蔣玉榮，邊長賢，黃 靜，胡曉鋒，秦瑞平

（1.河南師范大學，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；3.河南省新鄉(xiāng)市第五職業(yè)中專，河南 新鄉(xiāng) 453007）

隨著社會的進步和教育的發(fā)展，高度重視并深化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式是建設創(chuàng)新型國家、服務社會經濟發(fā)展的需要。面對社會的需要，建立新形勢下的課程體系，構建一種有助于學生積極主動參與并善于探索的教學模式，是擔負人才培養(yǎng)重任的高等學校不可回避的責任[1]。物理實驗課程在培養(yǎng)學生動手能力、研究意識、創(chuàng)新思維與科研素質方面具有重要的作用。目前物理實驗課程的設置有基礎型實驗、提高型實驗和研究型實驗等[2－4]。

大學物理實驗是物理學和其他自然科學的基礎，是高等院校理工科最基本的實驗課程，是學生在高校接受系統(tǒng)實驗技能訓練的開端，它反映了理科、工科、醫(yī)學科科學實驗的共性和普遍性的問題，在培養(yǎng)學生的綜合素質如創(chuàng)新能力、嚴謹?shù)目茖W思維以及理論聯(lián)系實際方面有著重要的作用，所以大學物理實驗課程的重要性日益凸顯。許多實驗項目與當今飛速發(fā)展的前沿科學新理論、新技術嚴重脫節(jié)，實驗教學存在很多問題。

隨著全國各大高校的建設和發(fā)展，科學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越來越好，建設了一些重點實驗室、開放性實驗室、科研課題組等平臺，購置了很多大型實驗儀器和配套設備。但對于一些大型的實驗儀器大多數(shù)只是使用于科學研究或研究生培養(yǎng)方面，而在本科生教學上應用較少，甚至和本科教學脫鉤，因此沒有充分發(fā)揮大型儀器潛在的價值。探索教學與科研創(chuàng)新相結合，一方面可以充分實現(xiàn)大型科研儀器設備潛在的價值，另一方面可以將科學研究工作中的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技術等與本科生實驗教學結合起來，，這將是一個非常有意義的課題[5，6]。

本文分析了目前大學物理實驗課程教學中存在的問題，針對科研創(chuàng)新與實驗教學相結合方面進行了一些探索與實踐分析，一些科研成果轉化為具體的實驗內容，這無疑是一個非常有意義的課題。筆者在這方面進行了一些探索與實踐，將近將高溫擴散爐、真空鍍膜系統(tǒng)、激光切割機及太陽能電池綜合性能測試系統(tǒng)等大型科研儀器引入大學物理實驗教學，結合具體的科研課題，如硅納米線太陽能電池研究課題，將相關實驗內容和基礎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中，開設了一些研究型、設計型物理實驗，構建了教學科研互動實驗室和課題組，使之成為培養(yǎng)學生實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的新型實驗教學平臺，讓學生在本科學習階段能較早地開展帶有創(chuàng)新研究性質的實驗活動，更多地接觸科研創(chuàng)新工作，很大程度上提高了學生的工作實踐能力和創(chuàng)新思維素養(yǎng)。

1 大學物理實踐教學中存在的主要問題

許多實驗項目與當今飛速發(fā)展的前沿科學新理論、新技術嚴重脫節(jié)，實驗教學存在很多問題，主要表現(xiàn)在三個方面：

（1）實驗項目陳舊，實驗教學沒有特色

由于經費及師資力量限制等原因，大學物理設立的實驗項目陳舊，較少涉入新增項目和創(chuàng)新性項目，目前所開出的實驗項目中驗證性實驗項目比例較高，設計性、綜合性和創(chuàng)新研究性實驗例過低，甚至有些實驗項目與中學物理實驗相比在實踐創(chuàng)新上沒有體現(xiàn)深化和提高[7]；大學物理實驗基本上都是按照使用多年的教學程序：學一預習、老師理論講解及演示、學生自己操作獲取數(shù)據(jù)、撰寫報告。這種程式化的教學過程在知識的傳授和接收上效果較好，但不利于學生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)；另外，部分實驗設備陳舊老化，開出的實驗項目普遍臺套數(shù)不夠，人才培養(yǎng)方案規(guī)定的部分選修實驗項目由于缺少儀器設備無法開出。針對以上情況，將科研中的大型儀器適當引用到教學上將是一個很好的資源利用，并且將提高學生的動手能力和學習激情，提高創(chuàng)新能力。

（2）實驗學時少，不能給學生留充分的獨立思考時間

在有限的實驗課課堂上，老師要對實驗原理和實驗步驟進行講解以及示范實驗操作過程，留給學生自己真正動手操作儀器獲取實驗數(shù)據(jù)的時間很少，造成在實驗過程中遇到問題沒有足夠的時間去獨立思考和分析解決問題，結果學生獨立思考、分析解決問題的能力得不到加強和提高，更談不上創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（3）學生對大學物理實驗缺乏學習積極性

學生對大學物理實驗的重要性認識不足，學習明顯缺乏積極性。這種情況一方面與實驗教學方式和實驗教學體系有關，另一方面也與目前社會大環(huán)境有關。由于目前大學生就業(yè)形勢嚴峻，學生從入學開始往往就會根據(jù)當前就業(yè)形勢選擇熱點方向或科目學習。常規(guī)大學物理實驗得不到學生的重視，甚至部分學生對此應付了事，在實驗課上草草完成規(guī)定數(shù)據(jù)或拼湊數(shù)據(jù)，甚至互相抄襲。因此如何調動學生的實驗積極性將是大學物理實驗教學改革的重要課題。

