大學物理實驗課反溯教學方法研究

謝子昂 張師平 陳森 裴藝麗 李莉 邱紅梅 趙雪丹 王云良 吳平

摘 要 為促進新形勢下的“大學物理實驗”課程體系改革，推動“高素質、創新型”人才培養朝新方向、高水平前進，北京科技大學“大學物理實驗課反溯教學方法研究”課題組提出了物理實驗課反溯教學方法，將現代科技的最新發展引入課程，對反溯教學方法進行了探索。課題組從實驗現象出發，引導學生反溯基本物理學概念、原理和現象，并相應組織編排物理實驗內容，激發學生的探索欲和創造欲，全面提升學生的學習興趣和學習能力。課題組從實驗室建設、新教材建設、新實驗編排、本科生科技創新、實驗課程與最新科研項目結合等多個角度出發，對“大學物理實驗”課程體系進行了全面深化，促進學生變“要我學”為“我要學”，并取得了一系列教學成果。

關鍵詞 大學物理實驗;反溯教學方法;課程建設;現代科技

目前，我國已成為世界制造大國，制造業規模躍居世界第一，已穩步邁入由“中國制造”轉向“中國創造”的嶄新階段。未來20年內，我國人才需求方向將由“技術型”轉變為“高素質、創新型”[1-3]。如何從高校教育的角度，將解決問題的技術型人才提升至善于提出問題、分析問題和解決問題的創新型人才，是當今教學面臨的重要改革方向[4-5]。

作為高校理工科人才培養過程的必要環節，“大學物理實驗”課程是學生進入大學后接受系統的實驗技能訓練的開端，對切實提高人才培養質量具有重要作用和意義[6-7]。但課程中還存在部分實驗項目形式陳舊、教學內容與教學方法傳統、與前沿科技結合較弱、不易激發學習熱情等情況。學生完成實驗操作后缺乏興趣，更不知道如何對實驗結果進行分析和討論。教師的引導因人而異 [8-9]。學生投入了時間精力，卻遠未能達到應有的學習效果。進行資源統合并改革教學方式，成為課程亟待解決的問題。

北京科技大學“大學物理實驗課反溯教學方法研究”課題組以培養學生實踐能力與創新意識為目標，注重學生未來發展的實際需求，將現代科技的最新前沿發展引入課程，構建了符合“高素質、創新型”人才培養需求的“大學物理實驗”課程反溯教學法。反溯教學法的基本思想，是從最新科技發展反溯其基本物理學概念、原理和現象，激發學生的探索欲和創造欲，全面提升學生的學習興趣和學習能力。充分挖掘課程潛力，讓學生從“要我學”變為“我要學”。三年來的教學實踐表明，我們提出的大學物理實驗課程反溯教學法成功構建了一整套大學物理實驗課程教學范式，在課程體系建設、學生能力與創新意識培養等諸多方面均發揮了重要作用。以實驗競賽、科研論文、專利等為代表的成果見證了反溯教學法的成功實施。反溯教學法所構建的新型課程體系與內容為建設適應新時期、新形勢下人才培養需求的“大學物理實驗”教學新方法進行了成功探索。

1 反溯教學法指導“大學物理實驗”課程新編排

反溯教學法指導“大學物理實驗”課程新編排的路線框圖如圖1所示。圍繞這一路線圖，我們從創新實驗室建設、新教材編排、創新型新實驗項目與內容設計編排等角度開展了工作。

1.1 創新實驗室建設

創新、競賽、實驗教學相融合必須有教學環境改善的支持。三年來，課題組從實驗室硬件建設、實驗室師資團隊建設和學生開放性管理等方面全面建設創新實驗室，同時做好實驗室管理工作，以滿足學生開展個性化實驗與創新型實驗的需求。

我 們搭建了通用制作實驗平臺、熱學物性測量平臺、軟物質研究平臺、核磁成像技術及應用研究平臺、分子動力學模擬仿真實驗平臺和光伏器件制備與測試平臺等多個實驗平臺（圖2（a）～（f）），為學生開展科學實驗研究、科技創新項目、儀器制作、學科競賽、科技競賽、社會實踐等活動提供便利。

創新實驗室是提升學生科學素養、建立正確科學觀的重要場所。創新實驗室每年支撐三十余組同學參加大學生科技創新項目、國家級和省部級實驗競賽等，使實驗課堂實現由課內向課外自然延展。

