規(guī)模化物理類本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容研究*

徐林華 劉玉柱 陳玉林 張雅男 （南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院）

一 開設(shè)規(guī)模化創(chuàng)新實(shí)踐課程的必要性

廣義的實(shí)踐訓(xùn)練包括：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課（例如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)上機(jī)操作等）、專業(yè)實(shí)驗(yàn)課、金工實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)論文、學(xué)科性科技作品競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目等。從學(xué)生人數(shù)上來講，這里面實(shí)施規(guī)模大的是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，規(guī)模比較大的是專業(yè)實(shí)驗(yàn)課、金工實(shí)習(xí)，而畢業(yè)論文基本上是一對(duì)一的（即一個(gè)論文題目對(duì)應(yīng)著一個(gè)學(xué)生），學(xué)科性創(chuàng)新競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目基本上是每一項(xiàng)包含幾個(gè)學(xué)生（3～5個(gè)）。從課程的性質(zhì)來講，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課、專業(yè)實(shí)驗(yàn)課、金工實(shí)習(xí)都是基礎(chǔ)課程，一般不能給予學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練，而畢業(yè)論文一般都具有一定的創(chuàng)新性，學(xué)科性創(chuàng)新競(jìng)賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目則具有更高的創(chuàng)新性。由以上所述，我們可以知道：具有學(xué)生人數(shù)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)課程不能給予學(xué)生創(chuàng)新性的訓(xùn)練，而具有創(chuàng)新性的實(shí)踐課程或項(xiàng)目能參與的學(xué)生往往只有幾個(gè)。盡管很多高校的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目每年立項(xiàng)數(shù)量有百余項(xiàng)，但是按每個(gè)項(xiàng)目有5個(gè)學(xué)生參與，那么每年參與的學(xué)生也不過五六百人，與大部分學(xué)校每年的實(shí)際招生人數(shù)相比還是比例較少，更何況即便是參與項(xiàng)目的學(xué)生也僅僅是參與其中的一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，得到訓(xùn)練的范圍仍然很窄。為了使大部分的學(xué)生都有機(jī)會(huì)得到創(chuàng)新實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，學(xué)校應(yīng)該針對(duì)大類專業(yè)的本科生開設(shè)具有一定人數(shù)規(guī)模的創(chuàng)新實(shí)踐課程。

二 規(guī)模化物理類本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程的內(nèi)容

創(chuàng)新實(shí)踐課程涵蓋的內(nèi)容包括創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容、相關(guān)的教學(xué)資源建設(shè)、相關(guān)的教學(xué)師資隊(duì)伍培養(yǎng)等多方面內(nèi)容，毫無疑問，創(chuàng)新實(shí)踐課程的內(nèi)容的選取是核心內(nèi)容。筆者認(rèn)為創(chuàng)新實(shí)踐類課程內(nèi)容的選取應(yīng)該基于以下幾點(diǎn)：第一，選取的課程內(nèi)容要具有一定的寬度，要適用于幾個(gè)相關(guān)或相近專業(yè)；第二，選取的課程內(nèi)容要具有一定的深度，具有一定的探索性和啟發(fā)性；第三，選取的課程內(nèi)容要具有一定的綜合性，學(xué)生需要綜合運(yùn)用已學(xué)的幾門課程的知識(shí)去完成這個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目。基于以上這些內(nèi)在要求并考慮到目前的一些科學(xué)研究熱點(diǎn)問題，筆者提出針對(duì)物理類專業(yè)（物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、材料物理、光電信息科學(xué)與工程等）可以設(shè)置以下一些創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容。

