以“课外趣味科研”辅助理工科教学的探究

以“课外趣味科研”辅助理工科教学的探究

张佳，翟章印

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院，江苏 淮安 223300)

摘要:针对大学理工科相关课程中的一些理论知识较为抽象、学生对此类知识学习兴趣淡薄这一问题，尝试提出以“课外趣味科研”作为平台，灵活地将教材理论知识和相关科研实验相结合，通过学生在实验操作中直观的理解，发掘其对相应理论知识的学习兴趣，从而增加其对知识点的理解深度，并达到学以致用的目的.作为示例，文章以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+荧光粉材料的制备和发光性质研究”这一课题为基础，结合原子物理学及材料学中的能级跃迁、离子掺杂、X射线粉末衍射分析等理论，系统地阐述如何通过课外科研实践来辅助教学，实现理论与实践的有效结合，这些对相关课程的教学改进是一个很有价值的参考.

关键词:辅助教学；课外趣味科研；荧光粉；发光性质

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.10.019

收稿日期：2015-07-02

基金项目：江苏省自然科学青年基金资助项目“单一基质白光LED用荧光粉的助熔剂法合成、形貌及发光性质研究”(BK20140456)

作者简介：张佳，男，河北石家庄人，讲师，博士．

中图分类号：O433文献标志码：A

对于大学阶段的课程学习，由于缺少明确目标的指引和较强的自控能力，很多学生往往疏于学习和深入探讨，有些甚至还会逐渐形成懒惰情绪最终淡化主动学习的意识.于是，如何开辟新的教学角度来提升学生的学习兴趣并最终使其学习由被动变为主动就成为一个值得深思的问题.

1理工科教学改革的研究背景

近年来，随着国家相关政策的出台，全国各高校招生规模不断扩大；为了提高学生的综合素质，高校开设的课程种类也有增多，而分配到某些课程的课时就相应有一定的缩减[1,2].另一方面，对于理工科学生的某些理论学习，教学内容本身枯燥无味，一些公式定理单靠死记硬背很难达到预期的理解程度和理想的教学效果.虽然可以由一些资深教师通过长期的教学经验总结出一套近乎完美的教学过程和方法来提升学生的学习效率，但这毕竟需要资深教师较长的教学年限和较多的教学周期改进才能实现.尤其是对于一些非常重要的基础课程，在教学方面的改革就必不可少.例如，作为经典物理与近代物理连接纽带的“原子物理学”，既是普通物理的一部分，也是进一步学习理论物理和从事材料、信息、光学等相关学科的研究基础[3]，所涉及的现象、内容繁杂，信息量大，若全部内容采取课堂讲授方法进行，不仅难以完成教学内容，而且会使学生感到负担太重[4]，因此必须重视物理实验、物理图像、物理思想及物理模型的引入，以优化教学效果[5].基于上述理工科教学现状，为了更快地提升学生的学习兴趣，并牢固其学习内容，本文尝试提出在教学过程中，适当引入相关“课外趣味科研”的内容与平台，结合相关的教学理论知识，让学生亲自动手操作实验，最终实现教学与实践的有效结合，提升学生的学习兴趣，并达到学以致用的教学目的.下面，本文就以“材料物理”专业所学的“原子物理学”中的能级跃迁和“材料分析方法”等课程中的X射线粉末衍射(XRD)及离子掺杂等相关知识为学习目标，结合“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+荧光粉材料的制备和发光性质研究”这一课题，探究大学生课外趣味科研如何对专业知识进行辅助学习.

2“课外兴趣科研”解决的教学问题

根据相关教材的重难点内容，以课外兴趣科研作为辅助手段，重点从概念的理解、高端仪器工作机理的熟知及物理化学理论的学习三个方面，理论联系实践，让学生真实地观察到相应的物理化学现象，弥补课堂上单一抽象讲授模式的缺点，并且提升学生对专业知识的学习兴趣，为未来的科研发展之路奠定一定的基础.下文的探讨也主要围绕此三方面问题进行说明.

3“课外兴趣科研”方案的操作方法

一般而言，严谨的科研实验设计应具有可重复性，但实验操作过程中，由于时间、地点及人为因素使得实验结果可能存在一定偏差或偶然性.因此，为了评价不同学生实验过程及结果的准确性，激发学生对实验偏差进行主动思考的意识，从而进一步使其对相关学习内容产生兴趣，在实际科研课题安排中，可进行分组对比设计.本文涉及的科研课题以一个班30人为例，每6人为一组，共计5组.以组为单位，每组成员协同合作，共同操作实验并得出实验结果，最后将这5组实验数据进行比较，并促使学生重点从以下若干方面进行学习.

