以提升學(xué)生創(chuàng)新能力為導(dǎo)向的本科生綜合實驗優(yōu)化設(shè)置

摘? 要：本科生綜合性實驗設(shè)置的宗旨就是通過一系列的驗證型實驗，讓學(xué)生有充足的時間去參加實驗工作，使自己的綜合能力得到全面提升，為將來走向社會或者進(jìn)一步深造打下堅實的基礎(chǔ)。同時，綜合實驗也是全面提高大學(xué)生動手能力及其理論聯(lián)系實踐能力的重要途徑。為保證學(xué)生能順利完成綜合實驗內(nèi)容，要求學(xué)生在實驗之前全面了解實驗大綱、實驗內(nèi)容、實驗方案等，更為重要的是，對實驗細(xì)節(jié)充分熟悉。該文以本科綜合實驗“可溶液法加工納米晶太陽電池”為例，通過對該實驗進(jìn)行過程管理優(yōu)化、引入實驗示范視頻并配講解、實驗預(yù)備課講解等，糾正學(xué)生在實驗過程中常見的錯誤操作，同時引入綜合評價體系，提升實驗完成的質(zhì)量，提高學(xué)生的綜合實踐能力。

關(guān)鍵詞：實驗優(yōu)化設(shè)置；可溶液加工；太陽電池；納米晶；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）12-0084-04

Abstract： The purpose of undergraduate comprehensive experiment setting is to go through a series of verification experiments， so that students get enough time to participate in the experiment work， so that their comprehensive ability to be comprehensively improved， for the future to the society or further study to lay a solid foundation. At the same time， comprehensive experiment is also an important way to comprehensively improve college students' practical ability and their theoretical and practical ability. In order to ensure that students can successfully complete the comprehensive experiment content， students are required to fully understand the experiment outline， experiment content， experiment program and so on before the experiment， and more importantly， to be fully familiar with the details of the experiment. This paper takes the undergraduate comprehensive experiment "processing nanocrystalline solar cells by solution method" as an example. By optimizing the process management of the experiment， introducing experimental demonstration video and explanation， and explaining the experiment preparation class， etc.， the paper corrects the students' common wrong operations in the experiment process， and introduces the comprehensive evaluation system to improve the quality of the experiment and improve the students' comprehensive practical ability.

Keywords： experimental optimization setting; soluble liquid processing; solar cell; nanocrystals; innovation ability

本科生大型綜合實驗“可溶液法加工納米晶太陽電池”是依托國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金，經(jīng)過多年的科研經(jīng)驗逐漸發(fā)展起來的?？扇芤悍庸ぜ{米晶薄膜電池最早是借鑒了溶液法加工聚合物太陽電池的研究思路，希望發(fā)展出一種制備工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好、性能良好的薄膜電池，為其商業(yè)化應(yīng)用鋪平道路[1-6]。課題組十幾年前就開展相關(guān)的科研工作，已經(jīng)發(fā)展出一系列成熟的溶液法加工納米晶太陽電池的實驗方案、操作規(guī)范等。為了將課題組的項目成果引入本科生創(chuàng)新型綜合實驗，我們對實驗方案進(jìn)行了詳細(xì)的討論和修改。將項目部分成果轉(zhuǎn)為本科綜合實驗，必須考慮幾個關(guān)鍵的問題：本科實驗室是否具備完成此實驗所具備的條件，比如實驗器材、時間、實驗人員的熟練程度等能否滿足實驗要求；作為驗證性實驗，實驗的重復(fù)性是否足夠好，怎樣保證良好的重復(fù)性；學(xué)生完成實驗是否有一定的難度，這關(guān)系到實驗的完成質(zhì)量，如果過于簡單，那么對于提升創(chuàng)新能力就意義不大，如果太難，基本沒有人能重復(fù)出來，那么又失去了實驗應(yīng)用的意義；通過該實驗?zāi)芊裉嵘龑W(xué)生的科研能力。以上問題是設(shè)立本科綜合實驗時需要認(rèn)真考慮的。在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力方面，這種實驗教學(xué)對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與實踐能力具有某種“特殊作用”，這是其他理論課程教學(xué)難以達(dá)到的效果[7-10]。綜合實驗應(yīng)該能在一定程度上給予學(xué)生充分發(fā)揮能力的空間，即實驗的設(shè)置需要有一定的難度，需要學(xué)生動腦琢磨怎樣能做得更好?！叭芤悍庸ぜ{米晶太陽電池”這個實驗在學(xué)校及學(xué)院的支持下，從2018年開始被選為本科綜合實驗項目，至今已經(jīng)開展了整整4年[10]。在師生的配合下，實驗開展得非常順利，積累了大量的經(jīng)驗，同時也發(fā)現(xiàn)了很多問題。其中比較突出的有以下幾點：①實驗完成度不夠高，通過對學(xué)生的實驗報告、實驗數(shù)據(jù)全面分析，發(fā)現(xiàn)實驗的完成程度不高，我們通常以器件的效率作為主要判斷依據(jù)，分為四擋，第一檔為效率超過4%為出色完成本實驗工作；第二檔為效率超過1%低于4%，完成任務(wù)；第三擋為效率超過0.2%低于1%，基本達(dá)到要求；第四檔為效率低于0.1%，沒有達(dá)到實驗設(shè)計的要求。統(tǒng)計表明，約30%的學(xué)生沒有完成實驗設(shè)定的最低要求，僅有10%左右的學(xué)生達(dá)到第二檔次；60%的學(xué)生達(dá)到第三檔次要求，幾乎沒有學(xué)生能達(dá)到第一檔次，這也從側(cè)面說明本實驗對于剛接觸溶液加工制備太陽電池器件的學(xué)生是比較難的；②熟練程度比較差，如夾片、劃片經(jīng)常出現(xiàn)掉片的情況，從而造成器件漏電；③實驗步驟不夠熟練，雖然已經(jīng)制定了實驗大綱及說明，但是學(xué)生對于大綱的理解不是很好，造成實驗中經(jīng)常對下一步的工作不熟悉，浪費時間。雖然通過旋涂的方式制膜技術(shù)路線已經(jīng)非常成熟，但是納米晶的制膜過程中，涉及很多的化學(xué)處理過程，與聚合物或者其他薄膜電池的制備過程有明顯區(qū)別，如果不熟悉這些過程，就不能順利完成實驗。針對以上實驗過程中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過總結(jié)和討論，提出了以下幾點改進(jìn)措施，希望提升實驗的質(zhì)量。