（一）功能薄膜制備、表征與應(yīng)用

作為特殊形態(tài)材料的薄膜，目前已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域如微納傳感器、光電子器件、信息存儲(chǔ)、航空航天、微電子器件、環(huán)保產(chǎn)品、新能源等。對(duì)于薄膜的研究與應(yīng)用涉及真空技術(shù)、電子技術(shù)、應(yīng)用物理、表面科學(xué)、固體物理、譜學(xué)等多個(gè)學(xué)科；因此，開設(shè)“功能薄膜的制備、表征與應(yīng)用”的創(chuàng)新實(shí)踐課程可以使物理類的學(xué)生將學(xué)到的多門課程的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐、掌握功能薄膜的制備、表征技術(shù)并將制備的薄膜在某一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。一些高校已經(jīng)開設(shè)了相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)踐課程。考慮到薄膜的制備技術(shù)有很多種而且制膜成本與獲得的膜質(zhì)量差別很大，在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐課程中選用何種制膜技術(shù)也是很重要的。這里基于筆者的經(jīng)驗(yàn)推薦兩種代表性的薄膜制備技術(shù)。一種是磁控濺射技術(shù)，它是物理方法的代表；另外一種是溶膠-凝膠法，它是濕化學(xué)方法的代表。對(duì)于薄膜物性的表征，可以使用X射線衍射儀分析晶體結(jié)構(gòu)、使用教學(xué)型原子力顯微鏡分析薄膜形貌、使用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)試薄膜的透射率與吸光度、使用熒光光譜儀測(cè)試樣品的發(fā)光行為、使用臺(tái)階儀測(cè)試樣品厚度、使用四探針測(cè)試儀測(cè)量薄膜的電阻率。有經(jīng)濟(jì)條件的高校還可以配備其他設(shè)備，如掃描電鏡、透射電鏡、拉曼光譜儀、霍爾效應(yīng)測(cè)試儀等以更好地分析薄膜性能。在薄膜應(yīng)用方面，各個(gè)高校可以根據(jù)自己專業(yè)的培養(yǎng)方向，安排一些實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，比如制備薄膜太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管、氣體傳感器、光電探測(cè)器等。

（二）太陽(yáng)能電池制備與測(cè)試

由于具有清潔性、廣泛性和永久性等優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能在可再生能源中占有非常重要的地位。而采用太陽(yáng)能電池發(fā)電是近些年來最主要和最具發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能利用途徑之一。因此，太陽(yáng)能電池的制備與測(cè)試就變得非常重要。在物理類本科生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中開設(shè)“太陽(yáng)能電池制備與測(cè)試”相關(guān)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有利于開拓學(xué)生的眼界、深化學(xué)生對(duì)于新能源的認(rèn)識(shí)、掌握太陽(yáng)能電池的組裝技術(shù)與測(cè)試技術(shù)，為將來可能從事相關(guān)的工作奠定基礎(chǔ)。目前，一些高校也開設(shè)了相關(guān)的實(shí)踐課程。考慮到染料敏化太陽(yáng)電池是一類新型薄膜太陽(yáng)電池，處于新能源領(lǐng)域的研究和開發(fā)前沿，而且具有成本較低、制備工藝簡(jiǎn)單、可柔性化等突出優(yōu)點(diǎn)，因此推薦在規(guī)模化大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中采用染料敏化太陽(yáng)電池開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（三）表面等離激元的原理及應(yīng)用

表面等離激元（Surface Plasmon）是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用所形成的電磁振蕩。表面電荷振蕩與光波電磁場(chǎng)之間的相互作用使得表面等離激元具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，所產(chǎn)生的一些效應(yīng)可以解決目前面臨的一些難題，尤其是解決一些以往光學(xué)長(zhǎng)期不能解決的問題。隨著表面等離激元理論研究的深入以及各種特殊結(jié)構(gòu)的器件的成功制備，其在光學(xué)各領(lǐng)域應(yīng)用顯示出了巨大的潛力，其中包括金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)在超分辨率納米光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、近場(chǎng)光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，在物理類大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐課程中開設(shè)“表面等離激元的原理及應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有助于加深學(xué)生對(duì)于這一新奇物理現(xiàn)象的理解，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)新奇現(xiàn)象的好奇心和提高學(xué)生對(duì)新生事物的探索能力。對(duì)于這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體實(shí)施，我們?cè)谝郧鞍l(fā)表的一篇論文給出了很好的說明。

