以提升学生创新能力为导向的本科生综合实验优化设置

摘  要：本科生综合性实验设置的宗旨就是通过一系列的验证型实验，让学生有充足的时间去参加实验工作，使自己的综合能力得到全面提升，为将来走向社会或者进一步深造打下坚实的基础。同时，综合实验也是全面提高大学生动手能力及其理论联系实践能力的重要途径。为保证学生能顺利完成综合实验内容，要求学生在实验之前全面了解实验大纲、实验内容、实验方案等，更为重要的是，对实验细节充分熟悉。该文以本科综合实验“可溶液法加工纳米晶太阳电池”为例，通过对该实验进行过程管理优化、引入实验示范视频并配讲解、实验预备课讲解等，纠正学生在实验过程中常见的错误操作，同时引入综合评价体系，提升实验完成的质量，提高学生的综合实践能力。

关键词：实验优化设置；可溶液加工；太阳电池；纳米晶；创新能力

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）12-0084-04

Abstract： The purpose of undergraduate comprehensive experiment setting is to go through a series of verification experiments， so that students get enough time to participate in the experiment work， so that their comprehensive ability to be comprehensively improved， for the future to the society or further study to lay a solid foundation. At the same time， comprehensive experiment is also an important way to comprehensively improve college students' practical ability and their theoretical and practical ability. In order to ensure that students can successfully complete the comprehensive experiment content， students are required to fully understand the experiment outline， experiment content， experiment program and so on before the experiment， and more importantly， to be fully familiar with the details of the experiment. This paper takes the undergraduate comprehensive experiment "processing nanocrystalline solar cells by solution method" as an example. By optimizing the process management of the experiment， introducing experimental demonstration video and explanation， and explaining the experiment preparation class， etc.， the paper corrects the students' common wrong operations in the experiment process， and introduces the comprehensive evaluation system to improve the quality of the experiment and improve the students' comprehensive practical ability.

Keywords： experimental optimization setting; soluble liquid processing; solar cell; nanocrystals; innovation ability

本科生大型綜合实验“可溶液法加工纳米晶太阳电池”是依托国家自然科学基金、广东省自然科学基金，经过多年的科研经验逐渐发展起来的。可溶液法加工纳米晶薄膜电池最早是借鉴了溶液法加工聚合物太阳电池的研究思路，希望发展出一种制备工艺简单、成本低廉、环境友好、性能良好的薄膜电池，为其商业化应用铺平道路[1-6]。课题组十几年前就开展相关的科研工作，已经发展出一系列成熟的溶液法加工纳米晶太阳电池的实验方案、操作规范等。为了将课题组的项目成果引入本科生创新型综合实验，我们对实验方案进行了详细的讨论和修改。将项目部分成果转为本科综合实验，必须考虑几个关键的问题：本科实验室是否具备完成此实验所具备的条件，比如实验器材、时间、实验人员的熟练程度等能否满足实验要求；作为验证性实验，实验的重复性是否足够好，怎样保证良好的重复性；学生完成实验是否有一定的难度，这关系到实验的完成质量，如果过于简单，那么对于提升创新能力就意义不大，如果太难，基本没有人能重复出来，那么又失去了实验应用的意义；通过该实验能否提升学生的科研能力。以上问题是设立本科综合实验时需要认真考虑的。在培养学生的创新能力方面，这种实验教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新意识与实践能力具有某种“特殊作用”，这是其他理论课程教学难以达到的效果[7-10]。综合实验应该能在一定程度上给予学生充分发挥能力的空间，即实验的设置需要有一定的难度，需要学生动脑琢磨怎样能做得更好。“溶液法加工纳米晶太阳电池”这个实验在学校及学院的支持下，从2018年开始被选为本科综合实验项目，至今已经开展了整整4年[10]。在师生的配合下，实验开展得非常顺利，积累了大量的经验，同时也发现了很多问题。其中比较突出的有以下几点：①实验完成度不够高，通过对学生的实验报告、实验数据全面分析，发现实验的完成程度不高，我们通常以器件的效率作为主要判断依据，分为四挡，第一档为效率超过4%为出色完成本实验工作；第二档为效率超过1%低于4%，完成任务；第三挡为效率超过0.2%低于1%，基本达到要求；第四档为效率低于0.1%，没有达到实验设计的要求。统计表明，约30%的学生没有完成实验设定的最低要求，仅有10%左右的学生达到第二档次；60%的学生达到第三档次要求，几乎没有学生能达到第一档次，这也从侧面说明本实验对于刚接触溶液加工制备太阳电池器件的学生是比较难的；②熟练程度比较差，如夹片、划片经常出现掉片的情况，从而造成器件漏电；③实验步骤不够熟练，虽然已经制定了实验大纲及说明，但是学生对于大纲的理解不是很好，造成实验中经常对下一步的工作不熟悉，浪费时间。虽然通过旋涂的方式制膜技术路线已经非常成熟，但是纳米晶的制膜过程中，涉及很多的化学处理过程，与聚合物或者其他薄膜电池的制备过程有明显区别，如果不熟悉这些过程，就不能顺利完成实验。针对以上实验过程中出现的问题，经过总结和讨论，提出了以下几点改进措施，希望提升实验的质量。