一? 錄制示范性實驗視頻并配講解

雖然已經(jīng)編寫了教學(xué)大綱和講義，也要求學(xué)生在實驗前進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報告，但是效果比較差。究其原因，在于很多學(xué)生根本沒有接觸過溶液法加工技術(shù)，同時對于納米晶薄膜的制備特點完全不了解，即使在實驗前現(xiàn)場講解（由于時間所限，通常也只有十幾分鐘），但效果不理想。為了加深學(xué)生對于本實驗各個實驗環(huán)節(jié)的熟悉程度，讓實驗員找來已經(jīng)在課題組開展過科研工作、對納米晶電池制備非常熟悉的學(xué)生，錄制視頻并加以編輯。在綜合實驗開展前的兩周，把視頻發(fā)給學(xué)生自行觀看，加深其對溶液法加工納米晶太陽電池的感性認(rèn)識。在實驗過程中，一些實驗的細(xì)節(jié)操作直接決定了器件制備的成敗，因此對這些部分花更多的時間來講解。通過預(yù)先觀看視頻，很多學(xué)生表示對本實驗有了一個比較直觀的了解，很多之前比較抽象的東西變得更加清晰，正所謂百聞不如一見。值得注意的是，在視頻講解中還特別對每一實驗步驟的目的和意義進(jìn)行了詳細(xì)講解。通過這些講解讓學(xué)生深刻了解各個實驗步驟在制備高質(zhì)量納米晶太陽電池中的作用。

二? 加強(qiáng)現(xiàn)場示范教學(xué)

經(jīng)過總結(jié)幾年來的經(jīng)驗，我們清楚地認(rèn)識到，學(xué)生實驗完成質(zhì)量差的主要原因是平時參與類似的實驗工作比較少，動手能力比較差，尤其是在器件制備方面了解、參與極少，在開展實驗的時候往往不知所措。為了加強(qiáng)學(xué)生在器件制備方面的操作能力，特意在學(xué)生自行開展實驗前進(jìn)行一次大約十多分鐘的示范性教學(xué)。結(jié)合現(xiàn)場講解及親自上手實驗，對學(xué)生在操作中出現(xiàn)的問題，給予必要糾正。這一過程對于前面的視頻教學(xué)是一個非常必要的補(bǔ)充，保證了學(xué)生從理論到實踐的過渡。值得注意的是，這種示范性教學(xué)不能花太多的時間，否則就會耽誤學(xué)生的實驗時間。在隨后的教學(xué)問卷中，很多學(xué)生也表示，這種示范性的現(xiàn)場教學(xué)，讓其能很快融入到本實驗中，對實驗的各個步驟更加清晰，提高了實驗的質(zhì)量。