（四）發(fā)光二極管的制備、設(shè)計(jì)與應(yīng)用

發(fā)光二極管是一種代表性的固態(tài)電致發(fā)光器件，它具有節(jié)能環(huán)保的顯著優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于顯示屏、交通信號(hào)燈、燈飾、照明光源等領(lǐng)域。發(fā)光二極管的研究與應(yīng)用涉及很多方面，比如它的制備涉及材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、光譜學(xué)、封裝技術(shù)等；它的測(cè)試表征涉及原始材料的性能測(cè)試、發(fā)光二極管成型后的光學(xué)測(cè)試；它的應(yīng)用涉及“電子技術(shù)基礎(chǔ)”“照明與顯示”“環(huán)境照明設(shè)計(jì)”等多門課程的知識(shí)。在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐課程中開設(shè)“發(fā)光二極管的制備、設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的項(xiàng)目可以使學(xué)生在課堂上學(xué)到的多門理論課程的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，增強(qiáng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。河北大學(xué)在本科生創(chuàng)新實(shí)踐中較早地開設(shè)了發(fā)光二極管方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐證明：發(fā)光二極管的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，有利于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（五）在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

眾所周知，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科學(xué)生進(jìn)入高校后接受到的第一門獨(dú)立設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，大學(xué)生不但接受了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練、培養(yǎng)出了良好的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，還為后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)及日后的工作學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。那么，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上開發(fā)一些創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)大有益處，這些教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施也更加容易。一方面，由于是在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程的基礎(chǔ)上開發(fā)的新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通常實(shí)驗(yàn)儀器是就地取材，不需要重新購(gòu)買，一般只需要改造一下或增加一些附件即可，這可以大大節(jié)省開支；另一方面，由于是在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程的基礎(chǔ)上開發(fā)的新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在已有基礎(chǔ)上更容易開展新的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，也更容易達(dá)到舉一反三的效果。

三 對(duì)開設(shè)規(guī)模化本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程的幾點(diǎn)建議

第一，對(duì)于本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程的開設(shè)時(shí)間：我們建議開設(shè)在大三上學(xué)期或下學(xué)期。這是因?yàn)椋瑒?chuàng)新性實(shí)踐課程一般包含的都是創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目，往往需要學(xué)生用前面學(xué)過的專業(yè)基礎(chǔ)課的知識(shí)去解決相關(guān)問題，而大二或大一學(xué)生都還沒有學(xué)過這些知識(shí)，項(xiàng)目開展起來困難較大；再者，學(xué)生在大學(xué)四年級(jí)時(shí)，或者忙于考研，或者忙于找工作、考公務(wù)員，若此時(shí)開設(shè)這個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐課程不會(huì)起到很好的效果。

第二，對(duì)于本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程學(xué)時(shí)的安排：根據(jù)具體課程內(nèi)容，一般安排32～64課時(shí)為宜。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不同于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，后者一般都是比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且一般有定論。創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)于本科生來說都具有一定的探索性，往往一個(gè)大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可能要花費(fèi)10個(gè)學(xué)時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間。再者，盡可能安排一次課3～4個(gè)學(xué)時(shí)，給予學(xué)生較為充足的時(shí)間去探索，不要實(shí)驗(yàn)剛進(jìn)行到一半或新的思路剛準(zhǔn)備付諸實(shí)施就已經(jīng)到下課時(shí)間了。

第三，對(duì)于本科生創(chuàng)新實(shí)踐課程師資隊(duì)伍的建設(shè)：結(jié)構(gòu)合理、知識(shí)多元化、精力充沛的指導(dǎo)教師隊(duì)伍是創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)取得良好效果的根本所在。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容基本都涉及科技前沿?zé)狳c(diǎn)問題，要求指導(dǎo)教師本身具有相關(guān)的研究背景；再者，學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)踐課程中問的問題多、問得隨機(jī)性大、問的問題不但涉及理論知識(shí)還會(huì)較多的涉及實(shí)驗(yàn)操作問題。考慮到上述特殊性，要求指導(dǎo)教師必須具有多元化的知識(shí)體系、充沛的精力及“躬耕隴畝”實(shí)踐的精神。