1.2 《理科物理實驗教程（第2 版）：力學、熱學、電磁學、光學實驗分冊》教材

為了凝練、固化反溯教學法的研究成果，我們編排了《理科物理實驗教程（第2版）：力學、熱學、電磁學、光學分冊》教材[10]。所選入的實驗項目既考慮了課程體系的完整性，又兼顧了前沿科技的最新發展。各實驗項目的編排均以反溯教學法為核心指導思想，首先引入背景知識介紹或具體的高新技術應用，再引導學生回歸到基礎物理現象和知識點。“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，我們通過反溯教學法讓實驗項目激發了學生的學習興趣和內在學習動力。教學實踐表明，經過以上實驗課程內容的學習，學生在知識獲取、技能培訓和科研興趣培養等諸多方面都有了大幅提升。

在以上新教材編排的基礎上，我們新申請了理科物理實驗Ⅰ（2020—2021年）和基礎物理實驗Ⅰ&Ⅱ（2022—2023年）兩個教學示范課項目，以反溯教學方法全面組織實施了新時期實驗課程，受到學生的歡迎和支持。

1.3 反溯教學法新實驗

1） 干涉光刻技術實驗

干涉光刻技術是一種無須用到復雜光學系統即可制備精細微納結構的技術手段。該技術可反溯回光干涉這一基本物理原理。我們設計了使用兩束或三束相干激光光束干涉產生周期性納米織構圖形的光學系統，并研究入射角度、光束強度、光束波長等因素對所成圖形的影響。所研究的圖形種類將包含光柵、孔陣、點陣、柱陣等多樣化的結構，以滿足不同的后續實驗需求。結合圖形轉錄方法，要求學生學習和掌握光刻圖形“正模”與“倒模”的轉移、轉換技術，并探究不同類型光刻膠的性能。擬使用平面等離子體刻蝕等方法將所制微納圖形轉移至硅襯底或砷化鎵襯底上，使學生在領略光刻技術的同時，對刻蝕的基本原理、實驗過程和影響因素有初步了解，也為學生未來進一步學習光刻技術做基礎準備。

2） 基于 Sagnac效應的激光干涉光纖陀螺儀實驗

陀螺儀是一種古老而有生命力的儀器，能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，因而在國防軍事、導航測控、汽車制造等領域有重要應用。基于Sagnac效應的激光干涉光纖陀螺儀的原理可反溯回光干涉等基本物理原理。同一光源發出的光分為兩束后，在同一環路內沿相反方向繞行一周后會合可產生干涉。當環路所在平面旋轉，干涉條紋將會發生移動，也即Sagnac效應。此時，兩束光線的光程差與環路所在平面的旋轉角速度成正比。基于這一效應制成的激光干涉光纖陀螺儀可測量裝置的旋轉角速度。通過這一實驗，可使學生回溯光干涉基本原理，掌握Sagnac效應的同時了解其應用，理解現代科學技術新發展與基本物理現象和物理原理之間的聯系。將激光干涉光纖陀螺儀實驗引入到大學物理實驗中，可使學生反溯激光干涉的基本原理進行理論和實驗探索，激發其學習興趣，了解Sagnac效應及激光干涉陀螺儀，理解基本物理現象與現代科學技術新發展的關系。

3） LED光譜實驗

藍光發光二極管（LED）是白光LED 的基礎，是一項里程碑式的發明。這種由于多數載流子注入而引起電子和空穴對復合發光的現象稱為注入式電致發光，可回溯至能帶理論等基本物理原理。LED具有節能環保、壽命長、體積小、應用廣泛、色彩豐富等特點，是繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源，在生活上、工業上有多種應用。我們嘗試將LED光譜實驗引入到大學物理實驗中，與光柵光譜儀實驗相結合，讓學生從LED的發光原理與特性出發，引發學習興趣，體會物理學科在高新技術中的重要作用，再反溯回LED 的光譜研究，使學生在完成實驗的過程中掌握新型半導體器件的發光原理和光譜特性。本實驗已編排為《理科物理實驗（第2版）：力學、熱學、電磁學、光學分冊》課程的光學實驗項目。

