地方高師院校科研儀器在近代物理實驗中的應用

鄧艷紅+王金江+王濤

【摘要】本文結合衡陽師范學院近代物理實驗教學改革經驗，分析地方高師院校科研儀器設備在近代物理實驗中的應用現狀。以有機電致發光二極管的制備與表征實驗為例，從科研儀器資源共享、實驗室開放管理、優化教學內容、改變教學模式等方面闡述科研儀器用于近代物理實驗教學，可有效提高科研儀器的使用效率，培養學生的科研興趣和創新能力。

【關鍵詞】科研儀器 地方高師院校 近代物理實驗 改革

【中圖分類號】G482 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）39-0116-02

一、引言

2007年2月17日，《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》[1]中明確 “要根據培養學生動手和實踐能力需要，不斷改善實驗和實習教學條件，采用多種方法改造和更新實驗設備，提高實驗設備的共享程度和使用效率，為教學提供必要的實驗和實習條件。要進一步加強科學研究和教學實驗的結合，推進實驗教學內容、方法、手段及人才培養模式的改革與創新。”目前，許多高校圍繞國家的政策導向，對大學實驗課程進行了大刀闊斧的改革嘗試。物理學作為一門實驗科學，在物理學發展史上，實驗物理占有非常重要的地位[2]，近代物理實驗是繼普通物理實驗之后一門重要的專業基礎實驗課[3]，是集近代物理思想、理論和實驗技術于一體的物理專業高年級學生的必修課程，具有很強的綜合性，技術性，時代性和前瞻性[4]。涉及的內容包括電磁學、聲學、半導體、光學、量子物理學、原子物理學、核物理等，它要求學生具備綜合運用各科知識的能力、創新的思維意識，學會使用原子力顯微鏡、器件表征、光電檢測、計算機分析與數據處理等先進的實驗技術。著名科學家、教育家錢偉長院士[5]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。”但很多高校教師獲得國家科研課題的資助，購置了科研儀器用來完成科研課題，然而在課題結項以后，有相當一部分儀器設備閑置，此現象在地方高師院校尤為突出。如何將科研儀器設備有效的應用到本科物理實驗教學并發揮重要作用，提高科研儀器的使用效率，成為各高校尤其是地方高師院校改革的重點。

二、地方高師院校科研儀器設備在近代物理實驗中應用現狀分析

地方高師院校地處非省會城市，普遍沒有碩士學位授予權，培養的學生主要是未來的初等學校的教師，科研實力整體不強，國家和地方在科研上對地方高師院校投入相對較少。而且，科研儀器設備價格十分昂貴，使用復雜、維護成本非常高，需要經過專門培訓的人才能操作，基本限用于教師進行科學研究或給學生做些演示性的實驗，本科生很少能夠接觸并使用。此外，地方高師院校的教師教學任務重，并不能全身心的投入到科研當中，勢必會影響到科研儀器設備的使用效率。

近代物理實驗是為大三學生開設的一門知識面廣、綜合性強的實驗課程，它是介于普通物理實驗和專業物理實驗之間的實驗教學環節。開設這門課程的目的是通過全面、系統、嚴格的學習、實驗、訓練， 豐富、發展學生的物理思想， 提高學生科學地觀察、分析、研究和解決問題的能力， 培養學生的創造性思維和創新能力，培養實事求是的科學態度與工作作風， 為以后的學習和工作打下堅實的基礎[6，7]。地方高師院校近代物理實驗多以基礎性、驗證性為主，以科研儀器為輔助的創新性實驗幾乎為零；學生底子薄，基礎知識不夠扎實，缺乏創新意識，缺乏主動學習，發現問題、分析問題、解決問題的能力；大部分學生的就業方向為地方初、高中教師崗位，科研意識淡薄，對實驗不感興趣，不能很好地完成本課程教學的要求。

三、科研儀器在近代物理實驗教學中的實踐探索

筆者所在的衡陽師范學院擁有物理學-教育部特色專業、光學-湖南省重點建設學科、光電信息技術-湖南省應用基礎研究基地，近年來分別建立了光電研究所、有機光電實驗室、光電信息技術實驗室等多個科研實驗室，配置了高真空蒸鍍系統、蒸發儀、OLED性能測試儀，原子力顯微鏡、太陽能測試系統、光學實驗平臺等科研儀器設備，我們充分利用省級平臺和科研實驗室的資源，有效地將科研儀器設備用于近代物理實驗的教學上，在科研與教學相結合方面進行了改革實踐。本文以有機電致發光二極管（Organic light emitting diodes，OLEDs）的制備與表征實驗為例，探討科研儀器設備在近代物理實驗中的應用。

