徐祥福，方運良，朱偉玲，于 軍

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000))

以染料敏化電池為例探討研究型實驗創(chuàng)設(shè)

徐祥福，方運良，朱偉玲，于 軍

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000))

研究型實驗作為新的實驗形式，在創(chuàng)設(shè)上與傳統(tǒng)實驗有很大的區(qū)別。以染料敏化太陽能電池創(chuàng)設(shè)為例，探討研究型實驗的創(chuàng)設(shè)。研究型實驗要以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力及提高學(xué)生科研素質(zhì)為原則；內(nèi)容上要多樣化、有層次、可選擇性強(qiáng)；實驗技術(shù)手段上要滿足學(xué)生不同層次研究的需求；實驗結(jié)果上要具有可評價性，能夠激勵學(xué)生。

研究型實驗；染料敏化太陽能電池；實驗教學(xué)

傳統(tǒng)的物理實驗大多是驗證性實驗，僅有的部分設(shè)計性實驗也因為實驗條件、教師等原因，多是對成熟的物理過程、結(jié)果的重復(fù)展示[1]。自20世紀(jì)中葉科學(xué)實驗發(fā)展完善以來[2]，傳統(tǒng)實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知、實踐能力上起到重要作用，但隨著社會對人才需求由知識型向創(chuàng)新型人才的轉(zhuǎn)變[3]，在創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力的培養(yǎng)方面，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)很難發(fā)揮作用。《國家中長期人才規(guī)劃2010-2020》中提出，要“探索并推行創(chuàng)新型教育方式方法，突出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力”。為實現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，大學(xué)實驗教學(xué)在堅持培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的同時，也要創(chuàng)新實驗形式，以強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。

研究型實驗教學(xué)是指“教學(xué)過程中由教師創(chuàng)設(shè)一種類似科學(xué)研究的情境和途徑指導(dǎo)學(xué)生在獨立的主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，吸收并應(yīng)用知識分析并解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的一種教學(xué)模式”[4]。它是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力的新實驗形式。在研究型實驗教學(xué)過程中，除了傳統(tǒng)實驗具備的選題、資料調(diào)查、論文書寫等內(nèi)容之外，還包括研究方法、實驗技術(shù)、實驗設(shè)計、儀器采購加工、結(jié)果分析總結(jié)等方面[5]，這些都是傳統(tǒng)驗證性實驗教學(xué)所不具備的。研究型實驗的創(chuàng)設(shè)也必須以培養(yǎng)這些能力為目標(biāo)。

同時，研究型實驗的特色在于不確定性，包括實驗方法、手段甚至內(nèi)容都不是事先確定的。也就是說，教師在創(chuàng)設(shè)研究型實驗時，不能遵循傳統(tǒng)教學(xué)方式，事先確定物理過程、實驗步驟，而是要整體布局，盡量給學(xué)生空間去發(fā)揮他們的積極性?？偨Y(jié)來說，創(chuàng)設(shè)研究型實驗的原則是：在提高學(xué)生研究能力的同時，基于現(xiàn)有條件，使內(nèi)容上有選擇，技術(shù)上有層次，操作上可布局，教學(xué)上可評價[5]。

自Gratzel 1991年發(fā)表染料電池突破性進(jìn)展以來[6]，染料電池一直是研究熱點，目前，在光陽極、對電極、敏化染料、電解質(zhì)方面都有深入的研究內(nèi)容[7]。同時，染料敏化電池的特點是低成本、操作簡單，將其作為本科生研究型實驗的對象，可以進(jìn)行以最簡單的制作到單方向的深入研究，滿足不同層次、階段的實驗、實踐、研究訓(xùn)練。同時，染料敏化電池涉及物理、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域，知識范圍較廣，涉及的研究方法、檢測技術(shù)多種多樣，適合于對學(xué)生科學(xué)研究能力、綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

1 基礎(chǔ)研究能力、工程實踐能力的培養(yǎng)

