科研与教学相结合在开放性物理实验教学中的应用＊

陈晓明

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710119）

1 引言

目前，本科生实践能力和创新能力的培养倍受关注.《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》中明确指出要“深化教学内容改革，建立与经济社会发展相适应的课程体系”及“及时更新教学内容，将新知识、新理论和新技术充实到教学内容中，为学生提供符合时代需要的课程体系和教学内容”［1］.其中增加带有探索性质的科研创新型实验项目是大学物理实验教学改革的重要内容［2］.目前，国内各高校都在不断地深化大学物理实验教学改革，积极探讨该课程的教学模式、教学内容和教学方法等方面的转型［3～4］.但是由于受选题、管理模式及其仪器设备等方面的限制，许多院校科研创新型实验项目的开设和实施过程尚存在问题［5］.在这种情况下，充分利用教师的科研资源，将科研中所创造或获得的新知识、新技术、新成果及时补充到教学内容中，建立教学和科研相结合的教学模式，不失为提高教学质量的捷径.近年来，陕西师范大学出台多项政策支持和鼓励本科生进入科研实验室，诸如教务处资助的大学生创新性实验计划项目、学生处资助的大学生勤助科研创新基金、实验室建设与管理处资助的大学生实验室开放基金等.在学校政策的支持下，物理学与信息技术学院充分利用科研实验室的资源，围绕教师的科研项目，在大学物理开放实验课程教学中不断地探索与实践，取得了一定成效.本文以固相法制备压电陶瓷及其结构、性能表征实验为例，探讨科研与教学相结合的教学模式在开放性物理实验教学中的应用.

2 科研与教学相结合下开放性物理实验的选题

与验证性和演示性实验为主的大学物理基础实验不同，开放性物理实验课程中的科研创新型实验的选题带有探索性和综合性.由于授课对象为物理学专业高年级学生，他们已经储备了较丰富的专业知识，但是缺乏对知识的综合运用及整合能力.因此，科研创新型实验的选题要体现出物理学科的综合性和探索性，甚至可以是代表专业实验室水平的最新的科研成果.陕西师范大学物理学与信息技术学院凝聚态物理实验室的设备较齐全，依托该实验室为本科生开展科研创新型实验创造了必备的实验条件.固相法制备压电陶瓷材料及其结构、电学性能表征实验，涉及到新知识、新材料和新技术等物理学科非常前沿的东西，要综合运用固体物理、电磁学、电介质物理等多学科的理论知识.因此，该类实验非常适合作为科研创新型实验的选题.该类实验项目涉及知识面较广、能够体现该学科领域的发展趋势、且注重物理理论知识和实际应用相结合，是开放性物理实验教学中较为理想的选题项目.

固相法制备压电陶瓷及其结构、电学性能表征实验主要分为两个阶段，第一阶段为压电陶瓷的制备；第二阶段为压电陶瓷的结构及电学性能表征.目标试样的选择可结合相关研究领域的前沿问题进行确定，诸如钛酸铋钠基、铌酸钾钠基环境友好型的无铅压电陶瓷等都可以作为目标试样.压电陶瓷的制备过程，涉及配料、球磨、煅烧、造粒、压片、烧结等多个实验步骤；压电陶瓷的结构及电学性能表征过程，涉及晶体结构分析、显微结构分析、介电性能分析、铁电性能分析、压电性能分析、电导性能分析等多个实验环节.这些实验步骤即相互联系又相互独立，学生可以根据实验教学课时选择自己感兴趣的实验内容和实验单元.此外，在陶瓷材料的结构表征阶段，会涉及到多种分析软件，诸如用 Origin，Excel，Photoshop等进行实验数据的处理；用X射线分析软件（如Jade）分析晶体结构等，这些都可以纳入实验教学内容，可以更大程度地拓宽本科生的知识面、积累本科生的科研素质，从而有效地提高本科生的创新思维和创新能力.

3 科研与教学相结合下开放性物理实验的教学模式

传统的教学模式一般是学生预习、教师讲解、学生在固定的时间按照教材的内容照做实验.但是，在科研与教学相结合模式下，科研创新型实验项目具有实验内容多、完成实验所需时间长、涉及实验仪器多、知识面广等特点，所以教学模式更加灵活和开放.固相法制备压电陶瓷及其结构、电学性能表征实验可采用开放式研究型教学模式.