1.發揮資源共享優勢，開放式管理科研儀器設備

地方高師院校科研儀器設備數量少且極為昂貴，通過優化資源配置，實現資源共享機制，學校內部各院系之間、學校與學校之間可以資源共享。我院所有大型儀器設備均加入了湖南省儀器設備共享網，在共享網中我們可以清楚知悉我省各高校已擁有的儀器設備，部分暫缺但又需要的儀器可以借助兄弟院校的資源。例如在設計有機電致發光二極管的結構時需要測試材料的吸收峰、發射峰，可以借用我校化學與材料工程學院的相關儀器設備來完成。

在高校，建設開放的實驗室是社會發展的趨勢，也是國家教育部教學評估的要求。開放性實驗室在高校教育中起著重要的作用，它能夠鍛煉學生的研究探索能力和提高學生的綜合素質。學生可以根據自己的研究興趣，通過開放性的實驗場所進行深刻的、自主的研究和學習。此外，建立開放實驗室能夠充分發揮有限設備資源的潛能，提高設備的重復利用率[8]。在科研實驗室管理方面，我們與普通實驗室一樣實行全天開放，在非課堂時間或老師做實驗期間，學生可以進入實驗室學習，熟悉實驗設備的操作或者做一些自己感興趣的創新性實驗。為此我們設立了專門的勤工助學崗位，培養一些學習成績好，動手能力強，創新意識好，對科研有濃厚興趣的學生，讓他們進入科研實驗室，參與實驗室的管理及老師的科研項目，在老師下班或者周末時間負責管理實驗室。同時，他們也可以作為老師的實驗助手，在上近代物理實驗課時給予一定的幫助。

2.引入教師科研成果，優化教學內容endprint

傳統的近代物理實驗教學主要以基礎性、驗證性實驗為主，這種教學方式忽略了學生的科研興趣、綜合能力和創新意識的培養。近代物理實驗的授課對象為已有一定實驗操作能力和理論基礎的高年級學生，以培養學生的科研能力和創新能力為目的。因此，在實驗內容設置上層層遞進，有基礎性、綜合性和創新性實驗。其中，創新性實驗的內容是根據教師科研成果來設計，這樣可以充分利用教師的科研儀器和科研基礎，教師可將科研中所創造或獲得的前沿知識、先進技術和最新成果及時補充到教學內容中，采用教學和科研相結合的教學模式，可大大提高教學質量。如有機電致發光器件的制備及表征實驗，其中與物理知識相關的有折射與反射定理、能級結構及帶隙、載流子的注入、輸運與結合，有機材料的摻雜原理，有機材料的發光機理等，涉及知識較多，應用范圍較廣，與生活聯系密切。將科研成果引入課堂，讓學生提前接觸科研儀器設備，可以培養學生科研興趣和創新能力，為學生繼續深造或從事實驗教學工作奠定基礎。

