以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的融入促進(jìn)大學(xué)物理學(xué)習(xí)

張紅燕

【摘 要】文章依托新疆大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大學(xué)物理研究型教學(xué)模式的探討，用一些具體的實(shí)例進(jìn)行了說明。通過兩年的實(shí)踐，學(xué)生不僅對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而且學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、科研能力、學(xué)術(shù)規(guī)范意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神都得到了培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目 大學(xué)物理 興趣 科研工作

大學(xué)物理是理工類高校一門重要的基礎(chǔ)課程。物理學(xué)的發(fā)展不僅對(duì)人類物質(zhì)文明的進(jìn)步和人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的深化起到了重要的推動(dòng)作用，而且為科學(xué)技術(shù)，尤其是高新技術(shù)提供了理論證明和技術(shù)支持。當(dāng)今的大學(xué)物理課程，無一不與高新技術(shù)和其他尖端學(xué)科相互交叉，相互滲透，這也決定了大學(xué)物理廣泛的適用性、巨大的活力和很強(qiáng)的重組能力。針對(duì)大學(xué)物理這種知識(shí)結(jié)構(gòu)較為寬泛且邏輯性強(qiáng)，對(duì)高等數(shù)學(xué)要求高，又和當(dāng)前各個(gè)學(xué)科研究的前沿似乎相去甚遠(yuǎn)等現(xiàn)象，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何讓經(jīng)典的物理知識(shí)進(jìn)入科學(xué)研究的前沿，成為一個(gè)值得探討的問題。

科學(xué)研究是學(xué)校的基本職能之一。近年來，許多高校用“以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動(dòng)科研”的理念來指導(dǎo)大學(xué)物理教學(xué)，教給學(xué)生基本的科研方法和初步的科研創(chuàng)新能力，使學(xué)生自主地學(xué)習(xí)物理知識(shí)，促進(jìn)學(xué)科建設(shè)，實(shí)現(xiàn)文化傳承和創(chuàng)新。大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是教育部為推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)工作的一項(xiàng)重要舉措，它的主要目的是探索并建立以研究課題為核心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以本科生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革。通過項(xiàng)目實(shí)施，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。筆者在從事大學(xué)物理教學(xué)的同時(shí)也在進(jìn)行科研工作，科研方向?yàn)榧{米光學(xué)材料。下面筆者將國家級(jí)本科生創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)施融入到大學(xué)物理教學(xué)中進(jìn)行一系列的探討，為進(jìn)一步推動(dòng)高等教育教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量提供一些經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

一、用納米世界引發(fā)學(xué)生求知興趣

人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)永無止境，一方面向無限大的宇宙探索，一方面向無限小的微觀世界開拓。納米世界就是人類探索微觀世界發(fā)現(xiàn)的新大陸。物質(zhì)在納米尺度上發(fā)生了許多不同于宏觀世界的奇妙物理和化學(xué)變化，蘊(yùn)藏著更多的神秘莫測但又充滿誘惑的奧秘。在真正進(jìn)入科研工作前，除了讓學(xué)生多讀一些科研文獻(xiàn)外，還要讓學(xué)生有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，以引起學(xué)生對(duì)科研的興趣。比如先給學(xué)生看制備樣品的表面及截面形貌圖，而不是像培養(yǎng)研究生那樣要等到良好的物理性質(zhì)測出來后再測形貌圖。這種測試順序與從事科研的測試順序相反，主要目的是讓學(xué)生能從新奇的事物上找到興趣，進(jìn)行自主自發(fā)的學(xué)習(xí)。

圖1：（a）多孔硅表面形貌圖；（b）多孔硅截面形貌圖

圖1是用電化學(xué)腐蝕的方法將N型（100）的硅基浸泡在體積比為1∶3的氫氟酸與乙醇混合溶液中，通以電流密度為50mA/cm2的電流腐蝕20min制備得到的多孔硅表面及截面形貌圖。多孔硅呈現(xiàn)出海綿狀的表面形貌，其孔徑大小約為2-3.5μm，厚度約為7μm。當(dāng)學(xué)生看到自己制備樣品的形貌后，由于其形貌與自己在課堂上所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)不盡相同，會(huì)對(duì)其表示出極大的興趣。這個(gè)時(shí)候教師可以告訴學(xué)生大學(xué)物理中的波動(dòng)光學(xué)就是掃描電鏡成像的基本原理，電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生透射電子、彈性散射電子、能量損失電子、二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和電動(dòng)力等，掃描電子顯微鏡就是利用這些信息來對(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測定的，且具有很多優(yōu)越的性能，廣泛地應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、材料、地質(zhì)等領(lǐng)域，是用途最為廣泛的一種多功能儀器。當(dāng)學(xué)生了解到這一點(diǎn)時(shí)，教師可以順理成章地啟迪學(xué)生思考這樣一個(gè)問題：大學(xué)物理是不是驗(yàn)證了過去最先進(jìn)的科學(xué)研究成果？而我們現(xiàn)今的研究工作究竟能不能離開物理學(xué)？

