陳曉明

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119）

1 引言

目前，本科生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)倍受關(guān)注.《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中明確指出要“深化教學(xué)內(nèi)容改革，建立與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的課程體系”及“及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，將新知識(shí)、新理論和新技術(shù)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，為學(xué)生提供符合時(shí)代需要的課程體系和教學(xué)內(nèi)容”［1］.其中增加帶有探索性質(zhì)的科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容［2］.目前，國內(nèi)各高校都在不斷地深化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，積極探討該課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面的轉(zhuǎn)型［3～4］.但是由于受選題、管理模式及其儀器設(shè)備等方面的限制，許多院校科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)和實(shí)施過程尚存在問題［5］.在這種情況下，充分利用教師的科研資源，將科研中所創(chuàng)造或獲得的新知識(shí)、新技術(shù)、新成果及時(shí)補(bǔ)充到教學(xué)內(nèi)容中，建立教學(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)模式，不失為提高教學(xué)質(zhì)量的捷徑.近年來，陜西師范大學(xué)出臺(tái)多項(xiàng)政策支持和鼓勵(lì)本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室，諸如教務(wù)處資助的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)生處資助的大學(xué)生勤助科研創(chuàng)新基金、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理處資助的大學(xué)生實(shí)驗(yàn)室開放基金等.在學(xué)校政策的支持下，物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院充分利用科研實(shí)驗(yàn)室的資源，圍繞教師的科研項(xiàng)目，在大學(xué)物理開放實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中不斷地探索與實(shí)踐，取得了一定成效.本文以固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、性能表征實(shí)驗(yàn)為例，探討科研與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式在開放性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.

2 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實(shí)驗(yàn)的選題

與驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)為主的大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不同，開放性物理實(shí)驗(yàn)課程中的科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的選題帶有探索性和綜合性.由于授課對(duì)象為物理學(xué)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生，他們已經(jīng)儲(chǔ)備了較豐富的專業(yè)知識(shí)，但是缺乏對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用及整合能力.因此，科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的選題要體現(xiàn)出物理學(xué)科的綜合性和探索性，甚至可以是代表專業(yè)實(shí)驗(yàn)室水平的最新的科研成果.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備較齊全，依托該實(shí)驗(yàn)室為本科生開展科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了必備的實(shí)驗(yàn)條件.固相法制備壓電陶瓷材料及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)，涉及到新知識(shí)、新材料和新技術(shù)等物理學(xué)科非常前沿的東西，要綜合運(yùn)用固體物理、電磁學(xué)、電介質(zhì)物理等多學(xué)科的理論知識(shí).因此，該類實(shí)驗(yàn)非常適合作為科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的選題.該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及知識(shí)面較廣、能夠體現(xiàn)該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)、且注重物理理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，是開放性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中較為理想的選題項(xiàng)目.

固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段，第一階段為壓電陶瓷的制備；第二階段為壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征.目標(biāo)試樣的選擇可結(jié)合相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿問題進(jìn)行確定，諸如鈦酸鉍鈉基、鈮酸鉀鈉基環(huán)境友好型的無鉛壓電陶瓷等都可以作為目標(biāo)試樣.壓電陶瓷的制備過程，涉及配料、球磨、煅燒、造粒、壓片、燒結(jié)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟；壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征過程，涉及晶體結(jié)構(gòu)分析、顯微結(jié)構(gòu)分析、介電性能分析、鐵電性能分析、壓電性能分析、電導(dǎo)性能分析等多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié).這些實(shí)驗(yàn)步驟即相互聯(lián)系又相互獨(dú)立，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)單元.此外，在陶瓷材料的結(jié)構(gòu)表征階段，會(huì)涉及到多種分析軟件，諸如用 Origin，Excel，Photoshop等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理；用X射線分析軟件（如Jade）分析晶體結(jié)構(gòu)等，這些都可以納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以更大程度地拓寬本科生的知識(shí)面、積累本科生的科研素質(zhì)，從而有效地提高本科生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.

3 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般是學(xué)生預(yù)習(xí)、教師講解、學(xué)生在固定的時(shí)間按照教材的內(nèi)容照做實(shí)驗(yàn).但是，在科研與教學(xué)相結(jié)合模式下，科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、完成實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)、涉及實(shí)驗(yàn)儀器多、知識(shí)面廣等特點(diǎn)，所以教學(xué)模式更加靈活和開放.固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)可采用開放式研究型教學(xué)模式.

首先，教師組織學(xué)生熟悉和了解實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生根據(jù)自己的興趣選取實(shí)驗(yàn)單元和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過閱讀實(shí)驗(yàn)儀器說明書和相關(guān)背景資料，熟悉自己所選取的實(shí)驗(yàn)單元對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器的原理和使用方法；然后，通過檢索和查閱文獻(xiàn)，了解實(shí)驗(yàn)儀器在科學(xué)研究中可以開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；最后，在教師的指導(dǎo)下制定實(shí)驗(yàn)方案，確定具體的實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn).固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)中涉及到很多儀器，諸如高精度電子天平、球磨機(jī)、壓片機(jī)、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、噴金儀、高阻儀、阻抗分析儀、壓電常數(shù)測(cè)試裝置、電極化裝置、鐵電分析儀等；與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)單元也頗多.因此，學(xué)生總能找到自己感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.這種新的教學(xué)模式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，教師和學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，學(xué)生從接受知識(shí)變?yōu)樘剿髦R(shí)，由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，成為實(shí)驗(yàn)的主人和教學(xué)的主體.

