实验教学与科研创新相结合的探索与实践

蒋玉荣，边长贤，黄 静，胡晓锋，秦瑞平

（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；3.河南省新乡市第五职业中专，河南 新乡 453007）

随着社会的进步和教育的发展，高度重视并深化创新人才培养模式是建设创新型国家、服务社会经济发展的需要。面对社会的需要，建立新形势下的课程体系，构建一种有助于学生积极主动参与并善于探索的教学模式，是担负人才培养重任的高等学校不可回避的责任[1]。物理实验课程在培养学生动手能力、研究意识、创新思维与科研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、提高型实验和研究型实验等[2－4]。

大学物理实验是物理学和其他自然科学的基础，是高等院校理工科最基本的实验课程，是学生在高校接受系统实验技能训练的开端，它反映了理科、工科、医学科科学实验的共性和普遍性的问题，在培养学生的综合素质如创新能力、严谨的科学思维以及理论联系实际方面有着重要的作用，所以大学物理实验课程的重要性日益凸显。许多实验项目与当今飞速发展的前沿科学新理论、新技术严重脱节，实验教学存在很多问题。

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越来越好，建设了一些重点实验室、开放性实验室、科研课题组等平台，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大多数只是使用于科学研究或研究生培养方面，而在本科生教学上应用较少，甚至和本科教学脱钩，因此没有充分发挥大型仪器潜在的价值。探索教学与科研创新相结合，一方面可以充分实现大型科研仪器设备潜在的价值，另一方面可以将科学研究工作中的创新思维、创新技术等与本科生实验教学结合起来，，这将是一个非常有意义的课题[5，6]。

本文分析了目前大学物理实验课程教学中存在的问题，针对科研创新与实验教学相结合方面进行了一些探索与实践分析，一些科研成果转化为具体的实验内容，这无疑是一个非常有意义的课题。笔者在这方面进行了一些探索与实践，将近将高温扩散炉、真空镀膜系统、激光切割机及太阳能电池综合性能测试系统等大型科研仪器引入大学物理实验教学，结合具体的科研课题，如硅纳米线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实验教学平台，让学生在本科学习阶段能较早地开展带有创新研究性质的实验活动，更多地接触科研创新工作，很大程度上提高了学生的工作实践能力和创新思维素养。

1 大学物理实践教学中存在的主要问题

许多实验项目与当今飞速发展的前沿科学新理论、新技术严重脱节，实验教学存在很多问题，主要表现在三个方面：

（1）实验项目陈旧，实验教学没有特色

由于经费及师资力量限制等原因，大学物理设立的实验项目陈旧，较少涉入新增项目和创新性项目，目前所开出的实验项目中验证性实验项目比例较高，设计性、综合性和创新研究性实验例过低，甚至有些实验项目与中学物理实验相比在实践创新上没有体现深化和提高[7]；大学物理实验基本上都是按照使用多年的教学程序：学一预习、老师理论讲解及演示、学生自己操作获取数据、撰写报告。这种程式化的教学过程在知识的传授和接收上效果较好，但不利于学生创新思维和能力的培养；另外，部分实验设备陈旧老化，开出的实验项目普遍台套数不够，人才培养方案规定的部分选修实验项目由于缺少仪器设备无法开出。针对以上情况，将科研中的大型仪器适当引用到教学上将是一个很好的资源利用，并且将提高学生的动手能力和学习激情，提高创新能力。

（2）实验学时少，不能给学生留充分的独立思考时间

在有限的实验课课堂上，老师要对实验原理和实验步骤进行讲解以及示范实验操作过程，留给学生自己真正动手操作仪器获取实验数据的时间很少，造成在实验过程中遇到问题没有足够的时间去独立思考和分析解决问题，结果学生独立思考、分析解决问题的能力得不到加强和提高，更谈不上创新思维和创新能力。

（3）学生对大学物理实验缺乏学习积极性

学生对大学物理实验的重要性认识不足，学习明显缺乏积极性。这种情况一方面与实验教学方式和实验教学体系有关，另一方面也与目前社会大环境有关。由于目前大学生就业形势严峻，学生从入学开始往往就会根据当前就业形势选择热点方向或科目学习。常规大学物理实验得不到学生的重视，甚至部分学生对此应付了事，在实验课上草草完成规定数据或拼凑数据，甚至互相抄袭。因此如何调动学生的实验积极性将是大学物理实验教学改革的重要课题。

总之，传统的实验教学过分强调教师的中心地位，学生的主动性、探索性受到一定限制，不利于创新能力的培养。针对以上存在的问题，我们提出将科研创新引入到实验教学中，结合科研进展不断更新完善实验教学内容，使实验教学与科研创新相结合，使其更具有前瞻性和可持续发展性。构建教学科研互动基地，使其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，让学生在本科基础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，提高工作能力和科学素养。

