地方高师院校科研仪器在近代物理实验中的应用

【摘要】本文结合衡阳师范学院近代物理实验教学改革经验，分析地方高师院校科研仪器设备在近代物理实验中的应用现状。以有机电致发光二极管的制备与表征实验为例，从科研仪器资源共享、实验室开放管理、优化教学内容、改变教学模式等方面阐述科研仪器用于近代物理实验教学，可有效提高科研仪器的使用效率，培养学生的科研兴趣和创新能力。

【关键词】科研仪器 地方高师院校 近代物理实验 改革

【中图分类号】G482 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）39-0116-02

一、引言

2007年2月17日，《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》[1]中明确 “要根据培养学生动手和实践能力需要，不断改善实验和实习教学条件，采用多种方法改造和更新实验设备，提高实验设备的共享程度和使用效率，为教学提供必要的实验和实习条件。要进一步加强科学研究和教学实验的结合，推进实验教学内容、方法、手段及人才培养模式的改革与创新。”目前，许多高校围绕国家的政策导向，对大学实验课程进行了大刀阔斧的改革尝试。物理学作为一门实验科学，在物理学发展史上，实验物理占有非常重要的地位[2]，近代物理实验是继普通物理实验之后一门重要的专业基础实验课[3]，是集近代物理思想、理论和实验技术于一体的物理专业高年级学生的必修课程，具有很强的综合性，技术性，时代性和前瞻性[4]。涉及的内容包括电磁学、声学、半导体、光学、量子物理学、原子物理学、核物理等，它要求学生具备综合运用各科知识的能力、创新的思维意识，学会使用原子力显微镜、器件表征、光电检测、计算机分析与数据处理等先进的实验技术。著名科学家、教育家钱伟长院士[5]曾说过：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。”但很多高校教师获得国家科研课题的资助，购置了科研仪器用来完成科研课题，然而在课题结项以后，有相当一部分仪器设备闲置，此现象在地方高师院校尤为突出。如何将科研仪器设备有效的应用到本科物理实验教学并发挥重要作用，提高科研仪器的使用效率，成为各高校尤其是地方高师院校改革的重点。

二、地方高师院校科研仪器设备在近代物理实驗中应用现状分析

地方高师院校地处非省会城市，普遍没有硕士学位授予权，培养的学生主要是未来的初等学校的教师，科研实力整体不强，国家和地方在科研上对地方高师院校投入相对较少。而且，科研仪器设备价格十分昂贵，使用复杂、维护成本非常高，需要经过专门培训的人才能操作，基本限用于教师进行科学研究或给学生做些演示性的实验，本科生很少能够接触并使用。此外，地方高师院校的教师教学任务重，并不能全身心的投入到科研当中，势必会影响到科研仪器设备的使用效率。

近代物理实验是为大三学生开设的一门知识面广、综合性强的实验课程，它是介于普通物理实验和专业物理实验之间的实验教学环节。开设这门课程的目的是通过全面、系统、严格的学习、实验、训练， 丰富、发展学生的物理思想， 提高学生科学地观察、分析、研究和解决问题的能力， 培养学生的创造性思维和创新能力，培养实事求是的科学态度与工作作风， 为以后的学习和工作打下坚实的基础[6，7]。地方高师院校近代物理实验多以基础性、验证性为主，以科研仪器为辅助的创新性实验几乎为零；学生底子薄，基础知识不够扎实，缺乏创新意识，缺乏主动学习，发现问题、分析问题、解决问题的能力；大部分学生的就业方向为地方初、高中教师岗位，科研意识淡薄，对实验不感兴趣，不能很好地完成本课程教学的要求。

三、科研仪器在近代物理实验教学中的实践探索

笔者所在的衡阳师范学院拥有物理学-教育部特色专业、光学-湖南省重点建设学科、光电信息技术-湖南省应用基础研究基地，近年来分别建立了光电研究所、有机光电实验室、光电信息技术实验室等多个科研实验室，配置了高真空蒸镀系统、蒸发仪、OLED性能测试仪，原子力显微镜、太阳能测试系统、光学实验平台等科研仪器设备，我们充分利用省级平台和科研实验室的资源，有效地将科研仪器设备用于近代物理实验的教学上，在科研与教学相结合方面进行了改革实践。本文以有机电致发光二极管（Organic light emitting diodes，OLEDs）的制备与表征实验为例，探讨科研仪器设备在近代物理实验中的应用。

