科研與實驗教學(xué)相結(jié)合的探索與實踐

楊海剛,王天興,2,宋桂林,2

(1.河南師范大學(xué),河南 新鄉(xiāng) 453007;2.河南省光伏材料重點實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453007)

科研與實驗教學(xué)相結(jié)合的探索與實踐

楊海剛1,王天興1,2,宋桂林1,2

(1.河南師范大學(xué),河南 新鄉(xiāng) 453007;2.河南省光伏材料重點實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453007)

大學(xué)物理實驗課程包括基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗等從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從傳授知識到能力培養(yǎng)的完整教學(xué)體系,在培養(yǎng)學(xué)生科研素質(zhì)與能力等方面有著其他課程教學(xué)不可替代的作用。本文探索教學(xué)與科研的結(jié)合,更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力以及科學(xué)研究的思想與方法。

大學(xué)物理實驗;實驗教學(xué);科學(xué)研究;創(chuàng)新能力

物理實驗課程在培養(yǎng)學(xué)生動手能力、研究意識、創(chuàng)新思維與科學(xué)素質(zhì)方面具有重要的作用。目前物理實驗課程的設(shè)置有基礎(chǔ)型實驗、提高型實驗、設(shè)計型實驗和研究型實驗等[1-3]。隨著全國各大高校的建設(shè)和發(fā)展,科學(xué)研究成為了高校的一個重要的社會職能,并且高校的科研條件也變地越來越好,隨著高校的一些重點實驗室、開放性實驗室、科研課題組等平臺的建設(shè),購置了很多大型實驗儀器和配套設(shè)備。但對于一些大型的實驗儀器的使用,多數(shù)只是局限于科學(xué)研究和研究生培養(yǎng)方面,而在本科生教學(xué)方面應(yīng)用較少,甚至和本科教學(xué)脫鉤,因此也就沒有充分發(fā)揮大型儀器潛在的價值。探索教學(xué)與科研相結(jié)合,一方面可以充分實現(xiàn)大型科研儀器設(shè)備的價值,另一方面可以將科學(xué)研究工作中的創(chuàng)新思維、技術(shù)技能等與本科生實驗教學(xué)結(jié)合起來,將一些科研過程和實驗方法作為具體的實驗教學(xué)內(nèi)容,這無疑是一個非常有意義的課題[4-5]。

為此在科研與實驗教學(xué)相結(jié)合方面進行了一些探索與實踐,將超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)、太陽能電池性能綜合測試系統(tǒng)等大型科研儀器引入大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容,并且結(jié)合具體的科研課題,如薄膜太陽能電池研究課題,將相關(guān)實驗內(nèi)容和基礎(chǔ)理論知識植入到不同專業(yè)、不同層次的本科物理實驗教學(xué)中,開設(shè)了一些研究型、設(shè)計型物理實驗。構(gòu)建了教學(xué)科研互動實驗室和課題組,使之成為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的新型教學(xué)平臺,讓學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段能較早地開展帶有課題研究性質(zhì)的實驗活動,更多地接觸科研實踐工作,很大程度上提高了學(xué)生的工作能力和科學(xué)素養(yǎng)。

1 大型儀器相關(guān)的實驗內(nèi)容

通過給學(xué)生講解學(xué)習(xí)大型儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域,使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識和實際應(yīng)用聯(lián)系起來,進而訓(xùn)練學(xué)生對大型儀器的操作使用方法和一些維護維修知識技能等,鍛煉學(xué)生的動手能力,解決實際問題的能力。本工作結(jié)合我們實驗室現(xiàn)有的超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(見圖1)和太陽能電池性能綜合測試系統(tǒng)(見圖2)等大型儀器,對物理教學(xué)和科學(xué)研究相結(jié)合進行了一些探討和實踐。

