科研与实验教学相结合的探索与实践

杨海刚,王天兴,2,宋桂林,2

(1.河南师范大学,河南 新乡 453007;2.河南省光伏材料重点实验室,河南 新乡 453007)

科研与实验教学相结合的探索与实践

杨海刚1,王天兴1,2,宋桂林1,2

(1.河南师范大学,河南 新乡 453007;2.河南省光伏材料重点实验室,河南 新乡 453007)

大学物理实验课程包括基础性实验、综合性实验、设计性实验等从低到高、从基础到前沿、从传授知识到能力培养的完整教学体系,在培养学生科研素质与能力等方面有着其他课程教学不可替代的作用。本文探索教学与科研的结合,更好地培养学生的实践能力、创新能力以及科学研究的思想与方法。

大学物理实验;实验教学;科学研究;创新能力

物理实验课程在培养学生动手能力、研究意识、创新思维与科学素质方面具有重要的作用。目前物理实验课程的设置有基础型实验、提高型实验、设计型实验和研究型实验等[1-3]。随着全国各大高校的建设和发展,科学研究成为了高校的一个重要的社会职能,并且高校的科研条件也变地越来越好,随着高校的一些重点实验室、开放性实验室、科研课题组等平台的建设,购置了很多大型实验仪器和配套设备。但对于一些大型的实验仪器的使用,多数只是局限于科学研究和研究生培养方面,而在本科生教学方面应用较少,甚至和本科教学脱钩,因此也就没有充分发挥大型仪器潜在的价值。探索教学与科研相结合,一方面可以充分实现大型科研仪器设备的价值,另一方面可以将科学研究工作中的创新思维、技术技能等与本科生实验教学结合起来,将一些科研过程和实验方法作为具体的实验教学内容,这无疑是一个非常有意义的课题[4-5]。

为此在科研与实验教学相结合方面进行了一些探索与实践,将超高真空磁控溅射镀膜系统、太阳能电池性能综合测试系统等大型科研仪器引入大学物理实验教学内容,并且结合具体的科研课题,如薄膜太阳能电池研究课题,将相关实验内容和基础理论知识植入到不同专业、不同层次的本科物理实验教学中,开设了一些研究型、设计型物理实验。构建了教学科研互动实验室和课题组,使之成为培养学生实践能力、研究能力和创新能力的新型教学平台,让学生在本科学习阶段能较早地开展带有课题研究性质的实验活动,更多地接触科研实践工作,很大程度上提高了学生的工作能力和科学素养。

1 大型仪器相关的实验内容

通过给学生讲解学习大型仪器的基本结构、工作原理和应用领域,使学生将基础理论知识和实际应用联系起来,进而训练学生对大型仪器的操作使用方法和一些维护维修知识技能等,锻炼学生的动手能力,解决实际问题的能力。本工作结合我们实验室现有的超高真空磁控溅射镀膜系统(见图1)和太阳能电池性能综合测试系统(见图2)等大型仪器,对物理教学和科学研究相结合进行了一些探讨和实践。

如对于超高真空磁控溅射镀膜系统,其包括有:真空系统,电力系统,薄膜沉积系统,自动化控制系统,测试系统和加热系统等。对于真空系统,我们面向物理学专业的学生,向学生介绍真空的概念,让学生了解什么是真空,怎样划分低真空、高真空和超高真空;真空的获得,真空泵的原理和分类,以及真空泵的基本结构;真空度的测量原理和测量技术;真空腔室及真空管路等。对于仪器的电力系统,针对电子专业的学生,向学生介绍该系统的电源和电路的基本组件和工作原理,向学生讲解电路中重要电子元件的名称、实际发挥的作用,电路的设计原理,电路的集成等内容,让学生将在课本上学到的基础理论知识和具体的应用实例联系起来,培养了学生的感性认识和学习的兴趣。对于磁控溅射薄膜沉积系统,我们面向物理专业的学生,向学生介绍该系统包含有直流溅射沉积、射频溅射沉积和励磁溅射沉积,给学生介绍各种沉积类型的原理和特点,如直流溅射沉积所用的电源为直流,只能制备导电的金属薄膜,其特点是薄膜的沉积速率高,射频溅射沉积是采用的射频电源,可以制备导电的金属薄膜和绝缘的介质薄膜,其特点是适用范围广,励磁溅射沉积是采用电磁场,其特点是可以沉积具有磁性的薄膜材料。给学生介绍薄膜的形成过程和原理,进而让学生了解薄膜材料的特有性能和应用等。对于仪器的自动化控制系统,我们面向自动化控制专业的学生,向学生介绍本仪器中包含有薄膜制备过程的自动化控制、基片加热系统的控制、真空泵的自动化控制等,让学生了解各个控制系统的组成部分和工作原理,使学生将基础理论知识和自动化控制实际应用联系起来,让学生熟悉各个控制系统的使用方法和特点。让学生了解自动化控制的特点,对自动化控制的各部分元件、操控软件的使用及设计进行介绍。对于太阳能电池性能综合测试系统,该系统包括光学部分,光电转化部分,信号接收部分和数据处理部分,控制部分,太阳能模拟器等。我们针对物理专业的学生,上课内容包括介绍系统的组成部分、用途、性能、工作原理等,通过该实践课程,学生可以将光学理论知识和实际应用联系起来,并且对光电信号的转换原理及实际测试应用进行了解。对太阳模拟器的介绍,使学生了解到关于光谱波长范围、光谱的能量、光的强度等相关知识。对于设备测试的硬件和应用软件的功能和应用部分,我们面向自动化控制专业的学生,教学内容包括光谱的自动化滤波、光学信号的收集、光电信号的转化、电信号的采集、电信号数据的处理等控制方面的相关知识,并且可以让学生尝试关于自动化控制软件的设计等实验内容。