總之，傳統(tǒng)的實驗教學過分強調教師的中心地位，學生的主動性、探索性受到一定限制，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對以上存在的問題，我們提出將科研創(chuàng)新引入到實驗教學中，結合科研進展不斷更新完善實驗教學內容，使實驗教學與科研創(chuàng)新相結合，使其更具有前瞻性和可持續(xù)發(fā)展性。構建教學科研互動基地，使其成為培養(yǎng)學生實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的新型教學平臺，讓學生在本科基礎學習階段能較早地開展帶有課題研究性質的實驗活動，更多地接觸科研實踐，提高工作能力和科學素養(yǎng)。

2 實驗教學與科研創(chuàng)新相結合的培養(yǎng)

（1）大型儀器相關的實驗內容

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備，通過給學生講解大型儀器的基本結構、工作原理和應用領域，能夠使學生將基礎理論知識和實際應用密切聯(lián)系起來，加深對理論理解和吸收。然后對學生培訓大型儀器的操作使用方法和常規(guī)的維護維修知識技能等，鍛煉學生的動手能力，解決實際問題的能力。本工作結合我們實驗室現(xiàn)有的高溫擴散爐、真空鍍膜系統(tǒng)、激光切割機及太陽能電池性能綜合測試系統(tǒng)（見圖1）和太陽能電池光譜響應測試系統(tǒng)（見圖2）等大型儀器，對物理學上的光、熱、電、磁等現(xiàn)象在實際中的應用進行詳解和說明，并且和科學研究相結合進行了一些探討和實踐。如太陽能綜合測試系統(tǒng)中，其中包括：光電池室；信號采集系統(tǒng)；鎖相放大器；太陽模擬器；單色光柵儀；伏安特性測試系統(tǒng)等。對于鎖相放大器，面向電子專業(yè)的學生，向學生介紹鎖器放大器的工作原理，讓學生了解鎖相放大器的基本構成及使用范圍；對于單色儀，結合大學實物實驗教學中的分光儀的調整及棱鏡折射率的測定實驗，向學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 太陽能性能綜合測試系統(tǒng)

圖2 太陽能光譜響應測試系統(tǒng)

（2）將一些科學研究課題與物理實驗相結合

在對大型儀器的原理和基本結構講解的基礎上，讓學生實際動手操作儀器，并且結合具體的研究課題，讓學生做一些關于太陽能樣品的制備、樣品性能的測試、數(shù)據(jù)的處理和分析實驗工作。在這一教學環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)了學生的基本實驗技能，同時也能激發(fā)學生的科學研究興趣等。在本實驗實施環(huán)節(jié)中，我們將關于太陽能薄膜電池材料的研究課題與實驗教學聯(lián)系起來，涉及到的教學內容包括：半導體材料的性質和應用；半導體物理與元器件的理論知識；太陽能光譜知識的了解和學習；了解太陽能的利用領域；太陽能電池的分類、基本構成和工作原理；太陽電池的制備工藝介紹，介紹相關課題最新的研究內容與進展等。在實驗基本技能方面，我們讓學生了解并參與硅太陽能電池的制備、銅銦鎵硒化合物半導體薄膜材料的制備，在整個過程中，具體的實驗內容包括硅片的標準清洗、高溫摻雜、蒸鍍電極等工藝，性能測試及數(shù)據(jù)處理分析等，例如對于伏安特性測試系統(tǒng)，結合大學物理實驗教學中的電路元件伏安特性研究實驗教學環(huán)節(jié)，將具有光伏效應的硅PN樣品在AM1.5個太陽光照強度情況下的IV特性曲線如圖3所示，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，向學生講解光伏原理，開路電壓、短路電流的測試條件，串聯(lián)電阻及并聯(lián)電阻的測試和計算方法以及影響電池轉換效率的因素及解決辦法，讓學生帶著問題去思考和實驗操作，相應提高了學生動手能力和積極性。

圖3 陽能電池的IV曲線圖

（3）構建教學科研互動基地

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

3 結 論

經過前期的一些實驗教學與科研創(chuàng)新相結合的教學效果，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面，使學生將課堂上學到的理論知識與具體實踐很好的聯(lián)系起來；高度激發(fā)了本科生對科學研究的興趣，為大學生開展創(chuàng)新性研究實驗提供了一個很好的平臺；使一些價格昂貴、性能先進的大型科研儀器在本科生教學中充分發(fā)揮了作用；為學生提供更多的接受新事物、解決實際問題、動手實踐和思考新問題的機會。因此，我們認為實驗教學與科研創(chuàng)新相結合是一個很好的課題。

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[2]李長富，宮衍香，耿繼國.物理專業(yè)學生實驗物理科研課題的指導[J].物理與工程，2008，18（1）：46－47.

[3]陸慧，陰其俊，錢水兔.實驗教學與科研相結合的探索與實踐[J].大學物理，2008，27（8）：48－51.

[4]王利霞.大學物理實驗教學改革與探索[J].實驗科學與技術，2009，7（4）：69－72.

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

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

[7]金桂，姚敏，蔣純志.工科大學物理的教學改革與實踐[J].湘南學院學報，2010，31（2）：28－31.