如對于超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng),其包括有:真空系統(tǒng),電力系統(tǒng),薄膜沉積系統(tǒng),自動化控制系統(tǒng),測試系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等。對于真空系統(tǒng),我們面向物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生,向?qū)W生介紹真空的概念,讓學(xué)生了解什么是真空,怎樣劃分低真空、高真空和超高真空;真空的獲得,真空泵的原理和分類,以及真空泵的基本結(jié)構(gòu);真空度的測量原理和測量技術(shù);真空腔室及真空管路等。對于儀器的電力系統(tǒng),針對電子專業(yè)的學(xué)生,向?qū)W生介紹該系統(tǒng)的電源和電路的基本組件和工作原理,向?qū)W生講解電路中重要電子元件的名稱、實際發(fā)揮的作用,電路的設(shè)計原理,電路的集成等內(nèi)容,讓學(xué)生將在課本上學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識和具體的應(yīng)用實例聯(lián)系起來,培養(yǎng)了學(xué)生的感性認識和學(xué)習(xí)的興趣。對于磁控濺射薄膜沉積系統(tǒng),我們面向物理專業(yè)的學(xué)生,向?qū)W生介紹該系統(tǒng)包含有直流濺射沉積、射頻濺射沉積和勵磁濺射沉積,給學(xué)生介紹各種沉積類型的原理和特點,如直流濺射沉積所用的電源為直流,只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜,其特點是薄膜的沉積速率高,射頻濺射沉積是采用的射頻電源,可以制備導(dǎo)電的金屬薄膜和絕緣的介質(zhì)薄膜,其特點是適用范圍廣,勵磁濺射沉積是采用電磁場,其特點是可以沉積具有磁性的薄膜材料。給學(xué)生介紹薄膜的形成過程和原理,進而讓學(xué)生了解薄膜材料的特有性能和應(yīng)用等。對于儀器的自動化控制系統(tǒng),我們面向自動化控制專業(yè)的學(xué)生,向?qū)W生介紹本儀器中包含有薄膜制備過程的自動化控制、基片加熱系統(tǒng)的控制、真空泵的自動化控制等,讓學(xué)生了解各個控制系統(tǒng)的組成部分和工作原理,使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識和自動化控制實際應(yīng)用聯(lián)系起來,讓學(xué)生熟悉各個控制系統(tǒng)的使用方法和特點。讓學(xué)生了解自動化控制的特點,對自動化控制的各部分元件、操控軟件的使用及設(shè)計進行介紹。對于太陽能電池性能綜合測試系統(tǒng),該系統(tǒng)包括光學(xué)部分,光電轉(zhuǎn)化部分,信號接收部分和數(shù)據(jù)處理部分,控制部分,太陽能模擬器等。我們針對物理專業(yè)的學(xué)生,上課內(nèi)容包括介紹系統(tǒng)的組成部分、用途、性能、工作原理等,通過該實踐課程,學(xué)生可以將光學(xué)理論知識和實際應(yīng)用聯(lián)系起來,并且對光電信號的轉(zhuǎn)換原理及實際測試應(yīng)用進行了解。對太陽模擬器的介紹,使學(xué)生了解到關(guān)于光譜波長范圍、光譜的能量、光的強度等相關(guān)知識。對于設(shè)備測試的硬件和應(yīng)用軟件的功能和應(yīng)用部分,我們面向自動化控制專業(yè)的學(xué)生,教學(xué)內(nèi)容包括光譜的自動化濾波、光學(xué)信號的收集、光電信號的轉(zhuǎn)化、電信號的采集、電信號數(shù)據(jù)的處理等控制方面的相關(guān)知識,并且可以讓學(xué)生嘗試關(guān)于自動化控制軟件的設(shè)計等實驗內(nèi)容。

圖1 超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)

圖2 太陽能電池性能綜合測試系統(tǒng)

2 將一些科學(xué)研究課題與物理實驗相結(jié)合

在對大型儀器的基本結(jié)構(gòu)和原理講解的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生動手實際操作儀器,并且結(jié)合具體的研究課題,讓學(xué)生做一些關(guān)于薄膜樣品的制備、樣品性能的測試、數(shù)據(jù)的處理和分析實驗工作,在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中,教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能,同時也能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣等。

在本實驗實施環(huán)節(jié)中,我們將課題組關(guān)于太陽能薄膜電池材料的研究課題與實驗教學(xué)聯(lián)系起來,涉及到的教學(xué)內(nèi)容包括:半導(dǎo)體物理理論知識拓展,半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和應(yīng)用,太陽能光譜相關(guān)知識的學(xué)習(xí),太陽能的利用領(lǐng)域的了解,太陽能電池的分類、基本構(gòu)成和工作原理,薄膜太陽電池的制備工藝方法的介紹,相關(guān)課題最新的研究內(nèi)容與進展的介紹等。在實驗基本技能方面,我們讓學(xué)生了解并參與硅薄膜半導(dǎo)體、銅銦鎵硒化合物半導(dǎo)體薄膜材料的制備,在整個過程中,具體的實驗內(nèi)容有基片的超聲清洗、鍍膜系統(tǒng)的抽真空、薄膜的沉積、薄膜的退火處理、薄膜的光電性能的測試、測試數(shù)據(jù)的處理等內(nèi)容。

