利用新材料的制備與特性測試方法構建創(chuàng)新型物理實驗教學體系

李小云，董文鈞，崔 燦，李培剛，張曉波，史建君

(浙江理工大學 物理系，浙江 杭州 310018)

創(chuàng)新實驗的實施原則是興趣驅動、自主實驗、重在過程，強調實驗過程中學生在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面的收獲。在過去的教學中，學生很渴望了解社會發(fā)展的新動向，而且也有不少學生覺得大學物理實驗與現(xiàn)在的高科技前沿相差甚遠。這就給我們從事大學物理實驗課程教學的教師提出了新的挑戰(zhàn)，需要我們重新思考如何提高學生的學習興趣，實施創(chuàng)新實驗教學，將新技術融入到實驗教學中來[1-4]。

新材料作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的一個重要組成部分，根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年，我國將建立起具備一定自主創(chuàng)新能力、規(guī)模較大、產(chǎn)業(yè)配套齊全的新材料產(chǎn)業(yè)體系。新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要更多具有相關專業(yè)知識的專業(yè)型和復合型的人才，而且，新材料的發(fā)明、發(fā)展及應用過程本身就是一個最好的創(chuàng)新過程。因此把新材料，特別是納米材料的制備與特性測試融入創(chuàng)新性物理實驗中，使之與物理實驗教學相結合，通過實驗過程使學生充分了解新材料、新科技的物理工作原理和應用潛力，引發(fā)學生的好奇心，提高學生動手做實驗的樂趣，并對物理在新材料前沿領域中的重要性有深入探究的意愿，形成創(chuàng)新教育的氛圍，這是很有必要的。本文從新材料的制備與特性測試方法融入創(chuàng)新型物理實驗的教學模式、創(chuàng)新實驗教學新體系的具體內(nèi)容以及實踐效果等幾個方面對此進行了闡述。

1 新材料的制備與特性測試方法融入創(chuàng)新型物理實驗的教學模式

以“興趣激發(fā)、自主探究、自主設計、創(chuàng)新實踐”為思路，以“啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式”以及 “內(nèi)容層次化、實驗自主化、培養(yǎng)個性化、時間自由化”為模式，把新材料物理特性測試方法融入到創(chuàng)新型物理實驗教學中來，從而為學生營造獨立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的新環(huán)境[5]。創(chuàng)新體系如圖1所示。

第一層次為演示探索實驗。這些實驗裝置簡單、主題突出、效果直觀、生動形象，還具有很強的啟發(fā)性、時代性和趣味性，在幫助學生理解和掌握相關物理概念、提高學生學習積極性和激發(fā)學生學習興趣方面起到重要作用。

第二層次為新材料特性測試實驗。依托物理系的光電材料與器件中心進行新材料的制備，并運用物理實驗知識和技術對材料的特性進行表征。通過實驗讓學生了解物理科學在新興尖端科技中不可缺少的重要性，在獲取扎實的物理實驗技能的同時開闊了視野，進而激發(fā)深入探究的高度意愿。

第三層次為新材料設計實驗。透過親自動手制作尖端科技材料或器件，親自驗證其自制器件的可用性，通過實驗過程充分了解新材料的物理工作原理和應用潛力，使得參與者獲取具體且扎實的學習成效。

第四層次為研究創(chuàng)造性實驗。包括對新理論的研究、實驗方法和技術的改進，以及新材料的應用。此類實驗大部分來自教師科研工作中有待于探討的問題，一般通過創(chuàng)新性實驗計劃、新苗人才計劃、科研訓練計劃、創(chuàng)新大賽等形式進行，目的是培養(yǎng)學生的科研興趣和創(chuàng)新能力[6-13]。

2 創(chuàng)新實驗教學新體系的具體內(nèi)容

第一層次演示探索實驗。我們開設了“記憶合金”(如圖2的金屬花的“光合作用”、圖3的記憶合金水車)、“手觸電池”、“變色珠子”、“絕緣體變導體”、“溫差電磁鐵”、“壓電效應”、“半導體凈化器”等集演示與探究為一體的自主探究性實驗。學生自己動手去觸摸這些有趣的、真實互動的現(xiàn)象，極大增強了學習的興趣，喚起了好奇心。同時利用多媒體導學系統(tǒng)，以圖片和文字相結合的方式展示這些現(xiàn)象背后的歷史故事、緣由發(fā)展和在日常生活或國防科技領域的實際應用等內(nèi)容。目的是開闊學生眼界，激發(fā)學生學習物理的興趣，催生學生科學探索的動力。

圖2 金屬花的“光合作用”

