以“課外趣味科研”輔助理工科教學的探究

以“課外趣味科研”輔助理工科教學的探究

張佳，翟章印

(淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安 223300)

摘要:針對大學理工科相關課程中的一些理論知識較為抽象、學生對此類知識學習興趣淡薄這一問題，嘗試提出以“課外趣味科研”作為平臺，靈活地將教材理論知識和相關科研實驗相結(jié)合，通過學生在實驗操作中直觀的理解，發(fā)掘其對相應理論知識的學習興趣，從而增加其對知識點的理解深度，并達到學以致用的目的.作為示例，文章以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+熒光粉材料的制備和發(fā)光性質(zhì)研究”這一課題為基礎，結(jié)合原子物理學及材料學中的能級躍遷、離子摻雜、X射線粉末衍射分析等理論，系統(tǒng)地闡述如何通過課外科研實踐來輔助教學，實現(xiàn)理論與實踐的有效結(jié)合，這些對相關課程的教學改進是一個很有價值的參考.

關鍵詞:輔助教學；課外趣味科研；熒光粉；發(fā)光性質(zhì)

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.10.019

收稿日期：2015-07-02

基金項目：江蘇省自然科學青年基金資助項目“單一基質(zhì)白光LED用熒光粉的助熔劑法合成、形貌及發(fā)光性質(zhì)研究”(BK20140456)

作者簡介：張佳，男，河北石家莊人，講師，博士．

中圖分類號：O433文獻標志碼：A

對于大學階段的課程學習，由于缺少明確目標的指引和較強的自控能力，很多學生往往疏于學習和深入探討，有些甚至還會逐漸形成懶惰情緒最終淡化主動學習的意識.于是，如何開辟新的教學角度來提升學生的學習興趣并最終使其學習由被動變?yōu)橹鲃泳统蔀橐粋€值得深思的問題.

1理工科教學改革的研究背景

近年來，隨著國家相關政策的出臺，全國各高校招生規(guī)模不斷擴大；為了提高學生的綜合素質(zhì)，高校開設的課程種類也有增多，而分配到某些課程的課時就相應有一定的縮減[1,2].另一方面，對于理工科學生的某些理論學習，教學內(nèi)容本身枯燥無味，一些公式定理單靠死記硬背很難達到預期的理解程度和理想的教學效果.雖然可以由一些資深教師通過長期的教學經(jīng)驗總結(jié)出一套近乎完美的教學過程和方法來提升學生的學習效率，但這畢竟需要資深教師較長的教學年限和較多的教學周期改進才能實現(xiàn).尤其是對于一些非常重要的基礎課程，在教學方面的改革就必不可少.例如，作為經(jīng)典物理與近代物理連接紐帶的“原子物理學”，既是普通物理的一部分，也是進一步學習理論物理和從事材料、信息、光學等相關學科的研究基礎[3]，所涉及的現(xiàn)象、內(nèi)容繁雜，信息量大，若全部內(nèi)容采取課堂講授方法進行，不僅難以完成教學內(nèi)容，而且會使學生感到負擔太重[4]，因此必須重視物理實驗、物理圖像、物理思想及物理模型的引入，以優(yōu)化教學效果[5].基于上述理工科教學現(xiàn)狀，為了更快地提升學生的學習興趣，并牢固其學習內(nèi)容，本文嘗試提出在教學過程中，適當引入相關“課外趣味科研”的內(nèi)容與平臺，結(jié)合相關的教學理論知識，讓學生親自動手操作實驗，最終實現(xiàn)教學與實踐的有效結(jié)合，提升學生的學習興趣，并達到學以致用的教學目的.下面，本文就以“材料物理”專業(yè)所學的“原子物理學”中的能級躍遷和“材料分析方法”等課程中的X射線粉末衍射(XRD)及離子摻雜等相關知識為學習目標，結(jié)合“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+熒光粉材料的制備和發(fā)光性質(zhì)研究”這一課題，探究大學生課外趣味科研如何對專業(yè)知識進行輔助學習.

2“課外興趣科研”解決的教學問題

根據(jù)相關教材的重難點內(nèi)容，以課外興趣科研作為輔助手段，重點從概念的理解、高端儀器工作機理的熟知及物理化學理論的學習三個方面，理論聯(lián)系實踐，讓學生真實地觀察到相應的物理化學現(xiàn)象，彌補課堂上單一抽象講授模式的缺點，并且提升學生對專業(yè)知識的學習興趣，為未來的科研發(fā)展之路奠定一定的基礎.下文的探討也主要圍繞此三方面問題進行說明.

3“課外興趣科研”方案的操作方法

一般而言，嚴謹?shù)目蒲袑嶒炘O計應具有可重復性，但實驗操作過程中，由于時間、地點及人為因素使得實驗結(jié)果可能存在一定偏差或偶然性.因此，為了評價不同學生實驗過程及結(jié)果的準確性，激發(fā)學生對實驗偏差進行主動思考的意識，從而進一步使其對相關學習內(nèi)容產(chǎn)生興趣，在實際科研課題安排中，可進行分組對比設計.本文涉及的科研課題以一個班30人為例，每6人為一組，共計5組.以組為單位，每組成員協(xié)同合作，共同操作實驗并得出實驗結(jié)果，最后將這5組實驗數(shù)據(jù)進行比較，并促使學生重點從以下若干方面進行學習.

