以染料敏化电池为例探讨研究型实验创设

徐祥福，方运良，朱伟玲，于 军

(广东石油化工学院 理学院，广东 茂名 525000))

以染料敏化电池为例探讨研究型实验创设

徐祥福，方运良，朱伟玲，于 军

(广东石油化工学院 理学院，广东 茂名 525000))

研究型实验作为新的实验形式，在创设上与传统实验有很大的区别。以染料敏化太阳能电池创设为例，探讨研究型实验的创设。研究型实验要以培养学生实践能力、创新能力、创新思维、科学研究能力及提高学生科研素质为原则；内容上要多样化、有层次、可选择性强；实验技术手段上要满足学生不同层次研究的需求；实验结果上要具有可评价性，能够激励学生。

研究型实验；染料敏化太阳能电池；实验教学

传统的物理实验大多是验证性实验，仅有的部分设计性实验也因为实验条件、教师等原因，多是对成熟的物理过程、结果的重复展示[1]。自20世纪中叶科学实验发展完善以来[2]，传统实验教学在培养学生的认知、实践能力上起到重要作用，但随着社会对人才需求由知识型向创新型人才的转变[3]，在创新思维、创新能力、科学研究能力的培养方面，传统的实验教学很难发挥作用。《国家中长期人才规划2010-2020》中提出，要“探索并推行创新型教育方式方法，突出培养学生的科学精神、创造性思维和创新能力”。为实现创新型人才的培养，大学实验教学在坚持培养学生实践能力的同时，也要创新实验形式，以强化学生创新能力、科学研究能力的培养。

研究型实验教学是指“教学过程中由教师创设一种类似科学研究的情境和途径指导学生在独立的主动探索、主动思考、主动实践的研究过程中，吸收并应用知识分析并解决问题，从而培养学生创造能力和创新精神，提高学生综合素质的一种教学模式”[4]。它是培养学生创新能力、创新思维、科学研究能力的新实验形式。在研究型实验教学过程中，除了传统实验具备的选题、资料调查、论文书写等内容之外，还包括研究方法、实验技术、实验设计、仪器采购加工、结果分析总结等方面[5]，这些都是传统验证性实验教学所不具备的。研究型实验的创设也必须以培养这些能力为目标。

同时，研究型实验的特色在于不确定性，包括实验方法、手段甚至内容都不是事先确定的。也就是说，教师在创设研究型实验时，不能遵循传统教学方式，事先确定物理过程、实验步骤，而是要整体布局，尽量给学生空间去发挥他们的积极性。总结来说，创设研究型实验的原则是：在提高学生研究能力的同时，基于现有条件，使内容上有选择，技术上有层次，操作上可布局，教学上可评价[5]。

自Gratzel 1991年发表染料电池突破性进展以来[6]，染料电池一直是研究热点，目前，在光阳极、对电极、敏化染料、电解质方面都有深入的研究内容[7]。同时，染料敏化电池的特点是低成本、操作简单，将其作为本科生研究型实验的对象，可以进行以最简单的制作到单方向的深入研究，满足不同层次、阶段的实验、实践、研究训练。同时，染料敏化电池涉及物理、有机化学、无机化学等领域，知识范围较广，涉及的研究方法、检测技术多种多样，适合于对学生科学研究能力、综合素质的培养。

1 基础研究能力、工程实践能力的培养

目前，国外的一些实验是以Project形式开展的，教师的大多数科研项目也是以工程形式组织进行的。让学生了解项目的组织运作，是培养学生工程实践能力、科学研究能力的一部分。现在高等教育提出“大工程观”教学理念，亦即如此。与传统工程教育区别，“大工程观”的“大”体现在科学、技术、非技术、工程实践等因素里面，而且具有多学科整合特性[8]。这也是项目的特性，需要让学生体会到这些。

染料敏化电池制作有各种成熟的方案，有的简单，有的复杂，但对于没有经过训练的学生来说，染料敏化电池制作过程是很好的工程实践案例。因为它包含了完整的项目要素：原采料的选择，产品技术工艺过程，成本控制，项目的组织，产品的产生和质量检验。它可以提高学生的动手能力，更重要的是在这过程中，学生了解了项目是怎么样组织进行的。

