開放式創新實驗教學案例分析

張開驍　張佳妮　劉明熠　鄭鶴松　朱衛華

摘 要 以“LED特性及其應用”為創新性實驗教學案例，幫助學生理解和掌握LED的基本原理及特性，結合TRIZ創新方法，引導學生進行應用創新研究，掌握技術應用的基本方法與技能，從而培養學生的創新精神與技術應用能力。

關鍵詞 TRIZ 創新方法 LED 實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.03.047

Case Analysis of Open Innovative Experimental Teaching

ZHANG Kaixiao， ZHANG Jiani， LIU Mingyi， ZHENG Hesong， ZHU Weihua

（College OF Science， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）

Abstract "Led characteristics and its application" for the innovation of experimental teaching cases to help students understand and grasp the led the basic principle and characteristics， combined with TRIZ innovation， guide the student to carry on the research on application and innovation， to master the basic methods and skills of application technology， a new spirit and technical application ability and the cultivation of students.

Key words TRIZ； innovative methods； LED； experimental teaching

0 引言

開放式實驗經過多年應用實踐，已經成為目前高校實驗教學的新常態，但目前大多數實驗內容還是沿用經典實驗教學內容，實驗課堂教學模式也很難有新的突破，開放式實驗中的開放通常只能在選課模式、上課時間、上課地點等形式上做文章。當前教育形勢下，創新在某種程度上已經成為我們教學的理念與方向，如何在理論課堂和實驗課堂上課堂上引導與營造創新之氛圍是教學改革方向之一，其中，應用創新實驗教學對激發學生興趣、實現創新想法到創新成果的轉變至關重要，必將成為創新教學的有力工具。為進一步推行開放式實驗教學改革，提供一條可供普通高校實行的開放式創新實驗教學模式，我們針對“LED特性及其應用”實驗，給出了創新性實驗教學詳細案例。“LED特性及其應用”實驗項目結合目前第三代LED照明應用革命的時代背景，主要致力于LED的原理及其應用相關內容的研究，通過設立與實驗內容相關的多個開放性研究課題（如LED發光特性、配光特性、光電轉換效率、發光角度、應用產品開發等研究），在實驗過程中加強學生對應用創新能力的培養，開展研究型教學實踐，形成一個真正開放、自由的實驗教學課堂，為學生提供創新、創業實踐和成果轉化提供助力。

1 TRIZ創新方法

TRIZ（發明問題解決理論）創新方法是近年來剛發展起來的創新方法，與其它創新方法相比，具有理論體系結構完整、指導性強、實用性強等顯著優點，已經成為目前世界上最熱門的創新方法之一。TRIZ創新方法應用目前存在兩種模式：一是在企業中推廣應用，主要是通過TRIZ創新方法來尋找企業產品或生產過程中技術難題的解決方案；二是在通過學校先行普及TRIZ創新方法， 廣大學習者掌握了TRIZ創新方法后，在將來的生產中自覺或不自覺地應用TRIZ創新方法指導實踐。這兩種方法各有利弊，企業中的應用需要有資深TRIZ創新方法專家指導應用，學校普及TRIZ創新方法的教學成本很高，因為并不是每個人都需要掌握創新方法。

2 LED特性及其應用

發光二極管（LED，Light Emitting Diode）是一種PN結構的半導體器件，當LED兩端加上一定的正向電壓后，N區一側導帶上的電子躍遷到P區一側，與P區的空穴復合并產生一定頻率的光子。不同材料的LED可以輻射不同頻率的光，即產生從紫外到紅外波段的不同單色光，理論上，紅、黃、藍三種顏色的LED可以配比成任意顏色的光源。而目前照明用的白光LED通常是通過短波長的藍色LED激發熒光，形成寬譜的復合光源，光的強弱與電流有關。與白熾燈泡和氖燈相比，LED具有工作電壓低、電流小、節能、環保、抗沖擊和抗震性好、可靠性高、壽命長等優點，在許多電子設備中用作信號顯示器。近年來，由于藍光LED的發現，使得LED已經成為第三代照明光源。研究LED光通量、發光效率、發光強度、光強分布、波長等參數性能及其應用，已經成為技術發展的方向與要求。LED發光效率是指光通量與電功率之比，單位為lm/W，代表了光源的節能特性，是衡量現代光源性能的一個重要指標；LED發光強度是表征LED在某個方向上的發光強弱，因此研究LED的光強分布特性具有現實意義，比如顯示器的照明，如果LED在各個方向上的發光強度分布不均勻，必然會導致屏幕顯示的視角受到影響；LED的光譜特性在某些應用場合特別重要，例如在消毒及醫療領域，不同波長及強度的LED具有不同作用，常用的場所消毒需要波長在260nm以下，而治療牛皮癬等皮膚病需要的波長通常在360nm附近；此外，自半導體器件發明以來，半導體二級管在電路整形、檢波、開關控制等方面得到廣泛應用，發光二極管（LED）、半導體激光器（LD）的發明，促進了光通訊在信息傳遞領域的飛速發展，與傳統照明方式相比，以大功率發光二極管為核心的固態照明方式，在能耗、發光效率、體積、壽命等方面有著顯著的優越性。對于理工科的學生而言，認識、了解LED的基本電學特性和光學特性，可以開闊思路、激發靈感，在將來的工作生活實踐中，能夠更好地掌握、科學地應用。