首先，教师组织学生熟悉和了解实验仪器，学生根据自己的兴趣选取实验单元和实验内容，通过阅读实验仪器说明书和相关背景资料，熟悉自己所选取的实验单元对应的实验仪器的原理和使用方法；然后，通过检索和查阅文献，了解实验仪器在科学研究中可以开展的实验项目；最后，在教师的指导下制定实验方案，确定具体的实验步骤，进而完成实验.固相法制备压电陶瓷及其结构、电学性能表征实验中涉及到很多仪器，诸如高精度电子天平、球磨机、压片机、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、喷金仪、高阻仪、阻抗分析仪、压电常数测试装置、电极化装置、铁电分析仪等；与之对应的实验单元也颇多.因此，学生总能找到自己感兴趣的实验内容.这种新的教学模式极大地调动了学生的积极性，教师和学生在教学活动中的角色发生了转变，学生从接受知识变为探索知识，由被动变为主动，成为实验的主人和教学的主体.

在此以制备陶瓷试样最后一个实验步骤——排胶和烧结实验单元为例，具体说明开放性研究型教学模式的实施.学生首先了解该实验单元要用到的实验仪器——高温烧结炉，通过阅读仪器说明书了解高温烧结炉的构造、原理及其应用.接下来，通过查阅和检索相关文献，了解高温烧结在材料制备过程中的作用和目的.这些步骤都由学生自主完成.压电陶瓷材料与我们的生活息息相关，学生在日常生活中会经常用到压电陶瓷材料，诸如加湿器、打火机、煤气灶、手机、汽车的安全气囊等等都会用到压电陶瓷材料，所以大家对其制作过程非常感兴趣.通过文献阅读，学生了解到排胶和烧结实验步骤的目的就是使压片所得生坯变为致密的陶瓷，且所得陶瓷试样的显微结构与烧结温度、烧结时间、升降温速率、烧结气氛等工艺参量有着密不可分的关系.接下来，学生再制定实验方案，摸索烧结的工艺参数，最后制备得到致密的陶瓷试样.在这个实验过程中，因为科研实验室全天开放，学生可以自主决定实验时间，如果实验过程中出现什么问题，可以重新查阅文献，并与指导教师进行探讨.因为指导教师具备很好的科研背景和科研经验，对科学现象具备敏锐的观察力，能够及时捕捉异常的实验现象，所以能完全胜任指导学生进行研究型的实验内容.该实验单元中，不仅要进行实验操作，而且要结合后期的结构及电学性能表征实验，弄清楚烧结参数对陶瓷电学性能的影响规律.选择不同实验单元的学生之间，也可以展开交流讨论.该开放性研究型教学模式，不仅使学生深刻认识结构决定性能、性能体现结构的客观规律；在教学过程中不仅培养了学生思考和分析问题的能力，使学生从学会知识变为学会学习；而且培养了学生的团结协作精神和团队意识.

这种教学与科研相结合的教学模式经过一个学期的运行，学生普遍反映良好，且成就感很强，教学效果也很明显.更有很多同学完成了固相法制备压电陶瓷及其结构、电学性能表征实验的全部实验单元，并在教师的指导下完成了科技论文的写作.

4 科研与教学相结合下开放性物理实验的考核方式

在新的教学模式和教学内容下，必须有与之相配套的教学管理和考核方式.由于科研创新型实验重在研究探索未知的东西，重在培养学生的动手能力、培养学生查阅文献、整合知识的能力和创新能力，因此实验过程的考核在整个考核中应该占较大的比重.固相法制备压电陶瓷及其结构、电学性能表征实验中，可以从以下4个方面进行考核.其一，可以考核学生操作实验前对仪器设备的了解程度；其二，可以考核学生通过查阅文献确定的实验方案的可行性；其三，可以考核学生操作实验过程的完整性；其四，可以考核学生对实验结果的分析、处理及实验研究报告的撰写.该考核方式能够促使学生不仅要关注自己的实验结果，而且更需关注实验过程，在实验过程中提高学生的思考能力和整合运用知识的能力，进而培养其创造能力.

5 结束语

钱伟长院士曾说过：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育”［6］.笔者认为，实现教学过程科研化，科研过程教学化，最终形成教学与科研相结合的教学模式是实验教学改革的趋势.

1 教高［2007］2号文件.教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见

2 王春潮，徐跃进，王平祥.强化实践，推进大学生创新性实验计划.实验室研究与探索，2009，28（6）：7～10

3 宋永臣，杨明军，刘卫国，等.本科生专业实验教学研究探讨.实验室研究与探索，2014，33（2）：161～165

4 田运生，刘维华，王景春.综合性设计性实验项目建设的探索与实践.实验技术与管理，2012，29（2）：126～129

5 章琳.新建本科院校科学发展之三大资源问题——以福建省为例.莆田学院学报，2010，17（1）：78～81

6 钱伟长著.钱伟长文选.上海：上海大学出版社，2004