三? 加強(qiáng)實驗前的操作訓(xùn)練

雖然視頻觀看、現(xiàn)場示范能一定程度上提升學(xué)生的動手能力，但如果不進(jìn)行實驗前的試操作，很多學(xué)生在實驗的時候依然不知所措，對照著實驗大綱進(jìn)行實驗，而不是儀器操作，當(dāng)然是做不好實驗的。如圖1所示，溶液法加工納米晶太陽電池器件的制備大致上分為幾個步驟：窗口層（通常為ZnO）制備；納米晶受體層（CdSe）和給體層（CdTe）的制備；電極蒸鍍。在制備納米晶給受體過程中，通常采用的是多層旋涂、層層燒結(jié)的工藝，這一過程中就要多次夾片、刮片（漏出電極）及清洗基片，在這一過程中，如果操作不熟練，就會造成薄膜質(zhì)量過差而沒有效率的情況。針對實驗過程中最常見的錯誤，如夾導(dǎo)電玻璃片，如果不能正常操作，在實驗過程中玻璃片跌落地上或者其他地方，就會破壞薄膜，導(dǎo)致漏電而沒有性能；還有劃片，在制多層膜的過程中，需要快速處理基片（包括清洗和刮片），太慢就造成化學(xué)處理得不充分，性能低下。

四? 實驗運行成績評價優(yōu)化

本著培養(yǎng)“創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)造”性人才的理念，對實驗質(zhì)量的評價原則上要“重結(jié)果，輕過程”。作為綜合性實驗，就是鼓勵能發(fā)揮主觀能動性，多動腦筋，從全局上思考如何把實驗做好。最能反映學(xué)生綜合能力的就是所制備的器件性能表現(xiàn)，如果性能優(yōu)良，學(xué)生的實踐能力是比較強(qiáng)，這已經(jīng)被多年來的實驗所證實。為了全面評估學(xué)生的實驗工作，基于實際情況，我們對原來的評估體系進(jìn)行了如下的優(yōu)化：學(xué)生的綜合實驗成績由平時成績（20%）、實驗報告成績（20%）、器件性能（60%）三部分組成，平時成績主要根據(jù)學(xué)生在實驗前的態(tài)度、實驗過程中的態(tài)度、操作熟練度及預(yù)習(xí)報告等打分；實驗報告的成績主要從規(guī)范性、報告的流暢性及問題的分析合理性等方面打分。根據(jù)幾年來的實驗結(jié)果，學(xué)生器件的性能進(jìn)行如下劃分：優(yōu)秀，器件效率超過4%，滿分60分；良好，器件效率在1%～4%，40～59分；合格，器件效率0.1%～1%，30～35分；不合格，器件效率低于0.1%以下，0～29分。通過優(yōu)化成績評定策略，能夠比較準(zhǔn)確反映學(xué)生在整個實驗過程中的表現(xiàn)。

五? 實驗優(yōu)化策略實施效果

經(jīng)過對本綜合實驗進(jìn)行優(yōu)化，我們對隨后進(jìn)行的一次完整的綜合實驗進(jìn)行了總結(jié)。對參與實驗的學(xué)生做了專門調(diào)研，總體上得到了比較積極的反饋。①在“這次實驗的優(yōu)化是否加深學(xué)生對于本實驗的了解”的回答中，95%的學(xué)生回答“是”，只有5%的學(xué)生選擇“一般”或者“不確定”。②在“錄制示范性視頻是否對實驗有促進(jìn)作用”回答中，92%以上的學(xué)生選擇“有，作用很大”，只有約8%的學(xué)生選擇“不確定或者沒有作用”。③在“線下示范實驗是否有助于學(xué)生融入實驗”方面，所有學(xué)生都選擇了“有”。④圖2總結(jié)了實驗方案優(yōu)化前后學(xué)生器件制備的性能情況，其中為了方便比較，將兩屆學(xué)生的人數(shù)都選為44人，多余的部分略去。從實驗結(jié)果來看，在優(yōu)化方案實施以后，大多數(shù)學(xué)生制備的器件效率在1%以上，比例達(dá)到60%以上，而之前僅有約10%左右的學(xué)生能夠達(dá)到這一水平；僅有約2%的學(xué)生器件效率低于0.1%，而未實施優(yōu)化方案之前，大部分學(xué)生的器件效率小于1%，甚至有的學(xué)生器件效率幾乎沒有，比例達(dá)到20%?？傮w上來看，在實施新的改進(jìn)措施以后，明顯比之前要好得多。這也體現(xiàn)在實驗過程中，學(xué)生的操作熟練程度有了一定程度的提高，表現(xiàn)在很多學(xué)生在實驗過程中，很多學(xué)生對實驗過程中一些基本的操作規(guī)范比較熟悉，基本上不需要老師的指導(dǎo)就可以獨立完成實驗。而方案實施前，很多學(xué)生在實驗過程中非常茫然，不知所措，大大影響了實驗進(jìn)度，從而也使其器件性能普遍低下，沒有達(dá)到綜合實驗的預(yù)期。⑤在綜合實驗對于學(xué)生今后的科研規(guī)劃方面，90%以上的學(xué)生都給出了肯定的答案，普遍認(rèn)為本專業(yè)實行的“本科系列綜合實驗”對于其今后進(jìn)一步深造有很好的鍛煉價值。總而言之，本綜合實驗的優(yōu)化設(shè)置，在一定程度上保證了學(xué)生對于科研的熱情，培養(yǎng)了勇于探索的精神，明顯提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。很多學(xué)生在參加完綜合實驗后，為其即將進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。對于能力非常突出的積極分子，結(jié)合課題組的科研情況，為其制定一些力所能及的創(chuàng)新性課題。每年均有一些優(yōu)秀的學(xué)生在科研方面取得了一些重要的進(jìn)展，獲得國家大學(xué)生創(chuàng)新基金的支持，并發(fā)表了一些高水平SCI論文，并申請了發(fā)明專利，學(xué)生在隨后的課外科研競賽中也取得了優(yōu)良的成績。