4） 混沌擺實驗

擺的發展與研究有著悠久的歷史。雙擺是一個由兩個擺錘組成的簡單物理系統，其中一個擺錘連接在另一個擺錘的末端。雙擺屬于混沌擺之一，具備豐富的動態特性，能夠展現出混沌現象。混沌現象是指發生在確定性系統中的看似隨機的不規則運動行為，表現為不確定性、不可重復、不可預測，是非線性系統的固有特性。雙擺/混沌擺對于初始條件十分敏感，整個運動混沌無序、無法預測。混沌現象的發現和混沌理論的建立，同相對論和量子論一樣，是對牛頓確定性經典理論的重大突破。許多科學家認為，20世紀物理學三個輝煌的科學奇跡是相對論、量子論和混沌理論的創立。將混沌現象引入到大學物理實驗中，可使學生反溯擺的基本運動規律進行理論和實驗探索，激發其學習興趣，了解混沌現象及混沌理論，體會物理學科在現代生活中的重要作用。本實驗已編排為《理科物理實驗（第2版）：力學、熱學、電磁學、光學分冊》課程的力學實驗項目。

5） 介電常數的頻率特性

電容器存儲和釋放電能的能力產生了許多重要應用，比如攝影師使用的電子閃光裝置、中國正在建設的“Z機器”（Z Pulsed Power Facility）、電磁炮使用的電容器等。這些應用的原理均可反溯至電容器兩極板間電介質材料的性質。學生使用高精度阻抗分析儀與相應夾具，可學習測量電介質材料介電常數和損耗與頻率的關系。在此基礎上教師作點評與講解，使學生在掌握介電常數和損耗測量方法的同時，理解介電常數和損耗頻率特性的產生原因等源頭知識，并展望其應用。本實驗已編排為《理科物理實驗（第2版）：力學、熱學、電磁學、光學分冊》課程的電磁學實驗項目。

6） 磁耦合諧振實驗

磁耦合諧振，即兩個相同頻率的諧振物體將會產生很強的相互耦合，與遠離諧振環境的物體有較弱的交互，可實現無線能量的傳輸。其相關知識可反溯回耦合、諧振、頻率分裂等基本概念。磁耦合諧振是本科生電磁場理論教學中的難點，也是電磁學領域科學研究前沿。它是目前無線供電技術的一種解決方案，也是當前電氣工程領域最熱門的研究方向之一。基于磁諧振耦合理論的無線電能傳輸現象，既可從物理理論上通過經典的耦合模理論，也可用電氣、電工學科的LC共振電路模型來進行分析，創新性地引入大學物理實驗課堂教學、填補教學空白。歷時多年的課堂試用、課題組改進和優化了多線圈磁耦合諧振實驗系統，并將其編排為《理科物理實驗（第2版）：力學、熱學、電磁學、光學分冊》課程的電磁學實驗項目。

7） 聲懸浮實驗

聲懸浮技術對于懸浮物體的性質沒有特定要求，對聲場內的固體和液體均可以進行懸浮，技術適用度高，近年來逐漸發展應用于分析化學，材料科學，醫學等多個領域，是一種新興、前景極其廣闊的懸浮技術。其原理可以反溯至聲輻射力對抗重力以實現物體的懸浮。學生利用自搭實驗裝置，控制懸浮物體移動，可以引起較大的學習興趣和探索欲望。在實驗基礎上，教師作講解，使學生在熟悉控制懸浮物操作的同時，掌握聲輻射力以及駐波的原理和應用，理解現代科學技術新發展與基本物理現象和物理原理之間的關系。

8） 可變轉動慣量裝置與測量

轉動慣量是大學物理實驗教學中常見的實驗項目。在工業生產中，經常會使用具有大轉動慣量的飛輪進行慣性儲能。隨著儲能工業的發展，學界提出了可變轉動慣量的儲能方法，也即在較低的轉速下可以較低的轉動慣量運行，而在較高的轉速下其自身的轉動慣量可以增大，從而達到高效儲能的目的。基于這種可變轉動慣量的工作原理可以反溯至轉動慣量的測量、物體質量分布的變化與轉動慣量之間的關系等基本物理原理。在實驗基礎上，經教師講解，學生可探究可變轉動慣量裝置的轉動慣量測量，了解該裝置的轉動慣量變換原理，以及質量分布和轉動慣量之間的關系。