3 創新性實驗教學案例

“LED特性及其應用”創新性實驗項目的設計目標是在指導學生了解、熟悉、掌握LED原理及特性的基礎上，結合學生專業實際，引導學生進行應用創新研究，掌握技術應用的基本方法與技能，從而培養學生的創新精神與技術應用及獨立工作能力。

“LED特性及其應用”創新性實驗項目的實驗內容包括3學時的課內實驗與3個學時的課外獨立創新應用研究，課內實驗的主要內容為教師講解LED的基本原理并圍繞主要實驗內容進行TRIZ創新方法教學，“LED特性及其應用”實驗的主要內容包含半導體PN結的伏安特性及其應用、發光二極管的伏安特性及其應用、LED光強特性研究及其應用、LED光譜特性及其應用等幾個方面；課外創新應用研究是學生在老師給出的選題方向上自主選題（或自行選擇與LED相關的選題），以課程論文或專利申請書的形式提交一份完整的課程報告，“LED特性及其應用”實驗包含LED的應用范圍研究、利用LED制作微型手電、LED交通信號燈、LED的壽命研究與分析、LED顯示屏研究、LED燈具檢測研究、LED 燈光譜對人體的影響研究、白光LED光譜分析、LED發光角度的調整方法等20多個選題方向，課外創新應用研究教學模式是以學生為主體、教師起啟發和引導作用為原則，是教師提出問題或目標，學生自行設計方案，自行完成實驗過程，實驗結果存在不確定性，目的在于培養學生的自主實驗能力、創新實驗能力和科學研究能力。具體的教學組織形式為20人為一班，每3人一組，分成7個以下小組，提前一周進行3學時的課內實驗教學；第二周安排兩天進行分組循環，分7個時間段：第一天8：00～11：00、第一天12：00～15：00、第一天15：00～18：00、第一天18：00～21：00、第二天8：00～11：00、第二天12：00～15：00、第二天15：00～18：00，分組循環期間學生根據自己的選題，自行設計并進行相關實驗測量，教師負責提供相關實驗配套。

“LED特性及其應用”創新性實驗項目以最終解決方案為成績評價依據。創新實驗首先面向部分對應用創新感興趣，具有學習能力、團隊協作等基本科學素養的理工科大學生開放，任課教師根據學生實驗課堂表現與提交的方案質量綜合評定最終實驗成績（五分制），具體方式為：基于某個具體問題，學生按照實驗報告模板（論文或專利）的格式要求，提交問題解決過程及最終優化方案，教師分析方案新穎性、實用性及創造性，擇優推薦申請專利或發表在相關刊物上。提交完整問題解決方案并公開發表者，實驗成績為優，并優先推薦參加校級、省級、國家級創新項目或相關創新競賽。通過一定時間的實踐，“LED特性及其應用”創新實驗預計將會形成20個左右創新方案或創新報告、2～3篇教學及研究論文、5～10項國家實用新型或發明專利以及項目和競賽獲獎等一大批創新應用成果。

4 總結

論文以“LED特性及其應用”實驗為例，在實驗基本教學內容的基礎上，設立與實驗內容相關的多個開放性研究課題，運用TRIZ創新方法分析、引導學生進行應用創新研究，掌握技術應用的基本方法與技能，培養學生創新能力、激發學生自主學習熱情、增強實踐與應用能力。

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