1.发挥资源共享优势，开放式管理科研仪器设备

地方高师院校科研仪器设备数量少且极为昂贵，通过优化资源配置，实现资源共享机制，学校内部各院系之间、学校与学校之间可以资源共享。我院所有大型仪器设备均加入了湖南省仪器设备共享网，在共享网中我们可以清楚知悉我省各高校已拥有的仪器设备，部分暂缺但又需要的仪器可以借助兄弟院校的资源。例如在设计有机电致发光二极管的结构时需要测试材料的吸收峰、发射峰，可以借用我校化学与材料工程学院的相关仪器设备来完成。

在高校，建设开放的实验室是社会发展的趋势，也是国家教育部教学评估的要求。开放性实验室在高校教育中起着重要的作用，它能够锻炼学生的研究探索能力和提高学生的综合素质。学生可以根据自己的研究兴趣，通过开放性的实验场所进行深刻的、自主的研究和学习。此外，建立开放实验室能够充分发挥有限设备资源的潜能，提高设备的重复利用率[8]。在科研实验室管理方面，我们与普通实验室一样实行全天开放，在非课堂时间或老师做实验期间，学生可以进入实验室学习，熟悉实验设备的操作或者做一些自己感兴趣的创新性实验。为此我们设立了专门的勤工助学岗位，培养一些学习成绩好，动手能力强，创新意识好，对科研有浓厚兴趣的学生，让他们进入科研实验室，参与实验室的管理及老师的科研项目，在老师下班或者周末时间负责管理实验室。同时，他们也可以作为老师的实验助手，在上近代物理实验课时给予一定的帮助。

2.引入教师科研成果，优化教学内容

传统的近代物理实验教学主要以基础性、验证性实验为主，这种教学方式忽略了学生的科研兴趣、综合能力和创新意识的培养。近代物理实验的授课对象为已有一定实验操作能力和理论基础的高年级学生，以培养学生的科研能力和创新能力为目的。因此，在实验内容设置上层层递进，有基础性、综合性和创新性实验。其中，创新性实验的内容是根据教师科研成果来设计，这样可以充分利用教师的科研仪器和科研基础，教师可将科研中所创造或获得的前沿知识、先进技术和最新成果及时补充到教学内容中，采用教学和科研相结合的教学模式，可大大提高教学质量。如有机电致发光器件的制备及表征实验，其中与物理知识相关的有折射与反射定理、能级结构及带隙、载流子的注入、输运与结合，有机材料的掺杂原理，有机材料的发光机理等，涉及知识较多，应用范围较广，与生活联系密切。将科研成果引入课堂，让学生提前接触科研仪器设备，可以培养学生科研兴趣和创新能力，为学生继续深造或从事实验教学工作奠定基础。

