科研與教學相結合在開放性物理實驗教學中的應用＊

陳曉明

（陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119）

1 引言

目前，本科生實踐能力和創新能力的培養倍受關注.《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》中明確指出要“深化教學內容改革，建立與經濟社會發展相適應的課程體系”及“及時更新教學內容，將新知識、新理論和新技術充實到教學內容中，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容”［1］.其中增加帶有探索性質的科研創新型實驗項目是大學物理實驗教學改革的重要內容［2］.目前，國內各高校都在不斷地深化大學物理實驗教學改革，積極探討該課程的教學模式、教學內容和教學方法等方面的轉型［3～4］.但是由于受選題、管理模式及其儀器設備等方面的限制，許多院校科研創新型實驗項目的開設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，將科研中所創造或獲得的新知識、新技術、新成果及時補充到教學內容中，建立教學和科研相結合的教學模式，不失為提高教學質量的捷徑.近年來，陜西師范大學出臺多項政策支持和鼓勵本科生進入科研實驗室，諸如教務處資助的大學生創新性實驗計劃項目、學生處資助的大學生勤助科研創新基金、實驗室建設與管理處資助的大學生實驗室開放基金等.在學校政策的支持下，物理學與信息技術學院充分利用科研實驗室的資源，圍繞教師的科研項目，在大學物理開放實驗課程教學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構、性能表征實驗為例，探討科研與教學相結合的教學模式在開放性物理實驗教學中的應用.

2 科研與教學相結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物理基礎實驗不同，開放性物理實驗課程中的科研創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專業高年級學生，他們已經儲備了較豐富的專業知識，但是缺乏對知識的綜合運用及整合能力.因此，科研創新型實驗的選題要體現出物理學科的綜合性和探索性，甚至可以是代表專業實驗室水平的最新的科研成果.陜西師范大學物理學與信息技術學院凝聚態物理實驗室的設備較齊全，依托該實驗室為本科生開展科研創新型實驗創造了必備的實驗條件.固相法制備壓電陶瓷材料及其結構、電學性能表征實驗，涉及到新知識、新材料和新技術等物理學科非常前沿的東西，要綜合運用固體物理、電磁學、電介質物理等多學科的理論知識.因此，該類實驗非常適合作為科研創新型實驗的選題.該類實驗項目涉及知識面較廣、能夠體現該學科領域的發展趨勢、且注重物理理論知識和實際應用相結合，是開放性物理實驗教學中較為理想的選題項目.

固相法制備壓電陶瓷及其結構、電學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構及電學性能表征.目標試樣的選擇可結合相關研究領域的前沿問題進行確定，諸如鈦酸鉍鈉基、鈮酸鉀鈉基環境友好型的無鉛壓電陶瓷等都可以作為目標試樣.壓電陶瓷的制備過程，涉及配料、球磨、煅燒、造粒、壓片、燒結等多個實驗步驟；壓電陶瓷的結構及電學性能表征過程，涉及晶體結構分析、顯微結構分析、介電性能分析、鐵電性能分析、壓電性能分析、電導性能分析等多個實驗環節.這些實驗步驟即相互聯系又相互獨立，學生可以根據實驗教學課時選擇自己感興趣的實驗內容和實驗單元.此外，在陶瓷材料的結構表征階段，會涉及到多種分析軟件，諸如用 Origin，Excel，Photoshop等進行實驗數據的處理；用X射線分析軟件（如Jade）分析晶體結構等，這些都可以納入實驗教學內容，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，從而有效地提高本科生的創新思維和創新能力.

3 科研與教學相結合下開放性物理實驗的教學模式

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

首先，教師組織學生熟悉和了解實驗儀器，學生根據自己的興趣選取實驗單元和實驗內容，通過閱讀實驗儀器說明書和相關背景資料，熟悉自己所選取的實驗單元對應的實驗儀器的原理和使用方法；然后，通過檢索和查閱文獻，了解實驗儀器在科學研究中可以開展的實驗項目；最后，在教師的指導下制定實驗方案，確定具體的實驗步驟，進而完成實驗.固相法制備壓電陶瓷及其結構、電學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、壓電常數測試裝置、電極化裝置、鐵電分析儀等；與之對應的實驗單元也頗多.因此，學生總能找到自己感興趣的實驗內容.這種新的教學模式極大地調動了學生的積極性，教師和學生在教學活動中的角色發生了轉變，學生從接受知識變為探索知識，由被動變為主動，成為實驗的主人和教學的主體.

在此以制備陶瓷試樣最后一個實驗步驟——排膠和燒結實驗單元為例，具體說明開放性研究型教學模式的實施.學生首先了解該實驗單元要用到的實驗儀器——高溫燒結爐，通過閱讀儀器說明書了解高溫燒結爐的構造、原理及其應用.接下來，通過查閱和檢索相關文獻，了解高溫燒結在材料制備過程中的作用和目的.這些步驟都由學生自主完成.壓電陶瓷材料與我們的生活息息相關，學生在日常生活中會經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.通過文獻閱讀，學生了解到排膠和燒結實驗步驟的目的就是使壓片所得生坯變為致密的陶瓷，且所得陶瓷試樣的顯微結構與燒結溫度、燒結時間、升降溫速率、燒結氣氛等工藝參量有著密不可分的關系.接下來，學生再制定實驗方案，摸索燒結的工藝參數，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，學生可以自主決定實驗時間，如果實驗過程中出現什么問題，可以重新查閱文獻，并與指導教師進行探討.因為指導教師具備很好的科研背景和科研經驗，對科學現象具備敏銳的觀察力，能夠及時捕捉異常的實驗現象，所以能完全勝任指導學生進行研究型的實驗內容.該實驗單元中，不僅要進行實驗操作，而且要結合后期的結構及電學性能表征實驗，弄清楚燒結參數對陶瓷電學性能的影響規律.選擇不同實驗單元的學生之間，也可以展開交流討論.該開放性研究型教學模式，不僅使學生深刻認識結構決定性能、性能體現結構的客觀規律；在教學過程中不僅培養了學生思考和分析問題的能力，使學生從學會知識變為學會學習；而且培養了學生的團結協作精神和團隊意識.

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

4 科研與教學相結合下開放性物理實驗的考核方式

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

5 結束語

錢偉長院士曾說過：“大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”［6］.筆者認為，實現教學過程科研化，科研過程教學化，最終形成教學與科研相結合的教學模式是實驗教學改革的趨勢.

1 教高［2007］2號文件.教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見

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

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

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

5 章琳.新建本科院校科學發展之三大資源問題——以福建省為例.莆田學院學報，2010，17（1）：78～81

6 錢偉長著.錢偉長文選.上海：上海大學出版社，2004