9） 材料相變熱的測量實驗

材料的相變過程在工業生產和日常生活中都有重要作用，而研究相變過程的手段往往需要采用價格高昂的專業儀器設備。為此，我們從相變過程的應用和測量手段入手，提起學生研究的興趣，從差熱分析方法反溯回溫度測量與熱流之間的關系，通過實驗室搭建的實驗裝置———開放式量熱裝置，讓學生從中探究物質傳熱的基本原理，理解現代測試技術與基本物理現象和物理原理之間的關系。

2 反溯教學法在本科生SRTP 科技創新項目中的實踐

開展本科生SRTP科技創新項目是提升能力的重要手段。為了將最前沿、最新科技成果與本科生實驗教學結合起來，我們嘗試使用反溯教學法指導本科生科技創新項目，力求做到“立足科技創新，輻射實驗教學”，并取得了一系列教育、教學經驗。課題組通過以本科生科技創新和物理實驗競賽相結合的方式，走出了一條“以賽促教”的新路。

2.1 《基于Sagnac效應的激光陀螺儀》SRTP 項目（在研）

陀螺儀是重要的角運動檢測裝置。課題組通過已有的氦氖激光管、反射鏡、分光鏡和陶瓷玻璃等元件設計搭建出簡單的激光陀螺儀（圖3（a））。其原理可反溯至角動量守恒、光干涉等基礎知識。通過制作和運行激光陀螺儀，研究高速旋轉下的物體性質。制作環形諧振腔，觀測并分析其中兩束光的干涉，及整個環形光路里形成的駐波現象（圖3（b））。自主設計和搭建了單激光分光的矩形雙循環干涉光路（圖3（c）），觀察并探究陀螺在不同速度的高速運轉下，駐波波結、波腹相對反射鏡的位置變化，鏡子轉動距離對干涉條紋變化的影響。

2.2 《雙擺的制作及其混沌現象的研究》SRTP 項目（結題）

混沌是非線性動力系統的固有特性，是非線性系統普遍存在的現象。牛頓確定性理論能夠充分處理的多為線性系統，而線性系統大多是由非線性系統簡化而來。項目對雙擺中的混沌現象產生原因以及可能存在的規律進行了理論上的探索研究，并基于理論力學中的拉格朗日方程與Runge-Kutta法給出了雙擺運動的軌跡模型，并對出現的混沌現象給出了一定的解釋與理解。利用Tracker軟件對圖像進行了數據處理與分析，初步判斷出在短周期內雙擺的運動是混沌運動。在簡易雙擺裝置的基礎上，課題組增加外部驅動裝置，進一步實現對雙擺施加可調的驅動力。基于混沌理論，即兼具質性思考與量化分析的方法，探討了雙擺動態系統中無法用單一的數據關系，以整體、連續的數據關系解釋和預測了擺動行為。

2.3 《模塊化的可見光通信設備研制》SRTP 項目（在研）

可見光通信技術是指利用可見光波段的光作為信息載體，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。可見光通信的主要優勢有綠色低碳，可實現近乎零耗能通信，還可有效避免電磁信號泄露等缺點，為快速構建抗干擾、抗截獲的安全信息空間提供支持。其原理可反溯至亥姆霍茲方程、能帶理論等基礎知識。課題基于基本通信電路，通過改善信號發出端的輸入信號以及信號接收端（硅光電池）的輸出信號，使最后得到的信息連續且清晰，并且基于這些成果，本項目將推進信息的數字化，將電路中基本的元件轉化成數字元件，通過編碼與解碼，利用信號發出端低延遲等特點，提高信息的傳遞效率。力求研制出具備模塊化特性的光通信小型設備，并設計實驗裝置，以展示優異的物理性能和廣泛的應用推廣度。該實驗裝置可用于教學演示、實驗教學以及中小學科普等場景。同時，我們期望通過該實驗裝置展示的原理和創新，能夠在通信技術中如蜂窩網絡等以及物聯網、智慧城市（家庭）、航空、航海、地鐵等領域中帶來創新應用和價值體驗。

2.4 《模塊化的超聲波懸浮與三維空間移動裝置的研制》SRTP項目（結題）

聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應。本課題基于目前較為穩定的平面相控陣技術，通過波動學、聲學等理論和實驗創新，一定程度上解決現存平面相控陣聲懸浮裝置的不足。勢能分布理論結果（圖4（a））揭示了空間中的勢能位點呈周期性分布，可反溯至勢能、駐波等基礎知識。課題組自主搭建了聲懸浮裝置（圖4（b）），從懸浮物的懸浮穩定性以及三維移動角度，開展了駐波聲懸浮中對懸浮小物件的操縱實驗，實現了聚苯乙烯小球懸浮（圖4（c））。并改進現有的平面相控制聲懸浮裝置，一定程度上解決其存在的操控、成本等問題。力求研制模塊化的設備，設計出具有優良的物理性能和推廣度的實驗裝置，可用于教學演示、實驗教學以及中小學生科普，并為其他勢場中的物體移動提供了新思路。