3.轉變教學模式，培養學生的科研興趣和創新意識

傳統的近代物理實驗是一種模仿式的教學，老師從頭至尾將實驗演示一遍，然后學生模仿老師的操作完成實驗。此類教學模式扼殺了學生的創新潛能，不利于培養學生科研興趣和創新能力。我們將教師的科研成果作為選修部分引入近代物理實驗教學，這類實驗項目具有實驗內容多，完成實驗所需時間長，涉及儀器多，知識面廣等特點。實驗時間比較自由，只規定完成實驗的最后檢查時間，教學模式更具靈活性和開放性。學生根據自己的興趣選取課題，題目選好之后，先查看實驗設備的操作手冊或說明書了解儀器的基本性能、參數和使用方法，然后老師對他們進行儀器設備基本的操作培訓。有機發光二極管的結構設計、制備和光電性能測試實驗主要步驟為：OLED器件結構設計、ITO玻璃超聲波清洗、烘干及紫外臭氧清洗；ITO表面預處理、真空蒸鍍有機層和金屬層（OLED器件制備）；封裝已制備好的OLED；器件的光電性能測試等。涉及儀器設備有超聲波清洗機、紫外臭氧清洗機、等離子體處理系統、高真空蒸鍍系統、手套箱、光譜輻射度計、keithley2400電源、半導體參數測定儀、原子力顯微鏡、紫外固化系統、器件老化壽命測試系統等，這些儀器設備精度高，價格昂貴，對環境要求較高，因此在確定實驗方案之前需提前熟悉儀器設備的使用方法。如使用高真空蒸鍍儀前，需掌握如何使用紫金橋運行軟件、SQS242控制軟件；如何通過軟件控制機械泵、預抽閥、前級閥、分子泵及閘板閥來控制腔體的真空度；如何控制材料的蒸鍍速度來確保鍍層薄膜均勻；如何提升器件的效率和壽命等。ITO的清洗及預處理需了解超聲波清洗機、紫外臭氧清洗機的作用及使用方法，ITO清洗方法、步驟及關鍵參數等。器件的封裝主要在手套箱中進行，如何從蒸發腔將器件傳遞到手套箱，如何使用手套箱以及器件封裝的材料、條件等。了解器件測試所用的光譜輻射度計和keithley2400電源的工作原理和使用方法，能正確對焦被測器件，熟悉測試軟件等。同時學生還需自己收集和查閱相關資料，了解實驗原理，在充分掌握一定理論知識之后，在老師的指導下擬定實驗方案，確定實驗操作步驟，完成實驗并進行實驗數據的后期處理。整個的實驗過程以學生為主體，老師只是起引導的作用，學生遇到什么問題可隨時與老師探討，老師只給出引導性的意見，學生自己解決問題，有助于培養學生的主動學習，發現、分析及解決問題的能力。

實驗結束后，學生需以科技小論文的形式上交實驗報告，同時針對實驗完成實驗答辯，最終依據實驗方案、論文和實驗答辯給予實驗總成績。

四、科研儀器在近代物理實驗教學中應用的成效

經過近一段時間的實踐，我們成功地將科研儀器設備應用到近代物理實驗教學中，提高了科研儀器的使用效率。在人才培養方面，這種教學與科研相結合的教學模式提高了學生的學習興趣，改變了他們被動學習的狀態，能促使他們主動發現問題，培養他們分析問題、解決問題的能力，同時也提高了學生的科研興趣及創新能力。部分學生實驗課后主動要求參與老師的科研項目，考研的學生在研究生階段選擇光學作為未來的研究方向繼續深造。已就業的學生在初、高中實驗教學中動手能力強，創新意識獨特，工作得心應手，獲得了領導的好評。

參考文獻：

[1] 教育部. 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（教高[2007]2號文件）[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/200702/t20070217_79865.html，2017-2-17.

[2] 高俊.近代物理實驗教學中培養學生科研能力的探索[J].常熟理工學院學報（教育科學）.2015，3，116-118.

[3] 葉柳，李愛俠，張子云，等.近代物理實驗教學改革的探索[J].實驗科學與技術.2009，（122），66-67.

[4] 李愛俠，葉柳，張子云，等.近代物理實驗教學改革與大學生創新能力培養[J].實驗研究與探索. 2010，29（4），77-102.

[5] 錢偉長. 錢偉長文選.上海：上海大學出版社，2004.

[6] 霍漢平.近代物理實驗教學改革的探索和實踐[J].教育與職業.2015，29，154-155

[7] 董有爾，唐晉娥，張天喆.近代物理實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗技術與管理.2001，18（6），79-82.

[8] 章軍軍，崔秀紅. 加強科研儀器設備在創新實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理.2008，2（25），174-176.

項目資助：湖南省教育廳科研優秀青年項目（項目編號：15B033）；衡陽師范學院博士啟動項目（項目編號：14B40）；“衡陽師范學院物理與電子信息虛擬仿真實驗教學中心”--湖南省教育廳2016年省級虛擬仿真實驗教學中心建設項目（項目編號：湘教通[2016]399號）；光學-湖南省“十二五”重點建設學科（項目編號：湘教發[2011]76號）。

作者簡介：鄧艷紅（1985.08- ），女，湖南永州，博士，講師；研究方向：有機光電材料與器件。endprint