3 讓學(xué)生參與一些科學(xué)研究課題與實驗儀器設(shè)備的管理與維護

在實驗教學(xué)過程中,提供機會讓本科生參與到一些科研課題工作中,讓他們協(xié)助老師和研究生進行課題研究工作,這樣一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,解決實際問題的能力,激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣,另一方面可以增加本科生與老師師及研究生的接觸機會,幫助導(dǎo)師和研究生做一些科學(xué)研究的基礎(chǔ)性工作,老師和研究生就可以將更多的精力投放于一些科研創(chuàng)新工作中。對于部分對科學(xué)研究感興趣的學(xué)生,在老師的指導(dǎo)下和學(xué)生在作了比較充分調(diào)研工作的前提下,鼓勵學(xué)生提出一些可行的研究性課題,開展一些具有創(chuàng)新性的研究型實驗內(nèi)容。

目前我們所開展的一些實驗教學(xué)實驗,教學(xué)對象主要是物理學(xué)院大三或大四的學(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)物理實驗課程的學(xué)習(xí),具有了一定的動手能力,并且大三和大四的學(xué)生理論課程較少,時間比較充裕;另一方面是大三或大四的學(xué)生將要面臨考研和找工作,對于學(xué)生的科研素養(yǎng)的培養(yǎng)和動手能力的提高,具有很大的幫助。隨著本實驗教學(xué)的探索取得越來越好的教學(xué)效果,也可以面向全校的本科生,作為一門物理實驗選修課程,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。

4 結(jié) 語

經(jīng)過前期的一些探索和實踐的教學(xué)效果,在以下幾方面取得了一些積極的效果:讓一些價格昂貴、性能先進的大型科研儀器在本科生教學(xué)中充分發(fā)揮了作用;拓寬了本科生的知識面,使學(xué)生將課堂上學(xué)到的理論知識與具體實踐很好的聯(lián)系起來;為學(xué)生提供更多的接受新事物、思考新問題、解決實際問題和動手實踐的機會;激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)研究的興趣,為大學(xué)生開展創(chuàng)新性研究實驗提供了一個很好的平臺;促進了本科生與老師和研究生的接觸交流,并且適當(dāng)減小了老師和研究生的科研中一些重復(fù)性的工作量,讓老師和研究生省下一些時間做一些創(chuàng)新性的工作;有助于督促一些老師和研究生對實驗儀器和其原理有更深層次的了解和研究。因此,我們認為科研與本科實驗教學(xué)相結(jié)合是一個很好的課題。

[1]馮本珍.物理實驗教學(xué)與大學(xué)生科研素質(zhì)能力的培養(yǎng)[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2008,25(2):51.

[2]張銳波,沈劍峰,杜金潮.大學(xué)物理實驗創(chuàng)新教學(xué)[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):80.

[3]王利霞.大學(xué)物理實驗教學(xué)改革與探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2009,7(4):69.

[4]陸慧,陰其俊,錢水兔,等.實驗教學(xué)與科研相結(jié)合的探索與實踐[J].大學(xué)物理,2008,27(8):48.

[5]李長富,宮衍香,耿繼國.物理專業(yè)學(xué)生實驗物理科研課題的指導(dǎo)[J].物理與工程,2008,18(1):46.

Practice and Exploration of the Experimental Teaching Combing with Scientific Research

YANG Hai-gang1,2,WANG Tian-xing1,2,SONG Gui-lin1,2

(1.Henan Normal University,Xinxiang 453007;2.Henan Key Laboratory of Photovoltaic Materials,Xinxiang 453007)

The course of university physical experiment includes basic experiment,comprehensive experiment,experiment of design and the overall teaching system from basic grade tOhigher grade,from primary tOadvance,from accepting knowledge tObring up ability,which plays very important role in cultivating students’scientific research quality and ability.We have being explored on the combining teaching with scientific searching,which can well train students with the practice ability,creative ability and the idea and method of scientific researching.

university physical experiment;experimental teaching;scientific researching;creative ability

G642

A

1007-2934(2011)03-0107-03

2011-02-21

河南省重點科技攻關(guān)計劃資助項目(102102210184);河南省教育廳自然科學(xué)研究項目(2010B140008).