以北京科技大學2018級本科生牟天鈺為第一作者的論文《平面相控陣下微小固體的超聲波懸浮與移動》已發表于《物理實驗》[11]。以北京科技大學2019級本科生張燁為第一作者的論文《用平面聲波方式實現顆粒懸浮的理論討論》已發表于《物理與工程》[12]。

2.5 《柔性ITO 電極受周期性沖擊作用實時電阻表征》SRTP項目（結題）

柔性薄膜電極目前廣泛用于柔性顯示技術、可穿戴技術等領域當中，氧化銦錫（ITO）功能材料是其最重要的代表之一。柔性ITO 薄膜電極廣泛應用于光電器件、太陽能電池、平板液晶顯示和透明電磁屏蔽等領域，具有很高的科研價值。

其缺點是抗彎折能力差，易碎裂，使器件失效。研究柔性ITO 電極受彎折等應力作用下失效的物理過程和物理機制，并進一步提升柔性電極性能，成為本領域關鍵考量之一。課堂上，教師首先向學生展示了柔性聚對萘二甲酸乙二醇酯（PEN）襯底上ITO 薄膜的導電特性，及其易碎裂的物理現象，使學生思考如何進行物理表征。著重引導學生反溯伏安法等基本物理原理，發展出了一套原位實時電阻表征實驗系統。

該套實驗系統（圖5（a））可使柔性ITO 電極在不同撞擊半徑、方式、速率的作用下，產生彎曲、拉伸、針戳、折疊等多種變形，并實時測量其電阻變化（圖5（b））。學生自主設計儀器電路，進行Labview 虛擬儀器編程，實現了實驗參數及測量值的持續記錄和實時展示（圖5（c））。裝置通過滾珠絲杠將扭矩轉換成軸向反復作用力，使柔性ITO 電極按特定方式彎曲變形，在單片機控制下產生規律的應力變化（圖5（d））。

教學團隊引導學生對ITO 碎裂的過程做深入分析，探究在裂紋產生后電阻不斷上升的物理機制。在周期性沖擊過程中，導致ITO 薄膜電阻增加的主要原因是在其表面形成的微觀和宏觀尺度的裂紋。這些裂紋起源于ITO 和PEN 基底之間的楊氏模量差異、內部應力和外部疲勞載荷等因素。由于缺陷、位錯、褶皺、空洞和雜質粒子的存在，周期性沖擊初期產生的微觀裂紋通常較短且較淺，對電阻增加的貢獻較小，也即非特征性裂紋。隨著周期性沖擊的進行，非特征性裂紋的長度逐漸增加。當非特征性裂紋的深度達到ITO層厚度，ITO 層在厚度方向上完全破裂形成特征性裂紋，這種裂紋對電阻增加的貢獻更大。結合理論課程中學習過的“道爾頓板”原理，辨明了相應的微觀機制，并拓展為宏觀物理模型，實現了“從理論出發進行實驗，再用實驗結果拓展理論”的完整知識研習過程。

以北京科技大學應用物理專業黃昆班2018級本科生于姍姍為第一作者的全英文SCI論文《Real-Time Resistance Characterization of ITOFilm Electrode on Flexible Substrate Under PeriodicImpact》（《柔性襯底上ITO 薄膜電極在周期性沖擊作用下的實時電阻表征》）已發表于《MaterialsScience in Semiconductor Processing》（《半導體加工中的材料科學》）雜志[13]。相關的裝置已獲得實用新型專利[14]。

2.6 《具有優化納米織構的單結鈣鈦礦太陽能電池仿真研究》SRTP項目（結題）

太陽能電池和納米功能器件是凝聚態物理學在器件方面取得的較為突出的兩類成就。在半導體太陽電池表面生長具有周期性的納米材料陣列結構，可以大大提升太陽能電池的光吸收率。這一現象的物理基礎是陷光效應，已在單晶硅、多晶硅、微晶硅、砷化鎵等多種傳統無機半導體電池中得到應用。然而對于新興的鈣鈦礦電池行業，由于其電池結構的復雜性與特殊性，如何在其中引入周期性納米織構，以及其潛力究竟有多大，成為了亟待探究的問題。