4本文“課外興趣科研”解決問題的效果

以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+熒光粉材料的制備和發(fā)光性質(zhì)研究”這一課題為例，針對相關教學內(nèi)容，可重點獲得下面三方面的學習效果.

4.1相關概念的理解

(1)教學中的問題.在材料學中，為了改善材料性能或使材料產(chǎn)生某些特性，一個有效的手段就是對樣品進行摻雜，對“摻雜”概念的理解是學習“材料物理”專業(yè)的一個基本要求.“摻雜”書面直觀的定義為“在化工、材料等領域中，為了改善某種材料或物質(zhì)的性能，有目的地在這種材料或基質(zhì)中摻入少量其它元素或化合物”.然而，若僅局限于教材上的文字敘述，難免過于抽象.因為這個過程具體如何實施，外來物是簡單地混入母體材料還是嚴格地遵照一定的規(guī)則？相信學生心中難免存在疑問，若能在教學進行的同時，有目的地設計一些相關對比科研實驗來描述這一問題，這對于學生對概念的理解是十分有益的.

(2)解決辦法.本項目理論結(jié)合實踐，親自使學生接觸并操作“摻雜”這一過程，相信學生對此概念的理解會更加深刻牢固.為此，本研究中涉及了Eu3+離子在Ca10Na(PO4)7基質(zhì)材料中的摻雜.其中，Eu3+離子取代的是Ca2+離子，由于是不等價取代，所以采用Na+離子作為電荷補償劑，分別以1mol%的Eu3+和1mol%的Na+取代2mol%的Ca2+，最終獲得Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+樣品，同時制備Ca10Na(PO4)7基質(zhì)材料以作對比.具體實驗過程如下：制備方法采用高溫固相法，初始原料為Na2CO3(99%), CaCO3(99%), (NH4)2HPO4(98.5%)及Eu2O3(99.99%)，將原料按化學計量比稱量后，在瑪瑙研缽中進行研磨使其混合均勻.研磨后的原料用坩堝先在600℃預燒3個小時，隨后在還原氣氛下(N2:H2= 95 : 5)以1050℃燒結(jié)3個小時，冷卻后將之取出并研磨成粉末即得最終樣品.經(jīng)過上述系列過程，學生不僅真切地學習了“摻雜”的理論內(nèi)涵與實踐過程，還體會到由自身勞動獲得成果后的成就感，從而進一步增加了其對專業(yè)知識及科研方面的學習興趣，并為以后的發(fā)展促使養(yǎng)成良好習慣及奠定相關素養(yǎng)基礎.

4.2測試儀器的原理學習

(1)教學中的問題.以XRD為例，其理論學習對于材料學專業(yè)的學生而言是一個學習重點和難點，尤其是其衍射花樣的產(chǎn)生原因和機理較為抽象，若直接依賴教材層面的講授，可能會導致學生理解不深且沒有直觀的印象，因此，若能借助相關實踐并使其切實地觀察到衍射結(jié)果，勢必會增加學生的學習興趣和記憶深度.

(2)解決辦法.眾所周知，布拉格方程2dsinθ=nλ或2dHKLsinθ=λ是晶體產(chǎn)生衍射的必要條件[6]，當λ一定時，d、θ為變量，即具有不同d值的晶面對應著不同θ角，也就是說用波長為λ的X射線照射晶體時，每一個產(chǎn)生衍射的晶面對應著不同的衍射角.為了直觀地理解這一點，圖1展示了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+樣品的XRD圖，可見，在不同的衍射角處產(chǎn)生了不同強度的衍射峰，每個衍射峰都有對應的晶面指數(shù).這個結(jié)果很好地展示了衍射角和衍射晶面的對應關系，并且直觀地觀察到了衍射峰的出現(xiàn).此圖中下部顯示了該樣品的標準PDF卡片(JCPDS # 45-0339)，可見，樣品的XRD花樣可以和標準卡片的花樣相吻合，沒有其它雜峰，說明做出的樣品為單相.借助上述例子，我們在教學過程中理論結(jié)合實踐，不僅可以證明XRD理論的實際用途，同時還能直觀地印證XRD的相應理論，讓學生達到一箭雙雕的學習效果.

圖1　Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1 Na +樣品的XRD圖

4.3物理理論的學習

(1)教學中的問題.以“發(fā)光”這一現(xiàn)象為例，“原子物理學”相關知識介紹，物質(zhì)的發(fā)光是由電子在能級間躍遷產(chǎn)生的，電子躍遷本質(zhì)上是組成物質(zhì)的粒子(原子、離子或分子)中電子的一種能量變化，粒子的外層電子從低能級躍進到高能級的過程中會吸收能量，而從高能級躍進到低能級則會釋放能量，其能量為兩個能級能量之差的絕對值.對于這一概念本質(zhì)，雖然理論上的描述較為簡單，但將之用于實踐來解釋相關現(xiàn)象還較為空缺，不能達到學以致用的目的.