六? 不足之處

經(jīng)過幾年的摸索，對實驗設(shè)計進(jìn)行了多次優(yōu)化。如上所述，綜合實驗的第一部分就是溶液法加工納米晶光活層，這一部分耗時最長，也是最考驗學(xué)生動手、動腦、協(xié)作等能力的重要一環(huán)。前期開展的實驗，由于經(jīng)驗不足，往往浪費很多的時間和精力，根據(jù)實驗反饋的問題，進(jìn)行了必要的改進(jìn)。首先，將實驗分為上午和下午各三個小時，上午和下午的實驗內(nèi)容明確化；其次，人員進(jìn)行優(yōu)化組合，每一個小組配備一個有一定科研經(jīng)驗的學(xué)生，起到“幫傳帶”的作用；最后，實驗員細(xì)化材料的配置、器件的放置及實驗進(jìn)度的提醒等。必須指出的是，雖然實驗設(shè)計進(jìn)行多項優(yōu)化，仍然有一部分學(xué)生對于實驗重視程度不夠高，帶著一種完成實驗過程，獲得相應(yīng)學(xué)分的姿態(tài)去進(jìn)行實驗，積極性比較差，完全背離綜合實驗的要求?？梢栽诮窈蟮墓ぷ髦?，引入一些硬性的考核指標(biāo)，如要求實驗報告總分低于60的學(xué)生必須重修本門課程。當(dāng)然，本綜合實驗的開展仍然不斷進(jìn)行修正，以找到最優(yōu)化的方案，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才服務(wù)。

七? 結(jié)束語

該綜合實驗經(jīng)過幾年不斷探索與完善，在學(xué)校辦學(xué)宗旨指導(dǎo)下，在學(xué)校教學(xué)實踐部門的大力支持下，本課題組建立了完善的綜合實驗內(nèi)容、實驗方案、實驗評估體系等，設(shè)立了完善的綜合實驗配套管理體系，形成了良好的實驗管理制度。學(xué)生結(jié)合光伏太陽能電池器件這門選修課程，在指導(dǎo)老師以及實驗員的幫助下，獨立完成可溶液法加工太陽能電池器件的制備與測試，學(xué)會了團(tuán)隊合作，增強(qiáng)了自主操作能力，對于光電領(lǐng)域的科研有了一定的認(rèn)識。這對于培養(yǎng)具有高綜合素質(zhì)的光電人才有著十分重要的意義，同時通過參與本實驗，為進(jìn)一步的科學(xué)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。目前該綜合實驗的實施得到師生的廣泛歡迎，學(xué)生的參與熱情度很高。本著培養(yǎng)“德”“智”“體”兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)人才，學(xué)院、學(xué)校從推出系列本科綜合實驗項目開始，就一直對本項目的實施增加投入，保證了項目的順利進(jìn)行。實踐表明，經(jīng)過本綜合實驗的熏陶，很多學(xué)生走上了科研創(chuàng)新之路，在隨后的科研實踐中，取得了非常顯著的成果，其中以本科生為第一作者發(fā)表的SCI論文有多篇[11-15]，引起了學(xué)校的高度重視。

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基金項目：2021年華南理工大學(xué)教學(xué)基金“全溶液加工納米晶給受體光伏器件”（C9212240）

第一作者簡介：覃東歡（1974-），男，壯族，廣西貴港人，博士，副教授。研究方向為半導(dǎo)體納米晶光電應(yīng)用。