實驗課程教學中，教師在講授《光的等厚干涉》《太陽能電池性能測量》等實驗時，通過圖片、視頻展示等方式講解半導體材料中陷光效應（light trapping effect）的存在，并介紹鈣鈦礦光伏材料的最新研究進展。通過電磁仿真動畫，介紹陷光效應是指通過在半導體表面或內部引入周期性納米織構增強光的吸收。這種現象的基本原理是延長光在材料中的傳播路徑，形成多次反射、散射和衍射，從而增強光吸收，并提高光電轉換效率。這一手段在傳統無機半導體太陽能電池中已得到廣泛應用。對于新興的鈣鈦礦太陽能電池，引入周期性納米結構并研究陷光效應的潛力具有重要意義，因為鈣鈦礦材料同樣具有良好的光吸收能力，而通過優化陷光效應，可以進一步提高電池的光電轉換效率。在此基礎上，教師進一步引導學生思考：太陽電池效率是否可能存在極限？如何求取這類極限？ 要求他們反溯在光學、電動力學、半導體物理學等課程中學習過的麥克斯韋方程組、電介質等知識，并介紹時域有限差分（FDTD）方法等仿真方法和基本織構類型（圖6（a）～（b））。設計電池結構后，應用FDTD方法研究“n-i-p”正型含周期性納米織構鈣鈦礦電池的光吸收和極限效率（圖6（c））。該SRTP項目中，學生在LumericalFDTD程序界面下通過自主編程，以織構類型、鈣鈦礦層厚度、織構高度、織構周期、占空比等參數對電池極限效率之影響為研究目標，進行了諸多探索（圖6（d）），并總結出一套可實際實現的含織構電池制備流程，分析了載流子濃度、載流子壽命等諸多物理量與電池效率的關系。

以北京科技大學材料物理專業2018級本科生關昊辰為第一作者的全英文SCI論文《SimulationStudy of Significant Optical Absorption Enhancementfor “n-i-p” Structured Perovskite SolarCells with Optimized Periodic Nano Texture》（《具有優化周期納米織構的“n-i-p”型鈣鈦礦太陽能電池顯著增強光吸收的仿真研究》）已發表于《Physica B》（《物理B》）雜志[15]。

2.7 《硅與鈣鈦礦疊層電池內制備納米織構提升電池效率》SRTP項目（在研）

傳統硅電池的效率已近極限。鈣鈦礦作為廉價光伏材料，可與硅結合形成硅/鈣鈦礦疊層電池，以較低成本大大提高效率。目前對高性能硅/鈣鈦礦疊層電池的研究局限于改變異質結硅底電池的硅片工藝、厚度、表面尺寸和復合材料等，從電池結構上做突破性改進的報道還較少。在實驗課教學中，我們首先介紹了疊層電池的概念，使學生親身感受硅電池與鈣鈦礦電池相結合的“1+1>2”之功效。在此基礎上，進一步講解頂電池和底電池之間的電流匹配關系，告訴學生在疊層電池中，頂部的鈣鈦礦電池和底部的硅電池在電流匹配方面需要進行優化，以確保電流在兩個層之間的平衡以最大化光能吸收。從現象入手，引導學生反溯折射率（圖7（a））、物質守恒定律等基本物理原理，自主推導疊層電池內頂電池和底電池的電流匹配關系，并在閱讀文獻后使用FDTD 方法論證最頂電池最優禁帶寬度范圍（圖7（b））。進一步地，引導學生尋找在硅/鈣鈦礦疊層電池內制備納米織構提升電池效率的方法，并予以實驗驗證。

以北京科技大學應用物理專業2019級本科生謝盈為第一作者的論文《Significant Enhancementof Ultimate Efficiency for Perovskite/c-SiTandem Solar Cell with Optimized Periodic NanoTexture》（《優化周期納米織構顯著增強鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池效率研究》）正在做最后整理，將于近期投出。

