàng)新相結(jié)合，使其更具有前瞻性和可持續(xù)發(fā)展性。構(gòu)建教學(xué)科研互動(dòng)基地，使其成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的新型教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生在本科基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段能較早地開展帶有課題研究性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，更多地接觸科研實(shí)踐，提高工作能力和科學(xué)素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研創(chuàng)新相結(jié)合的培養(yǎng)

（1）大型儀器相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

大型儀器是根據(jù)物理現(xiàn)象和物理特性將一些元器件組裝在一起具有特殊功能的設(shè)備，通過給學(xué)生講解大型儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，能夠使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用密切聯(lián)系起來，加深對(duì)理論理解和吸收。然后對(duì)學(xué)生培訓(xùn)大型儀器的操作使用方法和常規(guī)的維護(hù)維修知識(shí)技能等，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，解決實(shí)際問題的能力。本工作結(jié)合我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的高溫?cái)U(kuò)散爐、真空鍍膜系統(tǒng)、激光切割機(jī)及太陽(yáng)能電池性能綜合測(cè)試系統(tǒng)（見圖1）和太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)（見圖2）等大型儀器，對(duì)物理學(xué)上的光、熱、電、磁等現(xiàn)象在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行詳解和說明，并且和科學(xué)研究相結(jié)合進(jìn)行了一些探討和實(shí)踐。如太陽(yáng)能綜合測(cè)試系統(tǒng)中，其中包括：光電池室；信號(hào)采集系統(tǒng)；鎖相放大器；太陽(yáng)模擬器；單色光柵儀；伏安特性測(cè)試系統(tǒng)等。對(duì)于鎖相放大器，面向電子專業(yè)的學(xué)生，向?qū)W生介紹鎖器放大器的工作原理，讓學(xué)生了解鎖相放大器的基本構(gòu)成及使用范圍；對(duì)于單色儀，結(jié)合大學(xué)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的分光儀的調(diào)整及棱鏡折射率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生介紹該分光原理及使用方法，在該套系統(tǒng)中所起到作用。

圖1 太陽(yáng)能性能綜合測(cè)試系統(tǒng)

圖2 太陽(yáng)能光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)

（2）將一些科學(xué)研究課題與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

在對(duì)大型儀器的原理和基本結(jié)構(gòu)講解的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作儀器，并且結(jié)合具體的研究課題，讓學(xué)生做一些關(guān)于太陽(yáng)能樣品的制備、樣品性能的測(cè)試、數(shù)據(jù)的處理和分析實(shí)驗(yàn)工作。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)了學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣等。在本實(shí)驗(yàn)實(shí)施環(huán)節(jié)中，我們將關(guān)于太陽(yáng)能薄膜電池材料的研究課題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)系起來，涉及到的教學(xué)內(nèi)容包括：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和應(yīng)用；半導(dǎo)體物理與元器件的理論知識(shí)；太陽(yáng)能光譜知識(shí)的了解和學(xué)習(xí)；了解太陽(yáng)能的利用領(lǐng)域；太陽(yáng)能電池的分類、基本構(gòu)成和工作原理；太陽(yáng)電池的制備工藝介紹，介紹相關(guān)課題最新的研究?jī)?nèi)容與進(jìn)展等。在實(shí)驗(yàn)基本技能方面，我們讓學(xué)生了解并參與硅太陽(yáng)能電池的制備、銅銦鎵硒化合物半導(dǎo)體薄膜材料的制備，在整個(gè)過程中，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括硅片的標(biāo)準(zhǔn)清洗、高溫?fù)诫s、蒸鍍電極等工藝，性能測(cè)試及數(shù)據(jù)處理分析等，例如對(duì)于伏安特性測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的電路元件伏安特性研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，將具有光伏效應(yīng)的硅PN樣品在AM1.5個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度情況下的IV特性曲線如圖3所示，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，向?qū)W生講解光伏原理，開路電壓、短路電流的測(cè)試條件，串聯(lián)電阻及并聯(lián)電阻的測(cè)試和計(jì)算方法以及影響電池轉(zhuǎn)換效率的因素及解決辦法，讓學(xué)生帶著問題去思考和實(shí)驗(yàn)操作，相應(yīng)提高了學(xué)生動(dòng)手能力和積極性。

圖3 陽(yáng)能電池的IV曲線圖

（3）構(gòu)建教學(xué)科研互動(dòng)基地

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生參與一些科學(xué)研究課題與實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的管理與維護(hù)。對(duì)于部分對(duì)科學(xué)研究感興趣的學(xué)生，在老師的指導(dǎo)和學(xué)生自身做了比較充分調(diào)研的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生提出一些可行性研究課題，開展一些具有創(chuàng)新性的研究型實(shí)驗(yàn)。由于大型儀器較貴重，需專門培訓(xùn)上崗，讓本科生參與儀器的使用培訓(xùn)和管理中來。這樣一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的創(chuàng)新意識(shí)。目前我們所開展的一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)對(duì)象主要是物理學(xué)院大二以上的學(xué)生，這樣一方面是考慮到學(xué)生具備了較好的理論基礎(chǔ)，并且經(jīng)過基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，具有了一定的理論知識(shí)；另一方面引導(dǎo)大二以上的學(xué)生找到專業(yè)的定位，對(duì)于學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)和動(dòng)手能力的提高，對(duì)于將來的就業(yè)和擇業(yè)，具有很大的幫助。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研創(chuàng)新相結(jié)合的實(shí)踐，將科研內(nèi)容不斷充實(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立教學(xué)科研互動(dòng)基地，將目前實(shí)驗(yàn)室的研究生科研工作、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)等與各層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)銜接起來，讓更多的學(xué)生直接參與教師的科研工作實(shí)踐，使教學(xué)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容不斷獲得更新和提高。并以此為紐帶，將教學(xué)與科研互動(dòng)基地面向全校的本科生開放，作為一門選修課程，使學(xué)生在興趣的開發(fā)和能力的培養(yǎng)方面具有更大的選擇空間。

3 結(jié) 論

經(jīng)過前期的一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研創(chuàng)新相結(jié)合的教學(xué)效果，在以下幾方面取得了一些積極的效果：拓寬和延深了本科生的知識(shí)面，使學(xué)生將課堂上學(xué)到的理論知識(shí)與具體實(shí)踐很好的聯(lián)系起來；高度激發(fā)了本科生對(duì)科學(xué)研究的興趣，為大學(xué)生開展創(chuàng)新性研究實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)；使一些價(jià)格昂貴、性能先進(jìn)的大型科研儀器在本科生教學(xué)中充分發(fā)揮了作用；為學(xué)生提供更多的接受新事物、解決實(shí)際問題、動(dòng)手實(shí)踐和思考新問題的機(jī)會(huì)。因此，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研創(chuàng)新相結(jié)合是一個(gè)很好的課題。

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