4本文“课外兴趣科研”解决问题的效果

以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+荧光粉材料的制备和发光性质研究”这一课题为例，针对相关教学内容，可重点获得下面三方面的学习效果.

4.1相关概念的理解

(1)教学中的问题.在材料学中，为了改善材料性能或使材料产生某些特性，一个有效的手段就是对样品进行掺杂，对“掺杂”概念的理解是学习“材料物理”专业的一个基本要求.“掺杂”书面直观的定义为“在化工、材料等领域中，为了改善某种材料或物质的性能，有目的地在这种材料或基质中掺入少量其它元素或化合物”.然而，若仅局限于教材上的文字叙述，难免过于抽象.因为这个过程具体如何实施，外来物是简单地混入母体材料还是严格地遵照一定的规则？相信学生心中难免存在疑问，若能在教学进行的同时，有目的地设计一些相关对比科研实验来描述这一问题，这对于学生对概念的理解是十分有益的.

(2)解决办法.本项目理论结合实践，亲自使学生接触并操作“掺杂”这一过程，相信学生对此概念的理解会更加深刻牢固.为此，本研究中涉及了Eu3+离子在Ca10Na(PO4)7基质材料中的掺杂.其中，Eu3+离子取代的是Ca2+离子，由于是不等价取代，所以采用Na+离子作为电荷补偿剂，分别以1mol%的Eu3+和1mol%的Na+取代2mol%的Ca2+，最终获得Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+样品，同时制备Ca10Na(PO4)7基质材料以作对比.具体实验过程如下：制备方法采用高温固相法，初始原料为Na2CO3(99%), CaCO3(99%), (NH4)2HPO4(98.5%)及Eu2O3(99.99%)，将原料按化学计量比称量后，在玛瑙研钵中进行研磨使其混合均匀.研磨后的原料用坩埚先在600℃预烧3个小时，随后在还原气氛下(N2:H2= 95 : 5)以1050℃烧结3个小时，冷却后将之取出并研磨成粉末即得最终样品.经过上述系列过程，学生不仅真切地学习了“掺杂”的理论内涵与实践过程，还体会到由自身劳动获得成果后的成就感，从而进一步增加了其对专业知识及科研方面的学习兴趣，并为以后的发展促使养成良好习惯及奠定相关素养基础.

4.2测试仪器的原理学习

(1)教学中的问题.以XRD为例，其理论学习对于材料学专业的学生而言是一个学习重点和难点，尤其是其衍射花样的产生原因和机理较为抽象，若直接依赖教材层面的讲授，可能会导致学生理解不深且没有直观的印象，因此，若能借助相关实践并使其切实地观察到衍射结果，势必会增加学生的学习兴趣和记忆深度.

(2)解决办法.众所周知，布拉格方程2dsinθ=nλ或2dHKLsinθ=λ是晶体产生衍射的必要条件[6]，当λ一定时，d、θ为变量，即具有不同d值的晶面对应着不同θ角，也就是说用波长为λ的X射线照射晶体时，每一个产生衍射的晶面对应着不同的衍射角.为了直观地理解这一点，图1展示了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+样品的XRD图，可见，在不同的衍射角处产生了不同强度的衍射峰，每个衍射峰都有对应的晶面指数.这个结果很好地展示了衍射角和衍射晶面的对应关系，并且直观地观察到了衍射峰的出现.此图中下部显示了该样品的标准PDF卡片(JCPDS # 45-0339)，可见，样品的XRD花样可以和标准卡片的花样相吻合，没有其它杂峰，说明做出的样品为单相.借助上述例子，我们在教学过程中理论结合实践，不仅可以证明XRD理论的实际用途，同时还能直观地印证XRD的相应理论，让学生达到一箭双雕的学习效果.

图1　Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1 Na +样品的XRD图

4.3物理理论的学习

(1)教学中的问题.以“发光”这一现象为例，“原子物理学”相关知识介绍，物质的发光是由电子在能级间跃迁产生的，电子跃迁本质上是组成物质的粒子(原子、离子或分子)中电子的一种能量变化，粒子的外层电子从低能级跃进到高能级的过程中会吸收能量，而从高能级跃进到低能级则会释放能量，其能量为两个能级能量之差的绝对值.对于这一概念本质，虽然理论上的描述较为简单，但将之用于实践来解释相关现象还较为空缺，不能达到学以致用的目的.

(2)解决办法.为了更好地使学生理解能级跃迁现象，并直观地观察到由能级跃迁产生的相应光谱图形，本研究给出了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+材料的激发与发射光谱，这些正好体现了“发光”这一知识点.