“授人以魚”不如“授人以漁”。為使學生能夠適應未來社會發展的挑戰，其關鍵在于“學會學習”。科學思維是“學會學習”的重要基礎，以“大學物理實驗”課程為基礎，在SRTP本科生科技創新項目的不斷錘煉下，我們通過教師學生、學生學生之間的互動探討與實踐探索，強化分析討論訓練，提高分析討論的深度，逐步培養訓練學生提出問題、分析問題并最終解決問題的能力。通過系統的實驗方法與技能訓練，在培養學生的實踐能力與創新意識的同時，訓練學生認知問題、提出問題與解決問題的思維能力，最終為學生應對未來工作、科技進步和社會發展做基礎性準備。

3 反溯教學法的深度開拓

反溯教學法在本科生物理實驗教學中得到了成功運用。為進一步開拓這一教學方法，課題組作了進一步的探索和挖掘，努力向教學輸送可轉化為本科生實驗內容和研究方向的潛在課題項目。所取得的研究成果正源源不斷地轉化為本科生訓練素材，為他們拓寬科學視野，進一步做好工作打下了良好的基礎。

3.1 《多線圈磁耦合諧振實驗儀》項目

通過對中、外大學物理實驗課程內容體系現狀進行廣泛調研，研究理論課與實驗課教學內容、知識體系和教學難點之間的相互關系，聚焦學生以后在生產、科研活動中對物理原理的應用和要求，課題組從開展科學研究的思路和角度出發，緊密結合物理學科專業特點與創新型人才培養需求，重新梳理了我校電磁學相關實驗項目。在物理實驗課程中引入基于“磁耦合諧振原理”的無線電能傳輸這一科學研究前沿內容，以完善課程體系，填補我校大學物理實驗教學空白。由于市場沒有成熟設備，課題組儀器設計團隊啟動了磁耦合諧振原理實驗儀的自研。

磁耦合諧振原理是本科生電磁場理論教學中的難點，也是電磁學領域科學研究前沿。歷時多年的課堂試用、改進和優化，團隊最終定型了多線圈磁耦合諧振實驗儀（圖8 （a）～（b））。

實驗儀由驅動線圈利用接入高頻交流信號產生交變磁場，發生近距離的電磁感應耦合使發射線圈產生自諧振。由于發射線圈和接收線圈擁有一樣的固有頻率，且與產生的交變磁場的頻率相同，因此發射線圈和接收線圈之間發生諧振。電磁能量在兩線圈之間實現周期性的交換振蕩，從而建立起一條能量傳輸的通路，發射線圈和接收線圈之間進行磁場能量的交換。通過近距離電磁感應耦合轉移到設備線圈，進而為設備提供電能，從而實現系統源源不斷的無線電能傳輸，可點亮“USTB”字樣LED燈（圖8 （c）～（d）），或為手機充電。在此基礎上，團隊通過理論推導、數學建模，探究了強耦合線圈裝置內品質因數等物理量與線圈數目、線圈半徑的關系（圖8 （e）），并研究了趨膚效應等現象。

該套實驗裝置設計巧妙，便于推廣。現象明顯、趣味性較強。可用于大學物理演示實驗、理論課堂教學演示等，開闊學生視野。系統的可拓展性強，學生通過自己動手組裝無線供電系統，調節諧振頻率，自制無線手機充電裝置，現場為自己的手機充電，體驗無線充電的生活方式和技前沿的孵化產品，使學生有強烈的成就感，培養學生對科技前沿探索的興趣。可直觀地對互感現象、諧振現象、頻率分裂現象、趨膚效應、電磁耦合模理論等進行演示與驗證，內容設計上既給學生留下了較大的發揮空間，難度恰當又不至于使學生難于上手，有利于學生的主動參與。相關的裝置已獲得實用新型專利[16]。

3.2 《LiTFSI等離子型化合物改性空穴傳輸層》項目

聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）具有可導電、透明度高、涂布能力強等優點，廣泛應用于固態電容、抗靜電涂層、印刷電子等領域。在“p-i-n”反型鈣鈦礦電池中，PEDOT：PSS常作為空穴傳輸層使用。然而PEDOT：PSS存在導電性不夠理想、具有酸性、易吸濕、在活性層表面浸潤性差等缺點，限制了相應反型鈣鈦礦電池的光電轉換效率和穩定性。

近10年來，通過摻雜等方法改進PEDOT：PSS材料的思路不斷涌現。其中，摻雜雙三氟甲磺酰亞胺鋰（LiTFSI） 等導電性增強摻雜劑以同時增強PEDOT：PSS材料導電性和耐彎折能力的研究獲得了很大關注。以多種方法表征PEDOT：PSS：Li的彎折失效現象（圖9（a）），制備優化后的電池（圖9（b）），并實現了16.8%的電池效率（圖9（c））。