目前，國外的一些實驗是以Project形式開展的，教師的大多數(shù)科研項目也是以工程形式組織進(jìn)行的。讓學(xué)生了解項目的組織運作，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、科學(xué)研究能力的一部分?，F(xiàn)在高等教育提出“大工程觀”教學(xué)理念，亦即如此。與傳統(tǒng)工程教育區(qū)別，“大工程觀”的“大”體現(xiàn)在科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、工程實踐等因素里面，而且具有多學(xué)科整合特性[8]。這也是項目的特性，需要讓學(xué)生體會到這些。

染料敏化電池制作有各種成熟的方案，有的簡單，有的復(fù)雜，但對于沒有經(jīng)過訓(xùn)練的學(xué)生來說，染料敏化電池制作過程是很好的工程實踐案例。因為它包含了完整的項目要素：原采料的選擇，產(chǎn)品技術(shù)工藝過程，成本控制，項目的組織，產(chǎn)品的產(chǎn)生和質(zhì)量檢驗。它可以提高學(xué)生的動手能力，更重要的是在這過程中，學(xué)生了解了項目是怎么樣組織進(jìn)行的。

染料敏化電池制作過程中，材料購買、儀器選用、技術(shù)方案選擇等非技術(shù)因素是必不可少的過程，也是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要組成部分。如染料敏化電池究竟是選用FTO玻璃還是ITO玻璃，具體參數(shù)性能怎么樣，采購時必須進(jìn)行權(quán)衡。如有學(xué)生選擇了光滑的ITO玻璃，但在還原電極時采用鉛筆涂敷，就會遇到怎么涂也涂不上去的尷尬。經(jīng)歷如此過程后，學(xué)生自然會明白工程實踐中設(shè)計與評審的重要性。

染料敏化電池涉及多個學(xué)科：既有物理的，如光電池特性、電池應(yīng)用、納米晶TiO2等；還有化學(xué)的，如天然染料的提取、敏化等技術(shù)。整個過程使學(xué)生體會到了不論是科學(xué)研究還是工程實踐，學(xué)科整合的重要，增強(qiáng)了他們“終生學(xué)習(xí)”的能力。

2 研究方法、研究技術(shù)手段的培養(yǎng)

科學(xué)認(rèn)知與科學(xué)研究方法是分不開的，同時研究方法的選擇依賴于現(xiàn)有的硬件條件、人員情況?？梢哉f研究方法就是采用某種方法組織相關(guān)研究手段達(dá)到認(rèn)知目的。培養(yǎng)學(xué)生研究方法的運用、研究手段技術(shù)的使用也是提高學(xué)生科學(xué)研究能力的重要內(nèi)容。

在染料敏化太陽能電池中，硬件條件包括X射線衍射儀、掃描電鏡、分光光度計、數(shù)字源表、馬弗爐、勻膠機(jī)、電池I-V特性測試儀等，這些都是現(xiàn)代實驗室材料制備與表征通用的儀器。研究型實驗的創(chuàng)設(shè)，可以將這些條件提供給學(xué)生，讓學(xué)生自由選擇組合，達(dá)到其研究目的，甚至可以讓學(xué)生比較不同設(shè)備表征的差異。

另一方面，在染料敏化太陽能電池制備過程中，會涉及許多常用的實驗技術(shù)，如葉綠素的提取與保存、勻膠鍍膜、噴涂法鍍膜、材料的退火、半導(dǎo)體器件I-V特性測試、光譜響應(yīng)測試等。同樣，學(xué)生可以在充分了解這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄩ_展研究。例如，一學(xué)生對納米顆粒光陽極進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使用數(shù)字源表，利用掃描電壓編程，采用50 W LED白光(取樣20點)進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖1所示。圖2為一學(xué)生采用分光光度計進(jìn)行的存放時間對光吸收的影響的研究對比結(jié)果。

