利用新材料的制備與特性測試方法構建創新型物理實驗教學體系

李小云，董文鈞，崔 燦，李培剛，張曉波，史建君

(浙江理工大學 物理系，浙江 杭州 310018)

創新實驗的實施原則是興趣驅動、自主實驗、重在過程，強調實驗過程中學生在創新思維和創新實踐方面的收獲。在過去的教學中，學生很渴望了解社會發展的新動向，而且也有不少學生覺得大學物理實驗與現在的高科技前沿相差甚遠。這就給我們從事大學物理實驗課程教學的教師提出了新的挑戰，需要我們重新思考如何提高學生的學習興趣，實施創新實驗教學，將新技術融入到實驗教學中來[1-4]。

新材料作為戰略性新興產業的一個重要組成部分，根據“十二五”規劃，到2015年，我國將建立起具備一定自主創新能力、規模較大、產業配套齊全的新材料產業體系。新材料產業的發展，需要更多具有相關專業知識的專業型和復合型的人才，而且，新材料的發明、發展及應用過程本身就是一個最好的創新過程。因此把新材料，特別是納米材料的制備與特性測試融入創新性物理實驗中，使之與物理實驗教學相結合，通過實驗過程使學生充分了解新材料、新科技的物理工作原理和應用潛力，引發學生的好奇心，提高學生動手做實驗的樂趣，并對物理在新材料前沿領域中的重要性有深入探究的意愿，形成創新教育的氛圍，這是很有必要的。本文從新材料的制備與特性測試方法融入創新型物理實驗的教學模式、創新實驗教學新體系的具體內容以及實踐效果等幾個方面對此進行了闡述。

1 新材料的制備與特性測試方法融入創新型物理實驗的教學模式

以“興趣激發、自主探究、自主設計、創新實踐”為思路，以“啟發式、探究式、討論式、參與式”以及 “內容層次化、實驗自主化、培養個性化、時間自由化”為模式，把新材料物理特性測試方法融入到創新型物理實驗教學中來，從而為學生營造獨立思考、自由探索、勇于創新的新環境[5]。創新體系如圖1所示。

第一層次為演示探索實驗。這些實驗裝置簡單、主題突出、效果直觀、生動形象，還具有很強的啟發性、時代性和趣味性，在幫助學生理解和掌握相關物理概念、提高學生學習積極性和激發學生學習興趣方面起到重要作用。

第二層次為新材料特性測試實驗。依托物理系的光電材料與器件中心進行新材料的制備，并運用物理實驗知識和技術對材料的特性進行表征。通過實驗讓學生了解物理科學在新興尖端科技中不可缺少的重要性，在獲取扎實的物理實驗技能的同時開闊了視野，進而激發深入探究的高度意愿。

第三層次為新材料設計實驗。透過親自動手制作尖端科技材料或器件，親自驗證其自制器件的可用性，通過實驗過程充分了解新材料的物理工作原理和應用潛力，使得參與者獲取具體且扎實的學習成效。

第四層次為研究創造性實驗。包括對新理論的研究、實驗方法和技術的改進，以及新材料的應用。此類實驗大部分來自教師科研工作中有待于探討的問題，一般通過創新性實驗計劃、新苗人才計劃、科研訓練計劃、創新大賽等形式進行，目的是培養學生的科研興趣和創新能力[6-13]。

2 創新實驗教學新體系的具體內容

第一層次演示探索實驗。我們開設了“記憶合金”(如圖2的金屬花的“光合作用”、圖3的記憶合金水車)、“手觸電池”、“變色珠子”、“絕緣體變導體”、“溫差電磁鐵”、“壓電效應”、“半導體凈化器”等集演示與探究為一體的自主探究性實驗。學生自己動手去觸摸這些有趣的、真實互動的現象，極大增強了學習的興趣，喚起了好奇心。同時利用多媒體導學系統，以圖片和文字相結合的方式展示這些現象背后的歷史故事、緣由發展和在日常生活或國防科技領域的實際應用等內容。目的是開闊學生眼界，激發學生學習物理的興趣，催生學生科學探索的動力。

圖2 金屬花的“光合作用”

圖3 記憶合金水車

第二層次新材料特性測試實驗。我們開設了“納米復合紡織材料制備與性能測試” 、“高溫超導薄膜的制備與性能測試”、“光電功能薄膜的制備與特性分析”、“鈣鈦礦納米材料的制備及電學性能的研究”等實驗。此類實驗由于材料的制備過程時間長，實驗比較復雜，制備設備只有1～2套，其制作過程讓部分學生參與，但制作實驗流程的每一步驟均以數碼照片和錄像存于電子化教材內。實驗教學更側重于實驗技術與方法的學習，比如：利用光譜儀對納米復合紡織材料的透光性進行測試，通過實驗使學生掌握光譜儀的結構原理、使用方法，包括光路的搭建以及軟件的使用等；利用萬能電橋、讀數顯微鏡，電極來測試織物介電常數，通過實驗使學生掌握萬能電橋、讀數顯微鏡的測量原理以及織物介電常數的測量方法。“高溫超導薄膜的制備與性能測試”中，學習用V-I四引線法，測量電阻-溫度的關系，確定超導材料的轉變溫度。在“鈣鈦礦納米材料的制備及電學性能的研究”實驗中，用居里溫度測試儀測量自制材料的居里溫度，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察制備的薄膜的表面特征，通過實驗，學習這些設備的工作原理和方法。為了研究BaTiO3的電學性能，制作了 Pt/ BaTiO3/Ti結構的電容器器件，如圖4所示。在室溫下測量所制備樣品的電壓電容(C-V)曲線，利用鋸工塔電路測量Pt/BaTiO3/Ti器件得到電滯回線，如圖5(a)、(b)所示[14-15]。實驗中所用的這些儀器目前國內都有生產，價格相對于國外進口儀器比較低，已經成為材料、物理、化學等實驗室中常見的設備，近年來實驗中心對這些儀器進行了配置，在教學實驗中取得了良好的應用效果。基礎知識與應用技術相結合, 不但豐富了實驗內容、拓寬了知識面，也有助于提高學生的科研興趣。

