規(guī)模化物理類本科生創(chuàng)新實踐課程內(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)?；瘎?chuàng)新實踐課程的必要性

廣義的實踐訓(xùn)練包括：基礎(chǔ)實驗課（例如大學(xué)物理實驗、大學(xué)化學(xué)實驗、計算機上機操作等）、專業(yè)實驗課、金工實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)論文、學(xué)科性科技作品競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目等。從學(xué)生人數(shù)上來講，這里面實施規(guī)模大的是基礎(chǔ)實驗課，規(guī)模比較大的是專業(yè)實驗課、金工實習(xí)，而畢業(yè)論文基本上是一對一的（即一個論文題目對應(yīng)著一個學(xué)生），學(xué)科性創(chuàng)新競賽和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目基本上是每一項包含幾個學(xué)生（3～5個）。從課程的性質(zhì)來講，基礎(chǔ)實驗課、專業(yè)實驗課、金工實習(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)新競賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目則具有更高的創(chuàng)新性。由以上所述，我們可以知道：具有學(xué)生人數(shù)規(guī)模的實驗課程不能給予學(xué)生創(chuàng)新性的訓(xùn)練，而具有創(chuàng)新性的實踐課程或項目能參與的學(xué)生往往只有幾個。盡管很多高校的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目每年立項數(shù)量有百余項，但是按每個項目有5個學(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)校每年的實際招生人數(shù)相比還是比例較少，更何況即便是參與項目的學(xué)生也僅僅是參與其中的一個創(chuàng)新項目，得到訓(xùn)練的范圍仍然很窄。為了使大部分的學(xué)生都有機會得到創(chuàng)新實踐鍛煉的機會，學(xué)校應(yīng)該針對大類專業(yè)的本科生開設(shè)具有一定人數(shù)規(guī)模的創(chuàng)新實踐課程。

二 規(guī)?；锢眍惐究粕鷦?chuàng)新實踐課程的內(nèi)容

創(chuàng)新實踐課程涵蓋的內(nèi)容包括創(chuàng)新實踐課程的教學(xué)內(nèi)容、相關(guān)的教學(xué)資源建設(shè)、相關(guān)的教學(xué)師資隊伍培養(yǎng)等多方面內(nèi)容，毫無疑問，創(chuàng)新實踐課程的內(nèi)容的選取是核心內(nèi)容。筆者認為創(chuàng)新實踐類課程內(nèi)容的選取應(yīng)該基于以下幾點：第一，選取的課程內(nèi)容要具有一定的寬度，要適用于幾個相關(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)生需要綜合運用已學(xué)的幾門課程的知識去完成這個實踐項目?；谝陨线@些內(nèi)在要求并考慮到目前的一些科學(xué)研究熱點問題，筆者提出針對物理類專業(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、航空航天、微電子器件、環(huán)保產(chǎn)品、新能源等。對于薄膜的研究與應(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應(yīng)用于實踐、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)新實踐課程?？紤]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-可見分光光度計測試薄膜的透射率與吸光度、使用熒光光譜儀測試樣品的發(fā)光行為、使用臺階儀測試樣品厚度、使用四探針測試儀測量薄膜的電阻率。有經(jīng)濟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)測試儀等以更好地分析薄膜性能。在薄膜應(yīng)用方面，各個高?？梢愿鶕?jù)自己專業(yè)的培養(yǎng)方向，安排一些實際應(yīng)用項目，比如制備薄膜太陽能電池、薄膜晶體管、氣體傳感器、光電探測器等。

（二）太陽能電池制備與測試

由于具有清潔性、廣泛性和永久性等優(yōu)點，太陽能在可再生能源中占有非常重要的地位。而采用太陽能電池發(fā)電是近些年來最主要和最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲芾猛緩街?。因此，太陽能電池的制備與測試就變得非常重要。在物理類本科生創(chuàng)新實踐教學(xué)中開設(shè)“太陽能電池制備與測試”相關(guān)創(chuàng)新實驗內(nèi)容有利于開拓學(xué)生的眼界、深化學(xué)生對于新能源的認識、掌握太陽能電池的組裝技術(shù)與測試技術(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)的實踐課程?？紤]到染料敏化太陽電池是一類新型薄膜太陽電池，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、制備工藝簡單、可柔性化等突出優(yōu)點，因此推薦在規(guī)?；髮W(xué)生創(chuàng)新實踐中采用染料敏化太陽電池開展相關(guān)實驗項目。