(2)解決辦法.為了更好地使學生理解能級躍遷現(xiàn)象，并直觀地觀察到由能級躍遷產(chǎn)生的相應光譜圖形，本研究給出了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1Na+材料的激發(fā)與發(fā)射光譜，這些正好體現(xiàn)了“發(fā)光”這一知識點.

圖2　(a)Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1 Na +樣品的激發(fā)光譜，

第一步，發(fā)光材料中的能級躍遷可用光譜圖直接反映，這大大增加了學生對抽象理論的直觀接觸.為此，圖2(a)展示了Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1 Na+樣品在611nm監(jiān)控下的激發(fā)光譜，可見，在300～500nm范圍內(nèi)，出現(xiàn)了若干個Eu3+的尖峰激發(fā)，最強峰位于393nm，歸屬于Eu3+的7F0-5L6躍遷[7].由此可見，在近紫外到藍綠光激發(fā)范圍內(nèi)，樣品可以被有效激發(fā)而發(fā)生能級躍遷.為了進一步證實這一點，圖2(b)給出了此樣品在393nm激發(fā)下的發(fā)射光譜.可見，在550～725nm的波長范圍內(nèi)，出現(xiàn)了5組發(fā)射峰，其中最強峰位于611nm，歸屬于Eu3+的5D0-7F2躍遷，其它四組較弱的發(fā)射峰分別位于579nm、591nm、651nm和698nm.這個結(jié)果進一步說明了此樣品在近紫外光的激發(fā)下可以發(fā)生電子躍遷并產(chǎn)生可見光發(fā)射.

第二步，將實驗觀察到的光譜圖還原為教材中抽象的能級躍遷圖，以輔助學生對這一知識點的轉(zhuǎn)化和理解.于是，圖3呈現(xiàn)了圖2中Ca9.8Na(PO4)7:0.1Eu3+,0.1 Na+樣品激發(fā)與發(fā)射過程的能級躍遷示意圖.在393nm激發(fā)下，樣品中Eu3+發(fā)光中心位于基態(tài)7F0能級的電子被激發(fā)而躍遷至激發(fā)態(tài)5L6能級，被激發(fā)的電子在此能級上不能長期穩(wěn)定存在，而會向較低激發(fā)態(tài)能級發(fā)生非輻射弛豫，最終大部分電子弛豫到5D0激發(fā)態(tài)并發(fā)生579nm、591nm、651nm和698nm的能級躍遷，其能量以光子的形式釋放出來.由此可見，能級圖和實驗發(fā)光光譜相結(jié)合更容易使學生理解電子躍遷的過程和概念.

圖3　Ca 9.8Na(PO 4) 7:0.1Eu 3+,0.1Na +樣品激發(fā)

3結(jié)論

綜上所述，為了提高大學生的學習興趣，并加深其對相關理論知識的理解，本文提出在學習上理論結(jié)合實踐，通過大學生課外趣味科研這類課題，較好地對教材中的理論知識加以詮釋，并使學生的自主學習能力和實踐能力得到進一步提高，最大程度上實現(xiàn)輔助教學的目的.為此，本文以“Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+熒光粉材料的制備和發(fā)光性質(zhì)研究”這一大學生課題為例，結(jié)合原子物理學中能級躍遷及材料學中XRD分析及摻雜這些基礎知識，系統(tǒng)地開展了理論和實驗的結(jié)合學習，并對相關操作流程給予了詳細的描述和分析，總體上達到了預期的效果.以上成果可以對相關教師的教學提出一定的思考，并具有較好的參考價值.

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(責任編輯:王海波)

Exploration of Assisted Instruction for Science and Engineering by

Extracurricular Interesting Scientific Research

ZHANG Jia,ZHAI Zhang-yin

(SchoolofPhysicsandElectronicElectricalEngineering,HuaiyinNormalUniversity,

Huai'an，Jiangsu223300,China)

Abstract:Aiming at the problem that some theoretical knowledge is abstract for the relative courses of science and engineering and the students have weak interest to this kind of knowledge.this paper proposes tentatively to combine the theoretical knowledge of textbooks and the relative scientific research experiments based on "extracurricular interesting scientific research".According to the students' intuitive understanding from the operations in experiments,it can develop their interest of studying the corresponding theoretical knowledge,which will increase the depth of understanding to the knowledge points and achieve the aim of making study serve the practical purpose.This paper takes the project "Investigations on preparation and luminescence properties of Ca10Na(PO4)7:Eu3+,Na+ phosphors" as an example to interpret systematically how to assist teaching by using the extracurricular scientific research practices and combine the theory and practice effectively on the basis of combination for the energy level transition,ions doping,X-ray power diffraction and so on.All the above results could be valuable reference to improve instruction of the relative courses.

Key words:Assisting teaching；Extracurricular interesting scientific research；Phosphor；Luminescence properties