圖4 電學性能測試的裝置器件圖

圖5 (a)Pt/BaTiO3/Ti器件的C-V曲線, (b) BaTiO3的電滯回線

第三層次綜合設計型實驗。精選一些新材料進行簡易的DIY制備與性能測試。此類實驗的設計原則是：在普物教學實驗室內即可完成；所選用的實驗藥品、器材和實驗過程中所產生的中間物或產物均無環境污染，且不具危險性；不需使用昂貴或高精密儀器設備與器材；所使用的藥品和實驗耗材以物美價廉為原則，且易于購得。我們精選的實驗有 “電流變液的制備與測試”、“太陽能電池的制備與測試”、“量子點的制備與測試”等。電流變液是固體微顆粒在基液中組成的懸浮液，在外加電場作用下它們的結構和性能表現出獨有的特征，可在瞬間由液態轉變成固態，其黏度陡然增大以至失去流動性。當外場撤除后材料迅速恢復到原來的狀態。這種轉換是無級可逆、可控的，響應時間僅為毫秒級，轉換所需能耗很低，因而電流變液在液壓系統、減振裝置、印刷、光學以及機電一體化等領域顯示出巨大的應用前景。在實驗過程中，學生自主設計新型電流變液材料制備的簡易流程，設計實驗對電流變液材料的粘滯系數、介電常數、電壓屈服特性、楊氏模量等進行測量。在“太陽能電池的制備與測試實驗”中，學生通過組裝一種簡易的量子點太陽能電池(如圖6所示)，利用光電轉換效率測試儀檢測太陽能電池的光電流效率，利用半導體測量系統檢測太陽能電池的電流-電壓變化曲線，了解太陽能電池的材料性質、太陽能電池的結構和工作原理，以及在太陽能電池研究中使用的基本檢測方法。從近年的教學情況看，本實驗的實施效果良好，學生普遍對太陽能電池有較濃厚的興趣[16-19]。

第四層次研究探索實驗。在二、三層次實驗基礎上，積極鼓勵、引導對以上領域的研究有興趣的學生進入創新實踐教學平臺，直接面對科學前沿，教會學生在科學研究的實踐中學習，進行科學研究訓練。此類實驗主要是以科技立項和課外科技競賽的形式開展，具體形式有創新性實驗計劃、新苗人才計劃等科研訓練以及課外科技競賽，如“挑戰杯”、 “創業計劃大賽”等大學生課外科技活動。其中 “量子點染料共敏化二氧化鈦太陽能電池”、“CdS量子點敏化ZnO納米柱陣列太陽能電池的研究”、“納米纖維生物支架材料的制備與應用”、“便攜式光催化水處理車”等項目就獲得2013年浙江省大學生科技創新計劃(新苗計劃)的立項資助；“SiC/TiO2結構與功能仿生型納米骨骼材料的制備與應用”獲2013年浙江省大學生挑戰杯科技競賽特等獎。為了完成各類競賽和科研題目，每個本科生都在課堂教學內容的基礎上，自學了大量的課堂教學沒有涉及到的內容，并靈活運用。經過此環節的訓練，學生的理論水平及實踐創新能力均得到較大的提高，并初步形成了良好的學習和研究習慣。

圖6 制備TiO2太陽能電池的實物流程圖

3 實踐效果

新材料制備及物理特性測試方法融入創新型物理實驗以來，學生反響熱烈，認為課程與當今科學發展關聯度高，激發了他們的學習興趣與創造性思維，學會了研究、分析、解決問題的方法和思路。經過近年來的實踐，這一舉措已獲得了明顯的成效。在系列納米材料的制備與特性測試實驗的引導下，3年來，學生課外科技立項就有50余項，其中省級以上“大學生創新性實驗項目”有30多項，獲省部級及以上學科競賽獎勵20多項，公開發表論文20余篇，獲專利10多項。從應用物理專業畢業生看，學生的動手能力和思考能力受到了社會各界的廣泛好評，物理系近年來每年都有近10%的學生考入中國科學院研究所深造，2011年更是創造了同寢室4人一起考上中科院的佳話，2013屆物理本科畢業生共37人，其中11人考取中科院8個研究所，被戲稱為“中科班”；物理專業學生的就業率每年都在90%以上，名列全校各專業前列。

4 結束語

利用新材料的制備與特性測試方法構建創新型物理實驗教學體系，使物理實驗與當前的科學研究前沿及科技發展相聯系，增加實用性和針對性，消除了學生對科研領域的疏離感，排除跨領域學習的障礙，增強了學生自主學習、主動實踐和研究探索的積極性。把科學研究的成果融入實驗課教學，用全開放的研究性實驗充實傳統的物理實驗教學，擴大了綜合性、設計和研究性實驗選題范圍和內容，為本科生提供了從事創新實踐的舞臺，同時也探索出了一種培養創新人才的實驗教學新模式。

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