在此以制備陶瓷試樣最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟——排膠和燒結(jié)實(shí)驗(yàn)單元為例，具體說明開放性研究型教學(xué)模式的實(shí)施.學(xué)生首先了解該實(shí)驗(yàn)單元要用到的實(shí)驗(yàn)儀器——高溫?zé)Y(jié)爐，通過閱讀儀器說明書了解高溫?zé)Y(jié)爐的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用.接下來，通過查閱和檢索相關(guān)文獻(xiàn)，了解高溫?zé)Y(jié)在材料制備過程中的作用和目的.這些步驟都由學(xué)生自主完成.壓電陶瓷材料與我們的生活息息相關(guān)，學(xué)生在日常生活中會(huì)經(jīng)常用到壓電陶瓷材料，諸如加濕器、打火機(jī)、煤氣灶、手機(jī)、汽車的安全氣囊等等都會(huì)用到壓電陶瓷材料，所以大家對(duì)其制作過程非常感興趣.通過文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生了解到排膠和燒結(jié)實(shí)驗(yàn)步驟的目的就是使壓片所得生坯變?yōu)橹旅艿奶沾?，且所得陶瓷試樣的顯微結(jié)構(gòu)與燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、升降溫速率、燒結(jié)氣氛等工藝參量有著密不可分的關(guān)系.接下來，學(xué)生再制定實(shí)驗(yàn)方案，摸索燒結(jié)的工藝參數(shù)，最后制備得到致密的陶瓷試樣.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，因?yàn)榭蒲袑?shí)驗(yàn)室全天開放，學(xué)生可以自主決定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，如果實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)什么問題，可以重新查閱文獻(xiàn)，并與指導(dǎo)教師進(jìn)行探討.因?yàn)橹笇?dǎo)教師具備很好的科研背景和科研經(jīng)驗(yàn)，對(duì)科學(xué)現(xiàn)象具備敏銳的觀察力，能夠及時(shí)捕捉異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以能完全勝任指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.該實(shí)驗(yàn)單元中，不僅要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，而且要結(jié)合后期的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)，弄清楚燒結(jié)參數(shù)對(duì)陶瓷電學(xué)性能的影響規(guī)律.選擇不同實(shí)驗(yàn)單元的學(xué)生之間，也可以展開交流討論.該開放性研究型教學(xué)模式，不僅使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)決定性能、性能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的客觀規(guī)律；在教學(xué)過程中不僅培養(yǎng)了學(xué)生思考和分析問題的能力，使學(xué)生從學(xué)會(huì)知識(shí)變?yōu)閷W(xué)會(huì)學(xué)習(xí)；而且培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí).

這種教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的運(yùn)行，學(xué)生普遍反映良好，且成就感很強(qiáng)，教學(xué)效果也很明顯.更有很多同學(xué)完成了固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)的全部實(shí)驗(yàn)單元，并在教師的指導(dǎo)下完成了科技論文的寫作.

4 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實(shí)驗(yàn)的考核方式

在新的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容下，必須有與之相配套的教學(xué)管理和考核方式.由于科研創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)重在研究探索未知的東西，重在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、整合知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力，因此實(shí)驗(yàn)過程的考核在整個(gè)考核中應(yīng)該占較大的比重.固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)中，可以從以下4個(gè)方面進(jìn)行考核.其一，可以考核學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)前對(duì)儀器設(shè)備的了解程度；其二，可以考核學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)確定的實(shí)驗(yàn)方案的可行性；其三，可以考核學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)過程的完整性；其四，可以考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、處理及實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告的撰寫.該考核方式能夠促使學(xué)生不僅要關(guān)注自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且更需關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，在實(shí)驗(yàn)過程中提高學(xué)生的思考能力和整合運(yùn)用知識(shí)的能力，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)造能力.

5 結(jié)束語

錢偉長(zhǎng)院士曾說過：“大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻，教學(xué)沒有科研做底蘊(yùn)，就是一種沒有觀點(diǎn)的教育，沒有靈魂的教育”［6］.筆者認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程科研化，科研過程教學(xué)化，最終形成教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì).

1 教高［2007］2號(hào)文件.教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見

2 王春潮，徐躍進(jìn)，王平祥.強(qiáng)化實(shí)踐，推進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（6）：7～10

3 宋永臣，楊明軍，劉衛(wèi)國，等.本科生專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究探討.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（2）：161～165

4 田運(yùn)生，劉維華，王景春.綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的探索與實(shí)踐.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（2）：126～129

5 章琳.新建本科院?？茖W(xué)發(fā)展之三大資源問題——以福建省為例.莆田學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，17（1）：78～81

6 錢偉長(zhǎng)著.錢偉長(zhǎng)文選.上海：上海大學(xué)出版社，2004