一  录制示范性实验视频并配讲解

虽然已经编写了教学大纲和讲义，也要求学生在实验前进行充分的预习并完成预习报告，但是效果比较差。究其原因，在于很多学生根本没有接触过溶液法加工技术，同时对于纳米晶薄膜的制备特点完全不了解，即使在实验前现场讲解（由于时间所限，通常也只有十几分钟），但效果不理想。为了加深学生对于本实验各个实验环节的熟悉程度，让实验员找来已经在课题组开展过科研工作、对纳米晶电池制备非常熟悉的学生，录制视频并加以编辑。在综合实验开展前的两周，把视频发给学生自行观看，加深其对溶液法加工纳米晶太阳电池的感性认识。在实验过程中，一些实验的细节操作直接决定了器件制备的成败，因此对这些部分花更多的时间来讲解。通过预先观看视频，很多学生表示对本实验有了一个比较直观的了解，很多之前比较抽象的东西变得更加清晰，正所谓百闻不如一见。值得注意的是，在视频讲解中还特别对每一实验步骤的目的和意义进行了详细讲解。通过这些讲解让学生深刻了解各个实验步骤在制备高质量纳米晶太阳电池中的作用。

二  加强现场示范教学

经过總结几年来的经验，我们清楚地认识到，学生实验完成质量差的主要原因是平时参与类似的实验工作比较少，动手能力比较差，尤其是在器件制备方面了解、参与极少，在开展实验的时候往往不知所措。为了加强学生在器件制备方面的操作能力，特意在学生自行开展实验前进行一次大约十多分钟的示范性教学。结合现场讲解及亲自上手实验，对学生在操作中出现的问题，给予必要纠正。这一过程对于前面的视频教学是一个非常必要的补充，保证了学生从理论到实践的过渡。值得注意的是，这种示范性教学不能花太多的时间，否则就会耽误学生的实验时间。在随后的教学问卷中，很多学生也表示，这种示范性的现场教学，让其能很快融入到本实验中，对实验的各个步骤更加清晰，提高了实验的质量。

三  加强实验前的操作训练

虽然视频观看、现场示范能一定程度上提升学生的动手能力，但如果不进行实验前的试操作，很多学生在实验的时候依然不知所措，对照着实验大纲进行实验，而不是仪器操作，当然是做不好实验的。如图1所示，溶液法加工纳米晶太阳电池器件的制备大致上分为几个步骤：窗口层（通常为ZnO）制备；纳米晶受体层（CdSe）和给体层（CdTe）的制备；电极蒸镀。在制备纳米晶给受体过程中，通常采用的是多层旋涂、层层烧结的工艺，这一过程中就要多次夹片、刮片（漏出电极）及清洗基片，在这一过程中，如果操作不熟练，就会造成薄膜质量过差而没有效率的情况。针对实验过程中最常见的错误，如夹导电玻璃片，如果不能正常操作，在实验过程中玻璃片跌落地上或者其他地方，就会破坏薄膜，导致漏电而没有性能；还有划片，在制多层膜的过程中，需要快速处理基片（包括清洗和刮片），太慢就造成化学处理得不充分，性能低下。

四  实验运行成绩评价优化

本着培养“创新、创业、创造”性人才的理念，对实验质量的评价原则上要“重结果，轻过程”。作为综合性实验，就是鼓励能发挥主观能动性，多动脑筋，从全局上思考如何把实验做好。最能反映学生综合能力的就是所制备的器件性能表现，如果性能优良，学生的实践能力是比较强，这已经被多年来的实验所证实。为了全面评估学生的实验工作，基于实际情况，我们对原来的评估体系进行了如下的优化：学生的综合实验成绩由平时成绩（20%）、实验报告成绩（20%）、器件性能（60%）三部分组成，平时成绩主要根据学生在实验前的态度、实验过程中的态度、操作熟练度及预习报告等打分；实验报告的成绩主要从规范性、报告的流畅性及问题的分析合理性等方面打分。根据几年来的实验结果，学生器件的性能进行如下划分：优秀，器件效率超过4%，满分60分；良好，器件效率在1%～4%，40～59分；合格，器件效率0.1%～1%，30～35分；不合格，器件效率低于0.1%以下，0～29分。通过优化成绩评定策略，能够比较准确反映学生在整个实验过程中的表现。