圖1 學(xué)生使用50 W白光LED、電子負(fù)載測不同電池的I-V曲線

雖然從嚴(yán)格的學(xué)術(shù)意義上來說，這些結(jié)果并不理想，但對于學(xué)生來說，過程的重要性大于結(jié)果。為了實現(xiàn)研究項目的目標(biāo)，利用現(xiàn)有的技術(shù)條件，進(jìn)行制備與表征手段、技術(shù)的選擇，進(jìn)行過程的設(shè)計與控制，使學(xué)生認(rèn)識并掌握這些科學(xué)研究的基本要素及方法，提高了其科學(xué)研究素養(yǎng)與能力。

圖2 學(xué)生使用紫外分光光度計測量的敏化劑光吸收譜

3 實驗結(jié)果分析能力的培養(yǎng)

與傳統(tǒng)的實驗相比，研究型實驗的特色在于實驗結(jié)果的分析。傳統(tǒng)的實驗是按既定的實驗過程測量數(shù)據(jù)，根據(jù)理論公式得出結(jié)果。這些結(jié)果是在物理過程被嚴(yán)格控制基礎(chǔ)上得來的，排除了其他因素的干擾，所以結(jié)果很難出現(xiàn)其他可能性。傳統(tǒng)實驗多是進(jìn)行煩瑣的不確定度計算分析，造成學(xué)生的抵觸情緒，偏離了實驗教學(xué)的目的。而研究型實驗由于過程的不確定性，結(jié)果受眾多因素的影響，如何對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，如何排除干擾因素影響等，對本科生具有很大的挑戰(zhàn)性，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及科研能力。

如圖1所示的例子中，這名學(xué)生對比實驗結(jié)果的同時，進(jìn)而分析到電池效率不好的原因：“碳電極的附著力不好，容易剝落，導(dǎo)致在電解質(zhì)與碳的接觸面上暗電流的產(chǎn)生會比較大，而且在ITO玻璃上的電子也不容易回到碳電極上。同時，燒結(jié)時溫度不均勻，導(dǎo)致容易破片，而且溫度控制很難，導(dǎo)致TiO2表面的結(jié)晶程度不高，對太陽光的吸收也減少?！?可以看出，學(xué)生在實驗中，注意到了很多細(xì)節(jié)之處，并且將理論與實驗相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測分析。這對于學(xué)生的創(chuàng)新思維、科研能力的培養(yǎng)都有重要的作用。

在染料敏化電池研究型實驗中，還有很多類似例子，如有的學(xué)生注意到TiO2薄膜吸收光譜中，長波方向出現(xiàn)振蕩，為解釋原因，設(shè)計了后續(xù)的相關(guān)實驗進(jìn)行驗證；還有的學(xué)生注意到在使用分光光度計時，TiO2薄膜散射光的測量影響問題等。通過這些實踐案例發(fā)現(xiàn)，研究型實驗不但增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新和科研思維及能力，對學(xué)生的韌性、專一、團(tuán)隊精神等品質(zhì)的培養(yǎng)也有作用。

4 科學(xué)論文撰寫等科研素質(zhì)培養(yǎng)

由于研究型實驗對學(xué)生束縛較少，留給學(xué)生較大空間去發(fā)揮潛能，所以學(xué)生積極性較高。在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)就比較容易，包括文獻(xiàn)檢索方法、科技論文書寫格式要求、寫作時縝密的思維、常用數(shù)據(jù)處理工具等。

如文獻(xiàn)檢索方法上，為了弄清楚前人的研究方法、成果，以及自己的設(shè)計基礎(chǔ)，學(xué)生有較高的積極性。如有名學(xué)生欲在光陽極薄膜中增加光散射中心以增強(qiáng)光吸收方面作研究，但在如何測量增加的光散射強(qiáng)度時遇到了困難，而中文文獻(xiàn)中沒有這方面的知識，當(dāng)時指導(dǎo)老師僅簡單介紹了外文數(shù)據(jù)庫種類、檢索途徑等。學(xué)生主動報名參加圖書館的數(shù)據(jù)庫講座，學(xué)習(xí)檢索方法，最終找到相關(guān)資料，改進(jìn)光度計，使問題得以解決。這種情況在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中幾乎是不可能出現(xiàn)的。