圖3 記憶合金水車

第二層次新材料特性測試實驗。我們開設了“納米復合紡織材料制備與性能測試” 、“高溫超導薄膜的制備與性能測試”、“光電功能薄膜的制備與特性分析”、“鈣鈦礦納米材料的制備及電學性能的研究”等實驗。此類實驗由于材料的制備過程時間長，實驗比較復雜，制備設備只有1～2套，其制作過程讓部分學生參與，但制作實驗流程的每一步驟均以數(shù)碼照片和錄像存于電子化教材內(nèi)。實驗教學更側重于實驗技術與方法的學習，比如：利用光譜儀對納米復合紡織材料的透光性進行測試，通過實驗使學生掌握光譜儀的結構原理、使用方法，包括光路的搭建以及軟件的使用等；利用萬能電橋、讀數(shù)顯微鏡，電極來測試織物介電常數(shù)，通過實驗使學生掌握萬能電橋、讀數(shù)顯微鏡的測量原理以及織物介電常數(shù)的測量方法?！案邷爻瑢П∧さ闹苽渑c性能測試”中，學習用V-I四引線法，測量電阻-溫度的關系，確定超導材料的轉變溫度。在“鈣鈦礦納米材料的制備及電學性能的研究”實驗中，用居里溫度測試儀測量自制材料的居里溫度，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察制備的薄膜的表面特征，通過實驗，學習這些設備的工作原理和方法。為了研究BaTiO3的電學性能，制作了 Pt/ BaTiO3/Ti結構的電容器器件，如圖4所示。在室溫下測量所制備樣品的電壓電容(C-V)曲線，利用鋸工塔電路測量Pt/BaTiO3/Ti器件得到電滯回線，如圖5(a)、(b)所示[14-15]。實驗中所用的這些儀器目前國內(nèi)都有生產(chǎn)，價格相對于國外進口儀器比較低，已經(jīng)成為材料、物理、化學等實驗室中常見的設備，近年來實驗中心對這些儀器進行了配置，在教學實驗中取得了良好的應用效果。基礎知識與應用技術相結合, 不但豐富了實驗內(nèi)容、拓寬了知識面，也有助于提高學生的科研興趣。

圖4 電學性能測試的裝置器件圖

圖5 (a)Pt/BaTiO3/Ti器件的C-V曲線, (b) BaTiO3的電滯回線

第三層次綜合設計型實驗。精選一些新材料進行簡易的DIY制備與性能測試。此類實驗的設計原則是：在普物教學實驗室內(nèi)即可完成；所選用的實驗藥品、器材和實驗過程中所產(chǎn)生的中間物或產(chǎn)物均無環(huán)境污染，且不具危險性；不需使用昂貴或高精密儀器設備與器材；所使用的藥品和實驗耗材以物美價廉為原則，且易于購得。我們精選的實驗有 “電流變液的制備與測試”、“太陽能電池的制備與測試”、“量子點的制備與測試”等。電流變液是固體微顆粒在基液中組成的懸浮液，在外加電場作用下它們的結構和性能表現(xiàn)出獨有的特征，可在瞬間由液態(tài)轉變成固態(tài)，其黏度陡然增大以至失去流動性。當外場撤除后材料迅速恢復到原來的狀態(tài)。這種轉換是無級可逆、可控的，響應時間僅為毫秒級，轉換所需能耗很低，因而電流變液在液壓系統(tǒng)、減振裝置、印刷、光學以及機電一體化等領域顯示出巨大的應用前景。在實驗過程中，學生自主設計新型電流變液材料制備的簡易流程，設計實驗對電流變液材料的粘滯系數(shù)、介電常數(shù)、電壓屈服特性、楊氏模量等進行測量。在“太陽能電池的制備與測試實驗”中，學生通過組裝一種簡易的量子點太陽能電池(如圖6所示)，利用光電轉換效率測試儀檢測太陽能電池的光電流效率，利用半導體測量系統(tǒng)檢測太陽能電池的電流-電壓變化曲線，了解太陽能電池的材料性質、太陽能電池的結構和工作原理，以及在太陽能電池研究中使用的基本檢測方法。從近年的教學情況看，本實驗的實施效果良好，學生普遍對太陽能電池有較濃厚的興趣[16-19]。

第四層次研究探索實驗。在二、三層次實驗基礎上，積極鼓勵、引導對以上領域的研究有興趣的學生進入創(chuàng)新實踐教學平臺，直接面對科學前沿，教會學生在科學研究的實踐中學習，進行科學研究訓練。此類實驗主要是以科技立項和課外科技競賽的形式開展，具體形式有創(chuàng)新性實驗計劃、新苗人才計劃等科研訓練以及課外科技競賽，如“挑戰(zhàn)杯”、 “創(chuàng)業(yè)計劃大賽”等大學生課外科技活動。其中 “量子點染料共敏化二氧化鈦太陽能電池”、“CdS量子點敏化ZnO納米柱陣列太陽能電池的研究”、“納米纖維生物支架材料的制備與應用”、“便攜式光催化水處理車”等項目就獲得2013年浙江省大學生科技創(chuàng)新計劃(新苗計劃)的立項資助；“SiC/TiO2結構與功能仿生型納米骨骼材料的制備與應用”獲2013年浙江省大學生挑戰(zhàn)杯科技競賽特等獎。為了完成各類競賽和科研題目，每個本科生都在課堂教學內(nèi)容的基礎上，自學了大量的課堂教學沒有涉及到的內(nèi)容，并靈活運用。經(jīng)過此環(huán)節(jié)的訓練，學生的理論水平及實踐創(chuàng)新能力均得到較大的提高，并初步形成了良好的學習和研究習慣。