图1 超高真空磁控溅射镀膜系统

图2 太阳能电池性能综合测试系统

2 将一些科学研究课题与物理实验相结合

在对大型仪器的基本结构和原理讲解的基础上,让学生动手实际操作仪器,并且结合具体的研究课题,让学生做一些关于薄膜样品的制备、样品性能的测试、数据的处理和分析实验工作,在这一教学环节中,教学目的是培养学生的基本实验技能,同时也能激发学生的科学研究兴趣等。

在本实验实施环节中,我们将课题组关于太阳能薄膜电池材料的研究课题与实验教学联系起来,涉及到的教学内容包括:半导体物理理论知识拓展,半导体材料的性质和应用,太阳能光谱相关知识的学习,太阳能的利用领域的了解,太阳能电池的分类、基本构成和工作原理,薄膜太阳电池的制备工艺方法的介绍,相关课题最新的研究内容与进展的介绍等。在实验基本技能方面,我们让学生了解并参与硅薄膜半导体、铜铟镓硒化合物半导体薄膜材料的制备,在整个过程中,具体的实验内容有基片的超声清洗、镀膜系统的抽真空、薄膜的沉积、薄膜的退火处理、薄膜的光电性能的测试、测试数据的处理等内容。

3 让学生参与一些科学研究课题与实验仪器设备的管理与维护

在实验教学过程中,提供机会让本科生参与到一些科研课题工作中,让他们协助老师和研究生进行课题研究工作,这样一方面可以培养学生的动手能力,解决实际问题的能力,激发学生对科学研究的兴趣,另一方面可以增加本科生与老师师及研究生的接触机会,帮助导师和研究生做一些科学研究的基础性工作,老师和研究生就可以将更多的精力投放于一些科研创新工作中。对于部分对科学研究感兴趣的学生,在老师的指导下和学生在作了比较充分调研工作的前提下,鼓励学生提出一些可行的研究性课题,开展一些具有创新性的研究型实验内容。

目前我们所开展的一些实验教学实验,教学对象主要是物理学院大三或大四的学生,这样一方面是考虑到学生具备了较好的理论基础,并且经过基础物理实验课程的学习,具有了一定的动手能力,并且大三和大四的学生理论课程较少,时间比较充裕;另一方面是大三或大四的学生将要面临考研和找工作,对于学生的科研素养的培养和动手能力的提高,具有很大的帮助。随着本实验教学的探索取得越来越好的教学效果,也可以面向全校的本科生,作为一门物理实验选修课程,使学生在兴趣的开发和能力的培养方面具有更大的选择空间。

4 结 语

经过前期的一些探索和实践的教学效果,在以下几方面取得了一些积极的效果:让一些价格昂贵、性能先进的大型科研仪器在本科生教学中充分发挥了作用;拓宽了本科生的知识面,使学生将课堂上学到的理论知识与具体实践很好的联系起来;为学生提供更多的接受新事物、思考新问题、解决实际问题和动手实践的机会;激发了学生对科学研究的兴趣,为大学生开展创新性研究实验提供了一个很好的平台;促进了本科生与老师和研究生的接触交流,并且适当减小了老师和研究生的科研中一些重复性的工作量,让老师和研究生省下一些时间做一些创新性的工作;有助于督促一些老师和研究生对实验仪器和其原理有更深层次的了解和研究。因此,我们认为科研与本科实验教学相结合是一个很好的课题。

[1]冯本珍.物理实验教学与大学生科研素质能力的培养[J].安徽工业大学学报:社会科学版,2008,25(2):51.

[2]张锐波,沈剑峰,杜金潮.大学物理实验创新教学[J].实验室研究与探索,2010,29(1):80.

[3]王利霞.大学物理实验教学改革与探索[J].实验科学与技术,2009,7(4):69.

[4]陆慧,阴其俊,钱水兔,等.实验教学与科研相结合的探索与实践[J].大学物理,2008,27(8):48.

[5]李长富,宫衍香,耿继国.物理专业学生实验物理科研课题的指导[J].物理与工程,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

河南省重点科技攻关计划资助项目(102102210184);河南省教育厅自然科学研究项目(2010B140008).