另外，對于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理工具的使用，學(xué)生也表現(xiàn)出很高的積極性。如圖1、圖2為學(xué)生使用Origin繪制的圖，盡管在標(biāo)注、符號大小等方面還有欠缺，但學(xué)生能夠主動接受這種方式，并且樂于使用。

在教學(xué)實踐中，研究型實驗的評價標(biāo)準(zhǔn)除了考慮學(xué)生的出勤率、選題的難度等之外，最重要的依據(jù)便是科學(xué)論文形式的實驗報告。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，學(xué)生反映最差的體驗就是寫實驗報告，學(xué)生總結(jié)做實驗，就是“老師講一小時，學(xué)生做五分鐘，花一周時間寫報告”。而且傳統(tǒng)的實驗有教材或指導(dǎo)書，學(xué)生書寫實驗報告時很多就是照抄教材或指導(dǎo)書的實驗方法、原理，造成學(xué)生的消極態(tài)度。而在研究型實驗教學(xué)中，學(xué)生在研究中做出了自己的成果，很希望得到認(rèn)可，所以對于實驗報告，無論是在格式上還是在論文縝密性上都會認(rèn)真去完成。

5 結(jié)束語

通過染料敏化太陽能電池研究型實驗的教學(xué)實踐證明，研究型實驗在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力及科研素質(zhì)方面，比傳統(tǒng)實驗教學(xué)更有優(yōu)勢，更能激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的主動性和積極性。另一方面，研究型實驗對于指導(dǎo)教師的前期準(zhǔn)備工作要求更多：指導(dǎo)教師要確保實驗內(nèi)容上要使學(xué)生有選擇，可以有足夠的空間讓學(xué)生發(fā)揮；技術(shù)上要布局，使技術(shù)有層次，滿足不同學(xué)生需求；更重要的是要有可評價性。

由于研究型實驗的不確定性，指導(dǎo)教師在實驗中不能放任學(xué)生不管。有些學(xué)生中途可能會遇到大的問題導(dǎo)致實驗無法進(jìn)行下去，導(dǎo)致學(xué)生比較沮喪。這時指導(dǎo)教師應(yīng)及時進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，在心理和技術(shù)層面上，指導(dǎo)學(xué)生克服困難完成任務(wù)。

[1]張小崗，秦玉軍．研究性實驗教學(xué)項目創(chuàng)設(shè)及實踐[J]．實驗室科學(xué)，2011，14(1)：37-39．

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[3]程勇．高等院校研究性實驗教學(xué)模式探析[J]．實驗室研究與探索，2009，28(2)：103-106.

[4]劉偉忠．研究型教學(xué)中的難點與實施重點[J]．中國高等教育，2006(24)：36-37．

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Study on the Design of the Research-oriented Experiments Based on the Dye Sensitized Solar Cell Experiment

XU Xiangfu, FANG Yunliang, ZHU Weiling,YU Jun

(School of Science, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Research-oriented experiments as the new form of experimentteaching, has the difference with the traditional experiment in the teaching design. Based on the dye sensitized solar cell experiment, the design of research-oriented experiment should take the cultivating students’ practical ability, innovation ability, innovative thinking, research ability and scientific research quality as principle, to achieve that, should make the teaching content diversity, students have enough content to choose. It also should be prearranged in the experiment technology to meet the students’ needs. The experiment results should be evaluated to motivate the students.

research-oriented experiments; dye-sensitized solar cells; experiment teaching

2014-08-26

茂名市工農(nóng)業(yè)科技計劃項目(201340)；廣東石油化工學(xué)院實驗課題研究項目(201103)；廣東石油化工學(xué)院教育發(fā)展科學(xué)研究項目(20114)。

徐祥福(1981-)，男，碩士，講師，主要從事光電材料及器件方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.003