（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之間的相互作用使得表面等離激元具有很多獨特的性質(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、近場光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，在物理類大學(xué)生創(chuàng)新實踐課程中開設(shè)“表面等離激元的原理及應(yīng)用”的實驗項目有助于加深學(xué)生對于這一新奇物理現(xiàn)象的理解，增強學(xué)生對新奇現(xiàn)象的好奇心和提高學(xué)生對新生事物的探索能力。對于這一實驗項目的具體實施，我們在以前發(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，目前已廣泛應(yīng)用于顯示屏、交通信號燈、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；它的測試表征涉及原始材料的性能測試、發(fā)光二極管成型后的光學(xué)測試；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”等多門課程的知識。在大學(xué)生創(chuàng)新實踐課程中開設(shè)“發(fā)光二極管的制備、設(shè)計與應(yīng)用”的項目可以使學(xué)生在課堂上學(xué)到的多門理論課程的知識應(yīng)用于實踐，增強動手能力和創(chuàng)新意識。河北大學(xué)在本科生創(chuàng)新實踐中較早地開設(shè)了發(fā)光二極管方面的實驗項目，并且經(jīng)過多年的教學(xué)實踐證明：發(fā)光二極管的創(chuàng)新實驗培養(yǎng)了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新精神，有利于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（五）在大學(xué)物理實驗基礎(chǔ)上的創(chuàng)新實驗項目

眾所周知，大學(xué)物理實驗是高等學(xué)校理工科學(xué)生進入高校后接受到的第一門獨立設(shè)置的基礎(chǔ)實驗課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，大學(xué)生不但接受了系統(tǒng)的實驗思想和實驗技能的訓(xùn)練、培養(yǎng)出了良好的實驗素質(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)奠定了扎實的基礎(chǔ)。那么，在大學(xué)物理實驗課程的基礎(chǔ)上開發(fā)一些創(chuàng)新性的實踐項目對于學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)大有益處，這些教學(xué)內(nèi)容的實施也更加容易。一方面，由于是在“大學(xué)物理實驗”課程的基礎(chǔ)上開發(fā)的新的實驗項目，通常實驗儀器是就地取材，不需要重新購買，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)物理實驗”課程的基礎(chǔ)上開發(fā)的新的實驗項目，學(xué)生在已有基礎(chǔ)上更容易開展新的實驗活動，也更容易達到舉一反三的效果。

三 對開設(shè)規(guī)?；究粕鷦?chuàng)新實踐課程的幾點建議

第一，對于本科生創(chuàng)新實踐課程的開設(shè)時間：我們建議開設(shè)在大三上學(xué)期或下學(xué)期。這是因為，創(chuàng)新性實踐課程一般包含的都是創(chuàng)新性的實踐項目，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，項目開展起來困難較大；再者，學(xué)生在大學(xué)四年級時，或者忙于考研，或者忙于找工作、考公務(wù)員，若此時開設(shè)這個創(chuàng)新實踐課程不會起到很好的效果。

第二，對于本科生創(chuàng)新實踐課程學(xué)時的安排：根據(jù)具體課程內(nèi)容，一般安排32～64課時為宜。創(chuàng)新實驗項目不同于基礎(chǔ)實驗課和專業(yè)實驗課的實驗內(nèi)容，后者一般都是比較經(jīng)典的實驗項目，而且一般有定論。創(chuàng)新實踐項目對于本科生來說都具有一定的探索性，往往一個大的實驗項目可能要花費10個學(xué)時甚至更長時間。再者，盡可能安排一次課3～4個學(xué)時，給予學(xué)生較為充足的時間去探索，不要實驗剛進行到一半或新的思路剛準備付諸實施就已經(jīng)到下課時間了。

第三，對于本科生創(chuàng)新實踐課程師資隊伍的建設(shè)：結(jié)構(gòu)合理、知識多元化、精力充沛的指導(dǎo)教師隊伍是創(chuàng)新實踐教學(xué)取得良好效果的根本所在。創(chuàng)新實踐教學(xué)的內(nèi)容基本都涉及科技前沿?zé)狳c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)新實踐課程中問的問題多、問得隨機性大、問的問題不但涉及理論知識還會較多的涉及實驗操作問題。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體系、充沛的精力及“躬耕隴畝”實踐的精神。