論文《Enhancing Power Conversion Efficiencyand Anti-Bending Ability of Flexible PerovskiteSolar Cells with PEDOT：PSS：Li HoleTransport Layer》（《PEDOT：PSS：Li空穴傳輸層提高柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和抗彎曲能力》）已發表于《Journal of Physics D： AppliedPhysics》（《物理期刊D：應用物理》）雜志[17]。對這一課題的研究，可將對PEDOT：PSS：Li 材料物理性質的測量反溯至伏安法、能帶結構、庫倫作用力等基礎物理知識。課題組為此設計了進一步的實驗計劃和裝置，計劃于2022—2023年通過本科生SRTP項目予以實施。

3.3 《PVP修飾錫基鈣鈦礦》項目

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是重要的非離子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺類聚合物中最具特色，被研究得最深、最廣泛的高分子化學物質。紡織印染行業中，PVP因與許多有機染料有良好的親和力，可與聚丙烯腈、聚氨酯、尼龍、纖維素等多種類疏水性合成纖維相結合，具有較為成熟的加工技術。而這一點，與錫基鈣鈦礦材料構建柔性可穿戴器件的未來發展方向不謀而合，為其應用打下了良好的基礎。我們將PVP摻入甲醚錫碘（FASnI3）材料，并對其薄膜結構進行了分析（圖10（a））。所制錫基電池（圖10（b））實現了7.8%的效率。 時間分辨光致發光譜（TRPL）（圖10（c））和電池各層吸收率理論計算結果（圖10（d））驗證了FASnI3：PVP材料的結晶質量和光吸收能力。

論文《Enhancing Performance of Tin-BasedPerovskite Solar Cells by Polyvinyl PyrrolidoneDoping Strategy》（《聚乙烯吡咯烷酮摻雜提高錫基鈣鈦礦太陽能電池性能研究》）已發表于《OpticalMaterials》（《光學材料》）雜志[18]。課題中，錫基鈣鈦礦材料的光電性質可反溯至禁帶寬度、諧振子、載流子擴散長度等基礎物理知識。我們設計了進一步利用高聚物改進錫基鈣鈦礦的實驗裝置，并將之應用于鈣鈦礦光伏器件準備。

3.4 《含鋅離子液體Zn（NTf2）2 摻雜PEDOT：PSS》項目

以LiTFSI為代表的離子型添加劑在摻雜PEDOT：PSS領域應用中取得了良好的效果。然而，鋰離子在器件中易腐蝕ITO 層，降低器件的使用壽命。為此，我們進一步嘗試采用了基于鋅元素為基礎的雙三氟甲磺酰基酰亞胺鋅（Zn（NTf2）2）作為PEDOT：PSS層的添加劑，形成PEDOT：PSS：Zn（NTf2）2 材料。通過紫外發光光譜（UPS）探究其功函數（圖11（a）），并將其作為空穴傳輸層材料，應用于玻璃襯底與柔性襯底上結構為“ITO/PEDOT：PSS：Zn （NTf2 ）2/MAPbI3：PVA/PCBM/Ag”的電池（圖11（b））中，取得了18.4%的效率。

論文《PEDOT：PSS：Zn（NTf2）2 for Rigid andFlexible “p-i-n” Structured Perovskite Solar Cells：Strategies and Applications》（《PEDOT：PSS：Zn（NTf2）2 用于剛性和柔性“p-i-n”結構鈣鈦礦太陽能電池：策略和應用》）已發表于《Materials Letters》（《材料快報》）雜志[19]。與Zn（NTf2）2 等多價態離子液體相關的材料性能，可反溯至化學鍵成鍵、拉曼光譜等基礎物理知識，我們將圍繞這類新型材料的器件應用，進一步開展教學及科研實驗。

4 結語

綜上所述，課題組探索使用反溯教學法，從實驗室建設、新教材建設、新實驗編排、本科生科技創新、實驗課程與最新科研項目結合等角度，對“大學物理實驗”課程體系進行了全面的研究和建設，取得了顯著成效。課題組將繼續開展研究，結合新的教學實踐，緊扣科技發展前沿，進一步開展課程內容研究與建設工作。

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