五  实验优化策略实施效果

经过对本综合实验进行优化，我们对随后进行的一次完整的综合实验进行了总结。对参与实验的学生做了专门调研，总体上得到了比较积极的反馈。①在“这次实验的优化是否加深学生对于本实验的了解”的回答中，95%的学生回答“是”，只有5%的学生选择“一般”或者“不确定”。②在“录制示范性视频是否对实验有促进作用”回答中，92%以上的学生选择“有，作用很大”，只有约8%的学生选择“不确定或者没有作用”。③在“线下示范实验是否有助于学生融入实验”方面，所有学生都选择了“有”。④图2总结了实验方案优化前后学生器件制备的性能情况，其中为了方便比较，将两届学生的人数都选为44人，多余的部分略去。从实验结果来看，在优化方案实施以后，大多数学生制备的器件效率在1%以上，比例达到60%以上，而之前仅有约10%左右的学生能够达到这一水平；仅有约2%的学生器件效率低于0.1%，而未实施优化方案之前，大部分学生的器件效率小于1%，甚至有的学生器件效率几乎没有，比例达到20%。总体上来看，在实施新的改进措施以后，明显比之前要好得多。这也体现在实验过程中，学生的操作熟练程度有了一定程度的提高，表现在很多学生在实验过程中，很多学生对实验过程中一些基本的操作规范比较熟悉，基本上不需要老师的指导就可以独立完成实验。而方案实施前，很多学生在实验过程中非常茫然，不知所措，大大影响了实验进度，从而也使其器件性能普遍低下，没有达到综合实验的预期。⑤在综合实验对于学生今后的科研规划方面，90%以上的学生都给出了肯定的答案，普遍认为本专业实行的“本科系列综合实验”对于其今后进一步深造有很好的锻炼价值。总而言之，本综合实验的优化设置，在一定程度上保证了学生对于科研的热情，培养了勇于探索的精神，明显提升了学生的综合素质。很多学生在参加完综合实验后，为其即将进行的毕业设计打下良好的基础。对于能力非常突出的积极分子，结合课题组的科研情况，为其制定一些力所能及的创新性课题。每年均有一些优秀的学生在科研方面取得了一些重要的进展，获得国家大学生创新基金的支持，并发表了一些高水平SCI论文，并申请了发明专利，学生在随后的课外科研竞赛中也取得了优良的成绩。

六  不足之处

经过几年的摸索，对实验设计进行了多次优化。如上所述，综合实验的第一部分就是溶液法加工纳米晶光活层，这一部分耗时最长，也是最考验学生动手、动脑、协作等能力的重要一环。前期开展的实验，由于经验不足，往往浪费很多的时间和精力，根据实验反馈的问题，进行了必要的改进。首先，将实验分为上午和下午各三个小时，上午和下午的实验内容明确化；其次，人员进行优化组合，每一个小组配备一个有一定科研经验的学生，起到“帮传带”的作用；最后，实验员细化材料的配置、器件的放置及实验进度的提醒等。必须指出的是，虽然实验设计进行多项优化，仍然有一部分学生对于实验重视程度不够高，带着一种完成实验过程，获得相应学分的姿态去进行实验，积极性比较差，完全背离综合实验的要求。可以在今后的工作中，引入一些硬性的考核指标，如要求实验报告总分低于60的学生必须重修本门课程。当然，本综合实验的开展仍然不断进行修正，以找到最优化的方案，为培养高素质人才服务。

七  结束语

该综合实验经过几年不断探索与完善，在学校办学宗旨指导下，在学校教学实践部门的大力支持下，本课题组建立了完善的综合实验内容、实验方案、实验评估体系等，设立了完善的综合实验配套管理体系，形成了良好的实验管理制度。学生结合光伏太阳能电池器件这门选修课程，在指导老师以及实验员的帮助下，独立完成可溶液法加工太阳能电池器件的制备与测试，学会了团队合作，增強了自主操作能力，对于光电领域的科研有了一定的认识。这对于培养具有高综合素质的光电人才有着十分重要的意义，同时通过参与本实验，为进一步的科学研究打下了坚实的基础。目前该综合实验的实施得到师生的广泛欢迎，学生的参与热情度很高。本着培养“德”“智”“体”兼备的高素质人才，学院、学校从推出系列本科综合实验项目开始，就一直对本项目的实施增加投入，保证了项目的顺利进行。实践表明，经过本综合实验的熏陶，很多学生走上了科研创新之路，在随后的科研实践中，取得了非常显著的成果，其中以本科生为第一作者发表的SCI论文有多篇[11-15]，引起了学校的高度重视。

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基金项目：2021年华南理工大学教学基金“全溶液加工纳米晶给受体光伏器件”（C9212240）

第一作者简介：覃东欢（1974-），男，壮族，广西贵港人，博士，副教授。研究方向为半导体纳米晶光电应用。