图2　(a)Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1 Na +样品的激发光谱，

第一步，发光材料中的能级跃迁可用光谱图直接反映，这大大增加了学生对抽象理论的直观接触.为此，图2(a)展示了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1 Na+样品在611nm监控下的激发光谱，可见，在300～500nm范围内，出现了若干个Eu3+的尖峰激发，最强峰位于393nm，归属于Eu3+的7F0-5L6跃迁[7].由此可见，在近紫外到蓝绿光激发范围内，样品可以被有效激发而发生能级跃迁.为了进一步证实这一点，图2(b)给出了此样品在393nm激发下的发射光谱.可见，在550～725nm的波长范围内，出现了5组发射峰，其中最强峰位于611nm，归属于Eu3+的5D0-7F2跃迁，其它四组较弱的发射峰分别位于579nm、591nm、651nm和698nm.这个结果进一步说明了此样品在近紫外光的激发下可以发生电子跃迁并产生可见光发射.

第二步，将实验观察到的光谱图还原为教材中抽象的能级跃迁图，以辅助学生对这一知识点的转化和理解.于是，图3呈现了图2中Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1 Na+样品激发与发射过程的能级跃迁示意图.在393nm激发下，样品中Eu3+发光中心位于基态7F0能级的电子被激发而跃迁至激发态5L6能级，被激发的电子在此能级上不能长期稳定存在，而会向较低激发态能级发生非辐射弛豫，最终大部分电子弛豫到5D0激发态并发生579nm、591nm、651nm和698nm的能级跃迁，其能量以光子的形式释放出来.由此可见，能级图和实验发光光谱相结合更容易使学生理解电子跃迁的过程和概念.

图3　Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1Na +样品激发

3结论

综上所述，为了提高大学生的学习兴趣，并加深其对相关理论知识的理解，本文提出在学习上理论结合实践，通过大学生课外趣味科研这类课题，较好地对教材中的理论知识加以诠释，并使学生的自主学习能力和实践能力得到进一步提高，最大程度上实现辅助教学的目的.为此，本文以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+荧光粉材料的制备和发光性质研究”这一大学生课题为例，结合原子物理学中能级跃迁及材料学中XRD分析及掺杂这些基础知识，系统地开展了理论和实验的结合学习，并对相关操作流程给予了详细的描述和分析，总体上达到了预期的效果.以上成果可以对相关教师的教学提出一定的思考，并具有较好的参考价值.

参考文献：

[1]祁小四.关于大学物理教学改革的几点浅见[J].大学教育，2015(7):106-107.

[2]王延峰，郑伟，韩冰，孟旭东. 当前大学物理教学改革的几点建议[J].才智，2015(17):193.

[3]张玉广，王庭太，刘生满，葛向红，张明，李林.原子物理学教学改革的初步思考[J].科技世界，2012(12):75-76.

[4]周恒为，夏莉艳.原子物理学教学改革的实践与体会[J].伊犁师范学院学报(自然科学版)，2008(4):54-56.

[5]高政祥. 原子物理学教学改革的几点探索[J].大学物理，2001(20):34-37.

[6]冯端，冯少彤. 晶体的X射线衍射理论——劳厄与埃瓦尔德的遗产[J].物理，2013(32): 434-440.

[7]文小强，王玉香，周健，袁德林，郭春平. 熔盐法合成红色荧光粉CaWO4:Eu3+及其发光性能的研究[J].中国钨业，2014(29): 40-44.

(责任编辑:王海波)

Exploration of Assisted Instruction for Science and Engineering by

Extracurricular Interesting Scientific Research

ZHANG Jia,ZHAI Zhang-yin

(SchoolofPhysicsandElectronicElectricalEngineering,HuaiyinNormalUniversity,

Huai'an，Jiangsu223300,China)

Abstract:Aiming at the problem that some theoretical knowledge is abstract for the relative courses of science and engineering and the students have weak interest to this kind of knowledge.this paper proposes tentatively to combine the theoretical knowledge of textbooks and the relative scientific research experiments based on "extracurricular interesting scientific research".According to the students' intuitive understanding from the operations in experiments,it can develop their interest of studying the corresponding theoretical knowledge,which will increase the depth of understanding to the knowledge points and achieve the aim of making study serve the practical purpose.This paper takes the project "Investigations on preparation and luminescence properties of Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+ phosphors" as an example to interpret systematically how to assist teaching by using the extracurricular scientific research practices and combine the theory and practice effectively on the basis of combination for the energy level transition,ions doping,X-ray power diffraction and so on.All the above results could be valuable reference to improve instruction of the relative courses.

Key words:Assisting teaching；Extracurricular interesting scientific research；Phosphor；Luminescence properties