科研與教學(xué)相結(jié)合在開放性物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用＊

陳曉明

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710119）

1 引言

目前，本科生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)倍受關(guān)注.《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中明確指出要“深化教學(xué)內(nèi)容改革，建立與經(jīng)濟社會發(fā)展相適應(yīng)的課程體系”及“及時更新教學(xué)內(nèi)容，將新知識、新理論和新技術(shù)充實到教學(xué)內(nèi)容中，為學(xué)生提供符合時代需要的課程體系和教學(xué)內(nèi)容”［1］.其中增加帶有探索性質(zhì)的科研創(chuàng)新型實驗項目是大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容［2］.目前，國內(nèi)各高校都在不斷地深化大學(xué)物理實驗教學(xué)改革，積極探討該課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面的轉(zhuǎn)型［3～4］.但是由于受選題、管理模式及其儀器設(shè)備等方面的限制，許多院校科研創(chuàng)新型實驗項目的開設(shè)和實施過程尚存在問題［5］.在這種情況下，充分利用教師的科研資源，將科研中所創(chuàng)造或獲得的新知識、新技術(shù)、新成果及時補充到教學(xué)內(nèi)容中，建立教學(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)模式，不失為提高教學(xué)質(zhì)量的捷徑.近年來，陜西師范大學(xué)出臺多項政策支持和鼓勵本科生進(jìn)入科研實驗室，諸如教務(wù)處資助的大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目、學(xué)生處資助的大學(xué)生勤助科研創(chuàng)新基金、實驗室建設(shè)與管理處資助的大學(xué)生實驗室開放基金等.在學(xué)校政策的支持下，物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院充分利用科研實驗室的資源，圍繞教師的科研項目，在大學(xué)物理開放實驗課程教學(xué)中不斷地探索與實踐，取得了一定成效.本文以固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、性能表征實驗為例，探討科研與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式在開放性物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用.

2 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實驗的選題

與驗證性和演示性實驗為主的大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗不同，開放性物理實驗課程中的科研創(chuàng)新型實驗的選題帶有探索性和綜合性.由于授課對象為物理學(xué)專業(yè)高年級學(xué)生，他們已經(jīng)儲備了較豐富的專業(yè)知識，但是缺乏對知識的綜合運用及整合能力.因此，科研創(chuàng)新型實驗的選題要體現(xiàn)出物理學(xué)科的綜合性和探索性，甚至可以是代表專業(yè)實驗室水平的最新的科研成果.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院凝聚態(tài)物理實驗室的設(shè)備較齊全，依托該實驗室為本科生開展科研創(chuàng)新型實驗創(chuàng)造了必備的實驗條件.固相法制備壓電陶瓷材料及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗，涉及到新知識、新材料和新技術(shù)等物理學(xué)科非常前沿的東西，要綜合運用固體物理、電磁學(xué)、電介質(zhì)物理等多學(xué)科的理論知識.因此，該類實驗非常適合作為科研創(chuàng)新型實驗的選題.該類實驗項目涉及知識面較廣、能夠體現(xiàn)該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢、且注重物理理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合，是開放性物理實驗教學(xué)中較為理想的選題項目.

固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗主要分為兩個階段，第一階段為壓電陶瓷的制備；第二階段為壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征.目標(biāo)試樣的選擇可結(jié)合相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿問題進(jìn)行確定，諸如鈦酸鉍鈉基、鈮酸鉀鈉基環(huán)境友好型的無鉛壓電陶瓷等都可以作為目標(biāo)試樣.壓電陶瓷的制備過程，涉及配料、球磨、煅燒、造粒、壓片、燒結(jié)等多個實驗步驟；壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征過程，涉及晶體結(jié)構(gòu)分析、顯微結(jié)構(gòu)分析、介電性能分析、鐵電性能分析、壓電性能分析、電導(dǎo)性能分析等多個實驗環(huán)節(jié).這些實驗步驟即相互聯(lián)系又相互獨立，學(xué)生可以根據(jù)實驗教學(xué)課時選擇自己感興趣的實驗內(nèi)容和實驗單元.此外，在陶瓷材料的結(jié)構(gòu)表征階段，會涉及到多種分析軟件，諸如用 Origin，Excel，Photoshop等進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理；用X射線分析軟件（如Jade）分析晶體結(jié)構(gòu)等，這些都可以納入實驗教學(xué)內(nèi)容，可以更大程度地拓寬本科生的知識面、積累本科生的科研素質(zhì)，從而有效地提高本科生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.

3 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實驗的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般是學(xué)生預(yù)習(xí)、教師講解、學(xué)生在固定的時間按照教材的內(nèi)容照做實驗.但是，在科研與教學(xué)相結(jié)合模式下，科研創(chuàng)新型實驗項目具有實驗內(nèi)容多、完成實驗所需時間長、涉及實驗儀器多、知識面廣等特點，所以教學(xué)模式更加靈活和開放.固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗可采用開放式研究型教學(xué)模式.

首先，教師組織學(xué)生熟悉和了解實驗儀器，學(xué)生根據(jù)自己的興趣選取實驗單元和實驗內(nèi)容，通過閱讀實驗儀器說明書和相關(guān)背景資料，熟悉自己所選取的實驗單元對應(yīng)的實驗儀器的原理和使用方法；然后，通過檢索和查閱文獻(xiàn)，了解實驗儀器在科學(xué)研究中可以開展的實驗項目；最后，在教師的指導(dǎo)下制定實驗方案，確定具體的實驗步驟，進(jìn)而完成實驗.固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗中涉及到很多儀器，諸如高精度電子天平、球磨機、壓片機、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、噴金儀、高阻儀、阻抗分析儀、壓電常數(shù)測試裝置、電極化裝置、鐵電分析儀等；與之對應(yīng)的實驗單元也頗多.因此，學(xué)生總能找到自己感興趣的實驗內(nèi)容.這種新的教學(xué)模式極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性，教師和學(xué)生在教學(xué)活動中的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，學(xué)生從接受知識變?yōu)樘剿髦R，由被動變?yōu)橹鲃?，成為實驗的主人和教學(xué)的主體.