3.转变教学模式，培养学生的科研兴趣和创新意识

传统的近代物理实验是一种模仿式的教学，老师从头至尾将实验演示一遍，然后学生模仿老师的操作完成实验。此类教学模式扼杀了学生的创新潜能，不利于培养学生科研兴趣和创新能力。我们将教师的科研成果作为选修部分引入近代物理实验教学，这类实验项目具有实验内容多，完成实验所需时间长，涉及仪器多，知识面广等特点。实验时间比较自由，只规定完成实验的最后检查时间，教学模式更具灵活性和开放性。学生根据自己的兴趣选取课题，题目选好之后，先查看实验设备的操作手册或说明书了解仪器的基本性能、参数和使用方法，然后老师对他们进行仪器设备基本的操作培训。有机发光二极管的结构设计、制备和光电性能测试实验主要步骤为：OLED器件结构设计、ITO玻璃超声波清洗、烘干及紫外臭氧清洗；ITO表面预处理、真空蒸镀有机层和金属层（OLED器件制备）；封装已制备好的OLED；器件的光电性能测试等。涉及仪器设备有超声波清洗机、紫外臭氧清洗机、等离子体处理系统、高真空蒸镀系统、手套箱、光谱辐射度计、keithley2400电源、半导体参数测定仪、原子力显微镜、紫外固化系统、器件老化寿命测试系统等，这些仪器设备精度高，价格昂贵，对环境要求较高，因此在确定实验方案之前需提前熟悉仪器设备的使用方法。如使用高真空蒸镀仪前，需掌握如何使用紫金桥运行软件、SQS242控制软件；如何通过软件控制机械泵、预抽阀、前级阀、分子泵及闸板阀来控制腔体的真空度；如何控制材料的蒸镀速度来确保镀层薄膜均匀；如何提升器件的效率和寿命等。ITO的清洗及预处理需了解超声波清洗机、紫外臭氧清洗机的作用及使用方法，ITO清洗方法、步骤及关键参数等。器件的封装主要在手套箱中进行，如何从蒸發腔将器件传递到手套箱，如何使用手套箱以及器件封装的材料、条件等。了解器件测试所用的光谱辐射度计和keithley2400电源的工作原理和使用方法，能正确对焦被测器件，熟悉测试软件等。同时学生还需自己收集和查阅相关资料，了解实验原理，在充分掌握一定理论知识之后，在老师的指导下拟定实验方案，确定实验操作步骤，完成实验并进行实验数据的后期处理。整个的实验过程以学生为主体，老师只是起引导的作用，学生遇到什么问题可随时与老师探讨，老师只给出引导性的意见，学生自己解决问题，有助于培养学生的主动学习，发现、分析及解决问题的能力。

实验结束后，学生需以科技小论文的形式上交实验报告，同时针对实验完成实验答辩，最终依据实验方案、论文和实验答辩给予实验总成绩。

四、科研仪器在近代物理实验教学中应用的成效

经过近一段时间的实践，我们成功地将科研仪器设备应用到近代物理实验教学中，提高了科研仪器的使用效率。在人才培养方面，这种教学与科研相结合的教学模式提高了学生的学习兴趣，改变了他们被动学习的状态，能促使他们主动发现问题，培养他们分析问题、解决问题的能力，同时也提高了学生的科研兴趣及创新能力。部分学生实验课后主动要求参与老师的科研项目，考研的学生在研究生阶段选择光学作为未来的研究方向继续深造。已就业的学生在初、高中实验教学中动手能力强，创新意识独特，工作得心应手，获得了领导的好评。

参考文献：

[1] 教育部. 教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见（教高[2007]2号文件）[EB/OL]. http：///srcsite/A08/s7056/200702/t20070217_79865.html，2017-2-17.

[2] 高俊.近代物理实验教学中培养学生科研能力的探索[J].常熟理工学院学报（教育科学）.2015，3，116-118.

[3] 叶柳，李爱侠，张子云，等.近代物理实验教学改革的探索[J].实验科学与技术.2009，（122），66-67.

[4] 李爱侠，叶柳，张子云，等.近代物理实验教学改革与大学生创新能力培养[J].实验研究与探索. 2010，29（4），77-102.

[5] 钱伟长. 钱伟长文选.上海：上海大学出版社，2004.

[6] 霍汉平.近代物理实验教学改革的探索和实践[J].教育与职业.2015，29，154-155

[7] 董有尔，唐晋娥，张天喆.近代物理实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理.2001，18（6），79-82.

[8] 章军军，崔秀红. 加强科研仪器设备在创新实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理.2008，2（25），174-176.

项目资助：湖南省教育厅科研优秀青年项目（项目编号：15B033）；衡阳师范学院博士启动项目（项目编号：14B40）；“衡阳师范学院物理与电子信息虚拟仿真实验教学中心”--湖南省教育厅2016年省级虚拟仿真实验教学中心建设项目（项目编号：湘教通[2016]399号）；光学-湖南省“十二五”重点建设学科（项目编号：湘教发[2011]76号）。

作者简介：邓艳红（1985.08- ），女，湖南永州，博士，讲师；研究方向：有机光电材料与器件。

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