2 实验教学与科研创新相结合的培养

（1）大型仪器相关的实验内容

大型仪器是根据物理现象和物理特性将一些元器件组装在一起具有特殊功能的设备，通过给学生讲解大型仪器的基本结构、工作原理和应用领域，能够使学生将基础理论知识和实际应用密切联系起来，加深对理论理解和吸收。然后对学生培训大型仪器的操作使用方法和常规的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高温扩散炉、真空镀膜系统、激光切割机及太阳能电池性能综合测试系统（见图1）和太阳能电池光谱响应测试系统（见图2）等大型仪器，对物理学上的光、热、电、磁等现象在实际中的应用进行详解和说明，并且和科学研究相结合进行了一些探讨和实践。如太阳能综合测试系统中，其中包括：光电池室；信号采集系统；锁相放大器；太阳模拟器；单色光栅仪；伏安特性测试系统等。对于锁相放大器，面向电子专业的学生，向学生介绍锁器放大器的工作原理，让学生了解锁相放大器的基本构成及使用范围；对于单色仪，结合大学实物实验教学中的分光仪的调整及棱镜折射率的测定实验，向学生介绍该分光原理及使用方法，在该套系统中所起到作用。

图1 太阳能性能综合测试系统

图2 太阳能光谱响应测试系统

（2）将一些科学研究课题与物理实验相结合

在对大型仪器的原理和基本结构讲解的基础上，让学生实际动手操作仪器，并且结合具体的研究课题，让学生做一些关于太阳能样品的制备、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，培养了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：半导体材料的性质和应用；半导体物理与元器件的理论知识；太阳能光谱知识的了解和学习；了解太阳能的利用领域；太阳能电池的分类、基本构成和工作原理；太阳电池的制备工艺介绍，介绍相关课题最新的研究内容与进展等。在实验基本技能方面，我们让学生了解并参与硅太阳能电池的制备、铜铟镓硒化合物半导体薄膜材料的制备，在整个过程中，具体的实验内容包括硅片的标准清洗、高温掺杂、蒸镀电极等工艺，性能测试及数据处理分析等，例如对于伏安特性测试系统，结合大学物理实验教学中的电路元件伏安特性研究实验教学环节，将具有光伏效应的硅PN样品在AM1.5个太阳光照强度情况下的IV特性曲线如图3所示，根据测试数据，向学生讲解光伏原理，开路电压、短路电流的测试条件，串联电阻及并联电阻的测试和计算方法以及影响电池转换效率的因素及解决办法，让学生带着问题去思考和实验操作，相应提高了学生动手能力和积极性。

图3 阳能电池的IV曲线图

（3）构建教学科研互动基地

在实验教学过程中，可以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。对于部分对科学研究感兴趣的学生，在老师的指导和学生自身做了比较充分调研的前提下，鼓励学生提出一些可行性研究课题，开展一些具有创新性的研究型实验。由于大型仪器较贵重，需专门培训上岗，让本科生参与仪器的使用培训和管理中来。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创新意识。目前我们所开展的一些创新实验教学，教学对象主要是物理学院大二以上的学生，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，具有了一定的理论知识；另一方面引导大二以上的学生找到专业的定位，对于学生科研素养的培养和动手能力的提高，对于将来的就业和择业，具有很大的帮助。随着实验教学和科研创新相结合的实践，将科研内容不断充实到实验教学中，建立教学科研互动基地，将目前实验室的研究生科研工作、本科生毕业设计等与各层次的实验教学衔接起来，让更多的学生直接参与教师的科研工作实践，使教学与科学技术的发展紧密结合，教学内容不断获得更新和提高。并以此为纽带，将教学与科研互动基地面向全校的本科生开放，作为一门选修课程，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。

3 结 论

经过前期的一些实验教学与科研创新相结合的教学效果，在以下几方面取得了一些积极的效果：拓宽和延深了本科生的知识面，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；高度激发了本科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；使一些价格昂贵、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；为学生提供更多的接受新事物、解决实际问题、动手实践和思考新问题的机会。因此，我们认为实验教学与科研创新相结合是一个很好的课题。

[1]Gupta Sanjeev，Martin Verhoeven.The efficiency of government expenditure experiences from africa[J].Journal of Policy Modeling，2001（23）：433－467.

[2]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）：46－47.

[3]陆慧，阴其俊，钱水兔.实验教学与科研相结合的探索与实践[J].大学物理，2008，27（8）：48－51.

[4]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）：69－72.

[5]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.

[6]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.

[7]金桂，姚敏，蒋纯志.工科大学物理的教学改革与实践[J].湘南学院学报，2010，31（2）：28－31.