以大學生創新項目的融入促進大學物理學習

張紅燕

【摘 要】文章依托新疆大學大學生創新實驗進行了大學物理研究型教學模式的探討，用一些具體的實例進行了說明。通過兩年的實踐，學生不僅對大學物理的學習產生了濃厚的興趣，而且學生的創新意識、科研能力、學術規范意識和團隊協作精神都得到了培養。

【關鍵詞】大學生創新項目 大學物理 興趣 科研工作

大學物理是理工類高校一門重要的基礎課程。物理學的發展不僅對人類物質文明的進步和人類對自然界認識的深化起到了重要的推動作用，而且為科學技術，尤其是高新技術提供了理論證明和技術支持。當今的大學物理課程，無一不與高新技術和其他尖端學科相互交叉，相互滲透，這也決定了大學物理廣泛的適用性、巨大的活力和很強的重組能力。針對大學物理這種知識結構較為寬泛且邏輯性強，對高等數學要求高，又和當前各個學科研究的前沿似乎相去甚遠等現象，如何激發學生的學習興趣，如何讓經典的物理知識進入科學研究的前沿，成為一個值得探討的問題。

科學研究是學校的基本職能之一。近年來，許多高校用“以科研促進教學，以教學帶動科研”的理念來指導大學物理教學，教給學生基本的科研方法和初步的科研創新能力，使學生自主地學習物理知識，促進學科建設，實現文化傳承和創新。大學生創新實驗計劃是教育部為推動創新人才培養工作的一項重要舉措，它的主要目的是探索并建立以研究課題為核心的教學模式，倡導以本科生為主體的創新性實驗改革。通過項目實施，充分調動學生的學習主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，提高學生的實踐動手能力。筆者在從事大學物理教學的同時也在進行科研工作，科研方向為納米光學材料。下面筆者將國家級本科生創新項目實施融入到大學物理教學中進行一系列的探討，為進一步推動高等教育教學改革，提高教學質量提供一些經驗和借鑒。

一、用納米世界引發學生求知興趣

人類對客觀世界的認識永無止境，一方面向無限大的宇宙探索，一方面向無限小的微觀世界開拓。納米世界就是人類探索微觀世界發現的新大陸。物質在納米尺度上發生了許多不同于宏觀世界的奇妙物理和化學變化，蘊藏著更多的神秘莫測但又充滿誘惑的奧秘。在真正進入科研工作前，除了讓學生多讀一些科研文獻外，還要讓學生有一個直觀的認識，以引起學生對科研的興趣。比如先給學生看制備樣品的表面及截面形貌圖，而不是像培養研究生那樣要等到良好的物理性質測出來后再測形貌圖。這種測試順序與從事科研的測試順序相反，主要目的是讓學生能從新奇的事物上找到興趣，進行自主自發的學習。

圖1：（a）多孔硅表面形貌圖；（b）多孔硅截面形貌圖

圖1是用電化學腐蝕的方法將N型（100）的硅基浸泡在體積比為1∶3的氫氟酸與乙醇混合溶液中，通以電流密度為50mA/cm2的電流腐蝕20min制備得到的多孔硅表面及截面形貌圖。多孔硅呈現出海綿狀的表面形貌，其孔徑大小約為2-3.5μm，厚度約為7μm。當學生看到自己制備樣品的形貌后，由于其形貌與自己在課堂上所學的知識點不盡相同，會對其表示出極大的興趣。這個時候教師可以告訴學生大學物理中的波動光學就是掃描電鏡成像的基本原理，電子與物質相互作用會產生透射電子、彈性散射電子、能量損失電子、二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發光和電動力等，掃描電子顯微鏡就是利用這些信息來對樣品進行形貌觀察、成分分析和結構測定的，且具有很多優越的性能，廣泛地應用于生物、醫學、材料、地質等領域，是用途最為廣泛的一種多功能儀器。當學生了解到這一點時，教師可以順理成章地啟迪學生思考這樣一個問題：大學物理是不是驗證了過去最先進的科學研究成果？而我們現今的研究工作究竟能不能離開物理學？

二、從大學物理最基本的概念過渡到科研工作

在正式進入到科研工作前，教師問學生一個問題：為什么當光照射到某些物體時物體會發光？引導學生開始思考物體發光的各種可能性。從最基本的幾何光學入手，當光照射到物體上時，一部分被反射和散射，另一部分進入物體內部，除了透過的部分外，光被吸收。發光材料只有吸收激發能以后才能發光，所以就有激發光譜的概念。激發光譜表示發光強度隨著激發光波長的變化，它表示某一發射光可以被什么光激發。學生了解到材料的發光需要外部光源的激發，不同材料的發射光譜不同，就會討論究竟哪些因素會影響材料的發光。

三、讓具體的科研工作來促進大學物理的學習

圖2：（a）新制備的多孔硅光致發光譜；（b）氧化后

的多孔硅光致發光譜

圖2是用電化學腐蝕的方法將N型（100）的硅基浸泡在體積比為1∶3的氫氟酸與乙醇溶液中，通以電流密度為50mA/cm2的電流腐蝕20min的多孔硅光致發光光譜。（a）圖是新制備出來的多孔硅光致發光圖，從圖上可以看到多孔硅在625nm處有很強的光致發光峰；（b）圖是將制備出的多孔硅在雙氧水中浸泡24h得到的徹底氧化的多孔硅，從圖中可以看到多孔硅的光致發光峰完全消失。針對圖2，讓學生去尋找形貌完全一樣的多孔硅和氧化后的多孔硅為什么光致發光譜會有如此的差異，從而讓學生了解多孔硅光致發光的機理。這個階段是學生學習最快的階段，同時也可以讓學生更加深刻體會大學物理在科研中的重要作用。

通過大學生創新項目的實施，很多學生在物理學習和科研能力培養上有了很大的收獲。

首先，學生參與大學生創新實驗最大的收獲是對物理知識有了一個系統的認識和掌握，大學生可以自己確定實驗課題，制定實驗方案，用書本上的物理知識來解釋實驗結果，使實踐能力得到了極大的提高。

其次，學生在腦海中對多孔硅薄膜的生長有了較為清晰的直觀認識，了解到不同的制備條件影響薄膜的表面及截面形貌，同時也會表現出不同的物理光學性質。

再次，提高了分析和綜合能力，并且通過對創新實驗中每個細節都進行分析，運用各種方法和物理知識為實驗服務，真正開始接觸研究性實驗的精髓，同時對物理學習的興趣也越來越濃厚。

四、結束語

筆者依托大學生創新實驗平臺，啟發引導學生自主開展創新研究，從提出問題、選題立項、階段匯報、解決問題、結題答辯等各環節讓學生體會到研究型學習的完整過程。在這一過程中，學生體會到了物理學的重要性，并將物理學習變成一種自主的行為。這種以大學生創新實驗為平臺，讓學生成為學習的中心，把教學和科研有機結合，讓學生有更多的機會參與科學研究，不僅可以深化學生對大學物理基礎課的學習，更重要的是激發了學生的物理學習熱情，提高了大學物理教學質量，為社會培養出更多的適應社會發展的創新性人才打下了基礎。

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