染料敏化电池制作过程中，材料购买、仪器选用、技术方案选择等非技术因素是必不可少的过程，也是培养学生工程实践能力的重要组成部分。如染料敏化电池究竟是选用FTO玻璃还是ITO玻璃，具体参数性能怎么样，采购时必须进行权衡。如有学生选择了光滑的ITO玻璃，但在还原电极时采用铅笔涂敷，就会遇到怎么涂也涂不上去的尴尬。经历如此过程后，学生自然会明白工程实践中设计与评审的重要性。

染料敏化电池涉及多个学科：既有物理的，如光电池特性、电池应用、纳米晶TiO2等；还有化学的，如天然染料的提取、敏化等技术。整个过程使学生体会到了不论是科学研究还是工程实践，学科整合的重要，增强了他们“终生学习”的能力。

2 研究方法、研究技术手段的培养

科学认知与科学研究方法是分不开的，同时研究方法的选择依赖于现有的硬件条件、人员情况。可以说研究方法就是采用某种方法组织相关研究手段达到认知目的。培养学生研究方法的运用、研究手段技术的使用也是提高学生科学研究能力的重要内容。

在染料敏化太阳能电池中，硬件条件包括X射线衍射仪、扫描电镜、分光光度计、数字源表、马弗炉、匀胶机、电池I-V特性测试仪等，这些都是现代实验室材料制备与表征通用的仪器。研究型实验的创设，可以将这些条件提供给学生，让学生自由选择组合，达到其研究目的，甚至可以让学生比较不同设备表征的差异。

另一方面，在染料敏化太阳能电池制备过程中，会涉及许多常用的实验技术，如叶绿素的提取与保存、匀胶镀膜、喷涂法镀膜、材料的退火、半导体器件I-V特性测试、光谱响应测试等。同样，学生可以在充分了解这些技术的基础上，选择适当的方法开展研究。例如，一学生对纳米颗粒光阳极进行参数优化，使用数字源表，利用扫描电压编程，采用50 W LED白光(取样20点)进行测试，其结果如图1所示。图2为一学生采用分光光度计进行的存放时间对光吸收的影响的研究对比结果。

图1 学生使用50 W白光LED、电子负载测不同电池的I-V曲线

虽然从严格的学术意义上来说，这些结果并不理想，但对于学生来说，过程的重要性大于结果。为了实现研究项目的目标，利用现有的技术条件，进行制备与表征手段、技术的选择，进行过程的设计与控制，使学生认识并掌握这些科学研究的基本要素及方法，提高了其科学研究素养与能力。

图2 学生使用紫外分光光度计测量的敏化剂光吸收谱

3 实验结果分析能力的培养

与传统的实验相比，研究型实验的特色在于实验结果的分析。传统的实验是按既定的实验过程测量数据，根据理论公式得出结果。这些结果是在物理过程被严格控制基础上得来的，排除了其他因素的干扰，所以结果很难出现其他可能性。传统实验多是进行烦琐的不确定度计算分析，造成学生的抵触情绪，偏离了实验教学的目的。而研究型实验由于过程的不确定性，结果受众多因素的影响，如何对实验结果进行分析，如何排除干扰因素影响等，对本科生具有很大的挑战性，能够更好地培养学生的创新思维及科研能力。

如图1所示的例子中，这名学生对比实验结果的同时，进而分析到电池效率不好的原因：“碳电极的附着力不好，容易剥落，导致在电解质与碳的接触面上暗电流的产生会比较大，而且在ITO玻璃上的电子也不容易回到碳电极上。同时，烧结时温度不均匀，导致容易破片，而且温度控制很难，导致TiO2表面的结晶程度不高，对太阳光的吸收也减少。” 可以看出，学生在实验中，注意到了很多细节之处，并且将理论与实验相结合进行预测分析。这对于学生的创新思维、科研能力的培养都有重要的作用。