二、從大學(xué)物理最基本的概念過渡到科研工作

在正式進(jìn)入到科研工作前，教師問學(xué)生一個(gè)問題：為什么當(dāng)光照射到某些物體時(shí)物體會(huì)發(fā)光？引導(dǎo)學(xué)生開始思考物體發(fā)光的各種可能性。從最基本的幾何光學(xué)入手，當(dāng)光照射到物體上時(shí)，一部分被反射和散射，另一部分進(jìn)入物體內(nèi)部，除了透過的部分外，光被吸收。發(fā)光材料只有吸收激發(fā)能以后才能發(fā)光，所以就有激發(fā)光譜的概念。激發(fā)光譜表示發(fā)光強(qiáng)度隨著激發(fā)光波長的變化，它表示某一發(fā)射光可以被什么光激發(fā)。學(xué)生了解到材料的發(fā)光需要外部光源的激發(fā)，不同材料的發(fā)射光譜不同，就會(huì)討論究竟哪些因素會(huì)影響材料的發(fā)光。

三、讓具體的科研工作來促進(jìn)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)

圖2：（a）新制備的多孔硅光致發(fā)光譜；（b）氧化后

的多孔硅光致發(fā)光譜

圖2是用電化學(xué)腐蝕的方法將N型（100）的硅基浸泡在體積比為1∶3的氫氟酸與乙醇溶液中，通以電流密度為50mA/cm2的電流腐蝕20min的多孔硅光致發(fā)光光譜。（a）圖是新制備出來的多孔硅光致發(fā)光圖，從圖上可以看到多孔硅在625nm處有很強(qiáng)的光致發(fā)光峰；（b）圖是將制備出的多孔硅在雙氧水中浸泡24h得到的徹底氧化的多孔硅，從圖中可以看到多孔硅的光致發(fā)光峰完全消失。針對(duì)圖2，讓學(xué)生去尋找形貌完全一樣的多孔硅和氧化后的多孔硅為什么光致發(fā)光譜會(huì)有如此的差異，從而讓學(xué)生了解多孔硅光致發(fā)光的機(jī)理。這個(gè)階段是學(xué)生學(xué)習(xí)最快的階段，同時(shí)也可以讓學(xué)生更加深刻體會(huì)大學(xué)物理在科研中的重要作用。

通過大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施，很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)和科研能力培養(yǎng)上有了很大的收獲。

首先，學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)最大的收獲是對(duì)物理知識(shí)有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和掌握，大學(xué)生可以自己確定實(shí)驗(yàn)課題，制定實(shí)驗(yàn)方案，用書本上的物理知識(shí)來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)踐能力得到了極大的提高。

其次，學(xué)生在腦海中對(duì)多孔硅薄膜的生長有了較為清晰的直觀認(rèn)識(shí)，了解到不同的制備條件影響薄膜的表面及截面形貌，同時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出不同的物理光學(xué)性質(zhì)。

再次，提高了分析和綜合能力，并且通過對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中每個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行分析，運(yùn)用各種方法和物理知識(shí)為實(shí)驗(yàn)服務(wù)，真正開始接觸研究性實(shí)驗(yàn)的精髓，同時(shí)對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣也越來越濃厚。

四、結(jié)束語

筆者依托大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主開展創(chuàng)新研究，從提出問題、選題立項(xiàng)、階段匯報(bào)、解決問題、結(jié)題答辯等各環(huán)節(jié)讓學(xué)生體會(huì)到研究型學(xué)習(xí)的完整過程。在這一過程中，學(xué)生體會(huì)到了物理學(xué)的重要性，并將物理學(xué)習(xí)變成一種自主的行為。這種以大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為平臺(tái)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的中心，把教學(xué)和科研有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)參與科學(xué)研究，不僅可以深化學(xué)生對(duì)大學(xué)物理基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，更重要的是激發(fā)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情，提高了大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量，為社會(huì)培養(yǎng)出更多的適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的創(chuàng)新性人才打下了基礎(chǔ)。

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