圖6 制備TiO2太陽能電池的實物流程圖

3 實踐效果

新材料制備及物理特性測試方法融入創(chuàng)新型物理實驗以來，學生反響熱烈，認為課程與當今科學發(fā)展關聯(lián)度高，激發(fā)了他們的學習興趣與創(chuàng)造性思維，學會了研究、分析、解決問題的方法和思路。經(jīng)過近年來的實踐，這一舉措已獲得了明顯的成效。在系列納米材料的制備與特性測試實驗的引導下，3年來，學生課外科技立項就有50余項，其中省級以上“大學生創(chuàng)新性實驗項目”有30多項，獲省部級及以上學科競賽獎勵20多項，公開發(fā)表論文20余篇，獲專利10多項。從應用物理專業(yè)畢業(yè)生看，學生的動手能力和思考能力受到了社會各界的廣泛好評，物理系近年來每年都有近10%的學生考入中國科學院研究所深造，2011年更是創(chuàng)造了同寢室4人一起考上中科院的佳話，2013屆物理本科畢業(yè)生共37人，其中11人考取中科院8個研究所，被戲稱為“中科班”；物理專業(yè)學生的就業(yè)率每年都在90%以上，名列全校各專業(yè)前列。

4 結束語

利用新材料的制備與特性測試方法構建創(chuàng)新型物理實驗教學體系，使物理實驗與當前的科學研究前沿及科技發(fā)展相聯(lián)系，增加實用性和針對性，消除了學生對科研領域的疏離感，排除跨領域學習的障礙，增強了學生自主學習、主動實踐和研究探索的積極性。把科學研究的成果融入實驗課教學，用全開放的研究性實驗充實傳統(tǒng)的物理實驗教學，擴大了綜合性、設計和研究性實驗選題范圍和內(nèi)容，為本科生提供了從事創(chuàng)新實踐的舞臺，同時也探索出了一種培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實驗教學新模式。

[1] 教育部,財政部.關于實施高等學校創(chuàng)新能力提升計劃的意見[Z].教技[2012]6號.

[2] 教育部.關于全面提高高等教育質量的若干意見[Z].教高[2012]4號.

[3] 中共中央，國務院.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[4] 教育部.國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1016713.htm.

[5] 李小云，史建君，張曉波，等.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式在物理實驗與實踐教學環(huán)節(jié)中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，30(6)：258-261.

[6] 麻煥鋒，董若穎.拓展近代物理實驗提高本科生創(chuàng)新意識[J].大學物理實驗，2013，26(1)：1-7.

[7] 解光勇，施衛(wèi)，屈光輝，等.面向學生能力培養(yǎng)的大學物理實驗教學探索與實踐[J].大學物理實驗，2012，37(2)：106-109.

[8] 肖湘衡，趙新月，馮輝，等.納米陣列的可控制備技術在實驗教學中的開展[J].大學物理實驗，2013，26(1)：52-54.

[9] 李學慧，徐朋，張秀玲，等.物理實驗教學與科學研究融合，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識與能力[J].實驗技術與管理，2009，26(8)：5-7.

[10] 薛艷茹，劉敏，趙彤，等.依托學科競賽，提高地方院校大學生創(chuàng)新能力[J].實驗技術與管理2013，30(6)：170-173.

[11] 吳肖，熊建文.物理設計性實驗中的學生實驗行為[J].實驗室研究與探索，2013，32(1)：109-110.

[12] 方霞，任亞梨.本科生課外科研訓練體系的建立與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32(1)：132-135.

[13] 杜龍兵，徐書克.淺析大學生創(chuàng)新實驗計劃項目[J].實驗室研究與探索，2012，31(2)：82-84.

[14] Fuentes S, Z rate RA, Ch vez E, et al.Synthesis and characterization of BaTiO3nanoparticles in oxygen atmosphere[J].Alloys Compd, 2010, 505: 568-572.

[15] Xu J, Zhai J, Yao X.Structure and dielectric nonlinear characteristics of BaTiO3thin films prepared by low temperature process[J].Alloys Compd, 2009, 467: 567-571.

[16] 戴明鳳、邱立翰.染料敏化太陽電池-奈米TiO2晶粒和藍梅或覆盆子的汁液作為染料DIY制作染料敏化太陽電池[M]//奈米科技實驗手冊.教育部中北區(qū)奈米科技K-12教育發(fā)展中心系列叢書，2007:110-134.

[17] 美國威斯康新州立大學麥迪遜分校化學教育研究所(Institute for Chemical Education, University of Wisconsin-Madison，WI，US)[EB/OL].http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/TiO2/.

[18] David R B, Prashant V K.Photosensitization of TiO2Nanostructures with CdS Quantum Dots: Particulate versus Tubular Support Architectures[J].Adv Funct Mater, 2009,19(5): 805-811.

[19] Lee Y L, Lo Y S.Highly Ef cient Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell Based on Co-Sensitization of CdS/CdSe[J].Adv Funct Mater, 2009,19(4): 604-609.