在染料敏化电池研究型实验中，还有很多类似例子，如有的学生注意到TiO2薄膜吸收光谱中，长波方向出现振荡，为解释原因，设计了后续的相关实验进行验证；还有的学生注意到在使用分光光度计时，TiO2薄膜散射光的测量影响问题等。通过这些实践案例发现，研究型实验不但增强了学生创新和科研思维及能力，对学生的韧性、专一、团队精神等品质的培养也有作用。

4 科学论文撰写等科研素质培养

由于研究型实验对学生束缚较少，留给学生较大空间去发挥潜能，所以学生积极性较高。在这个过程中，培养学生的科研素质就比较容易，包括文献检索方法、科技论文书写格式要求、写作时缜密的思维、常用数据处理工具等。

如文献检索方法上，为了弄清楚前人的研究方法、成果，以及自己的设计基础，学生有较高的积极性。如有名学生欲在光阳极薄膜中增加光散射中心以增强光吸收方面作研究，但在如何测量增加的光散射强度时遇到了困难，而中文文献中没有这方面的知识，当时指导老师仅简单介绍了外文数据库种类、检索途径等。学生主动报名参加图书馆的数据库讲座，学习检索方法，最终找到相关资料，改进光度计，使问题得以解决。这种情况在传统实验教学中几乎是不可能出现的。

另外，对于计算机数据处理工具的使用，学生也表现出很高的积极性。如图1、图2为学生使用Origin绘制的图，尽管在标注、符号大小等方面还有欠缺，但学生能够主动接受这种方式，并且乐于使用。

在教学实践中，研究型实验的评价标准除了考虑学生的出勤率、选题的难度等之外，最重要的依据便是科学论文形式的实验报告。传统的实验教学，学生反映最差的体验就是写实验报告，学生总结做实验，就是“老师讲一小时，学生做五分钟，花一周时间写报告”。而且传统的实验有教材或指导书，学生书写实验报告时很多就是照抄教材或指导书的实验方法、原理，造成学生的消极态度。而在研究型实验教学中，学生在研究中做出了自己的成果，很希望得到认可，所以对于实验报告，无论是在格式上还是在论文缜密性上都会认真去完成。

5 结束语

通过染料敏化太阳能电池研究型实验的教学实践证明，研究型实验在培养学生的创新能力、创新思维、科学研究能力及科研素质方面，比传统实验教学更有优势，更能激发学生的兴趣，提高学生的主动性和积极性。另一方面，研究型实验对于指导教师的前期准备工作要求更多：指导教师要确保实验内容上要使学生有选择，可以有足够的空间让学生发挥；技术上要布局，使技术有层次，满足不同学生需求；更重要的是要有可评价性。

由于研究型实验的不确定性，指导教师在实验中不能放任学生不管。有些学生中途可能会遇到大的问题导致实验无法进行下去，导致学生比较沮丧。这时指导教师应及时进行干预调节，在心理和技术层面上，指导学生克服困难完成任务。

[1]张小岗，秦玉军．研究性实验教学项目创设及实践[J]．实验室科学，2011，14(1)：37-39．

[2]刘郎．科学实验论[J]．大自然科学，1991，10(3)：133-137．

[3]程勇．高等院校研究性实验教学模式探析[J]．实验室研究与探索，2009，28(2)：103-106.

[4]刘伟忠．研究型教学中的难点与实施重点[J]．中国高等教育，2006(24)：36-37．

[5]王叶，马国宏，阎晓娜．研究型实验探索[J]．实验室研究与探索，2009，28(4)：101-102.

[6]Grätzel M．Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells[J].Inorg．Chem．，2005，44：6841-6851．

[7]梅翠玉，王小平，王丽军，等．染料敏化太阳能电池的研究进展[J]．材料导报，2011，25(7)：148-152．

[8]谢笑珍．“大工程观”的涵义、本质特征探析[J]．高等工程教育研究，2008(3)：35-37．

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

茂名市工农业科技计划项目(201340)；广东石油化工学院实验课题研究项目(201103)；广东石油化工学院教育发展科学研究项目(20114)。

徐祥福(1981-)，男，硕士，讲师，主要从事光电材料及器件方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.003