在此以制備陶瓷試樣最后一個實驗步驟——排膠和燒結(jié)實驗單元為例，具體說明開放性研究型教學(xué)模式的實施.學(xué)生首先了解該實驗單元要用到的實驗儀器——高溫?zé)Y(jié)爐，通過閱讀儀器說明書了解高溫?zé)Y(jié)爐的構(gòu)造、原理及其應(yīng)用.接下來，通過查閱和檢索相關(guān)文獻(xiàn)，了解高溫?zé)Y(jié)在材料制備過程中的作用和目的.這些步驟都由學(xué)生自主完成.壓電陶瓷材料與我們的生活息息相關(guān)，學(xué)生在日常生活中會經(jīng)常用到壓電陶瓷材料，諸如加濕器、打火機、煤氣灶、手機、汽車的安全氣囊等等都會用到壓電陶瓷材料，所以大家對其制作過程非常感興趣.通過文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生了解到排膠和燒結(jié)實驗步驟的目的就是使壓片所得生坯變?yōu)橹旅艿奶沾?，且所得陶瓷試樣的顯微結(jié)構(gòu)與燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、升降溫速率、燒結(jié)氣氛等工藝參量有著密不可分的關(guān)系.接下來，學(xué)生再制定實驗方案，摸索燒結(jié)的工藝參數(shù)，最后制備得到致密的陶瓷試樣.在這個實驗過程中，因為科研實驗室全天開放，學(xué)生可以自主決定實驗時間，如果實驗過程中出現(xiàn)什么問題，可以重新查閱文獻(xiàn)，并與指導(dǎo)教師進(jìn)行探討.因為指導(dǎo)教師具備很好的科研背景和科研經(jīng)驗，對科學(xué)現(xiàn)象具備敏銳的觀察力，能夠及時捕捉異常的實驗現(xiàn)象，所以能完全勝任指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究型的實驗內(nèi)容.該實驗單元中，不僅要進(jìn)行實驗操作，而且要結(jié)合后期的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能表征實驗，弄清楚燒結(jié)參數(shù)對陶瓷電學(xué)性能的影響規(guī)律.選擇不同實驗單元的學(xué)生之間，也可以展開交流討論.該開放性研究型教學(xué)模式，不僅使學(xué)生深刻認(rèn)識結(jié)構(gòu)決定性能、性能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的客觀規(guī)律；在教學(xué)過程中不僅培養(yǎng)了學(xué)生思考和分析問題的能力，使學(xué)生從學(xué)會知識變?yōu)閷W(xué)會學(xué)習(xí)；而且培養(yǎng)了學(xué)生的團結(jié)協(xié)作精神和團隊意識.

這種教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式經(jīng)過一個學(xué)期的運行，學(xué)生普遍反映良好，且成就感很強，教學(xué)效果也很明顯.更有很多同學(xué)完成了固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗的全部實驗單元，并在教師的指導(dǎo)下完成了科技論文的寫作.

4 科研與教學(xué)相結(jié)合下開放性物理實驗的考核方式

在新的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容下，必須有與之相配套的教學(xué)管理和考核方式.由于科研創(chuàng)新型實驗重在研究探索未知的東西，重在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、整合知識的能力和創(chuàng)新能力，因此實驗過程的考核在整個考核中應(yīng)該占較大的比重.固相法制備壓電陶瓷及其結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能表征實驗中，可以從以下4個方面進(jìn)行考核.其一，可以考核學(xué)生操作實驗前對儀器設(shè)備的了解程度；其二，可以考核學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)確定的實驗方案的可行性；其三，可以考核學(xué)生操作實驗過程的完整性；其四，可以考核學(xué)生對實驗結(jié)果的分析、處理及實驗研究報告的撰寫.該考核方式能夠促使學(xué)生不僅要關(guān)注自己的實驗結(jié)果，而且更需關(guān)注實驗過程，在實驗過程中提高學(xué)生的思考能力和整合運用知識的能力，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)造能力.

5 結(jié)束語

錢偉長院士曾說過：“大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻，教學(xué)沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”［6］.筆者認(rèn)為，實現(xiàn)教學(xué)過程科研化，科研過程教學(xué)化，最終形成教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式是實驗教學(xué)改革的趨勢.

1 教高［2007］2號文件.教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見

2 王春潮，徐躍進(jìn)，王平祥.強化實踐，推進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃.實驗室研究與探索，2009，28（6）：7～10

3 宋永臣，楊明軍，劉衛(wèi)國，等.本科生專業(yè)實驗教學(xué)研究探討.實驗室研究與探索，2014，33（2）：161～165

4 田運生，劉維華，王景春.綜合性設(shè)計性實驗項目建設(shè)的探索與實踐.實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：126～129

5 章琳.新建本科院?？茖W(xué)發(fā)展之三大資源問題——以福建省為例.莆田學(xué)院學(xué)報，2010，17（1）：78～81

6 錢偉長著.錢偉長文選.上海：上海大學(xué)出版社，2004