規模化物理類本科生創新實踐課程內容研究*

徐林華 劉玉柱 陳玉林 張雅男 （南京信息工程大學物理與光電工程學院）

一 開設規模化創新實踐課程的必要性

廣義的實踐訓練包括：基礎實驗課（例如大學物理實驗、大學化學實驗、計算機上機操作等）、專業實驗課、金工實習、畢業實習、畢業論文、學科性科技作品競賽、大學生創新創業訓練項目等。從學生人數上來講，這里面實施規模大的是基礎實驗課，規模比較大的是專業實驗課、金工實習，而畢業論文基本上是一對一的（即一個論文題目對應著一個學生），學科性創新競賽和大學生創新訓練項目基本上是每一項包含幾個學生（3～5個）。從課程的性質來講，基礎實驗課、專業實驗課、金工實習都是基礎課程，一般不能給予學生創新性訓練，而畢業論文一般都具有一定的創新性，學科性創新競賽和大學生創新創業訓練項目則具有更高的創新性。由以上所述，我們可以知道：具有學生人數規模的實驗課程不能給予學生創新性的訓練，而具有創新性的實踐課程或項目能參與的學生往往只有幾個。盡管很多高校的大學生創新創業訓練項目每年立項數量有百余項，但是按每個項目有5個學生參與，那么每年參與的學生也不過五六百人，與大部分學校每年的實際招生人數相比還是比例較少，更何況即便是參與項目的學生也僅僅是參與其中的一個創新項目，得到訓練的范圍仍然很窄。為了使大部分的學生都有機會得到創新實踐鍛煉的機會，學校應該針對大類專業的本科生開設具有一定人數規模的創新實踐課程。

二 規模化物理類本科生創新實踐課程的內容

創新實踐課程涵蓋的內容包括創新實踐課程的教學內容、相關的教學資源建設、相關的教學師資隊伍培養等多方面內容，毫無疑問，創新實踐課程的內容的選取是核心內容。筆者認為創新實踐類課程內容的選取應該基于以下幾點：第一，選取的課程內容要具有一定的寬度，要適用于幾個相關或相近專業；第二，選取的課程內容要具有一定的深度，具有一定的探索性和啟發性；第三，選取的課程內容要具有一定的綜合性，學生需要綜合運用已學的幾門課程的知識去完成這個實踐項目。基于以上這些內在要求并考慮到目前的一些科學研究熱點問題，筆者提出針對物理類專業（物理學、應用物理學、材料物理、光電信息科學與工程等）可以設置以下一些創新實踐課程內容。

（一）功能薄膜制備、表征與應用

作為特殊形態材料的薄膜，目前已被廣泛應用于許多領域如微納傳感器、光電子器件、信息存儲、航空航天、微電子器件、環保產品、新能源等。對于薄膜的研究與應用涉及真空技術、電子技術、應用物理、表面科學、固體物理、譜學等多個學科；因此，開設“功能薄膜的制備、表征與應用”的創新實踐課程可以使物理類的學生將學到的多門課程的理論知識應用于實踐、掌握功能薄膜的制備、表征技術并將制備的薄膜在某一領域實現應用。一些高校已經開設了相關的創新實踐課程。考慮到薄膜的制備技術有很多種而且制膜成本與獲得的膜質量差別很大，在大學生創新實踐課程中選用何種制膜技術也是很重要的。這里基于筆者的經驗推薦兩種代表性的薄膜制備技術。一種是磁控濺射技術，它是物理方法的代表；另外一種是溶膠-凝膠法，它是濕化學方法的代表。對于薄膜物性的表征，可以使用X射線衍射儀分析晶體結構、使用教學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。有經濟條件的高校還可以配備其他設備，如掃描電鏡、透射電鏡、拉曼光譜儀、霍爾效應測試儀等以更好地分析薄膜性能。在薄膜應用方面，各個高校可以根據自己專業的培養方向，安排一些實際應用項目，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電是近些年來最主要和最具發展潛力的太陽能利用途徑之一。因此，太陽能電池的制備與測試就變得非常重要。在物理類本科生創新實踐教學中開設“太陽能電池制備與測試”相關創新實驗內容有利于開拓學生的眼界、深化學生對于新能源的認識、掌握太陽能電池的組裝技術與測試技術，為將來可能從事相關的工作奠定基礎。目前，一些高校也開設了相關的實踐課程。考慮到染料敏化太陽電池是一類新型薄膜太陽電池，處于新能源領域的研究和開發前沿，而且具有成本較低、制備工藝簡單、可柔性化等突出優點，因此推薦在規模化大學生創新實踐中采用染料敏化太陽電池開展相關實驗項目。

（三）表面等離激元的原理及應用

表面等離激元（Surface Plasmon）是在金屬表面區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，所產生的一些效應可以解決目前面臨的一些難題，尤其是解決一些以往光學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構的器件的成功制備，其在光學各領域應用顯示出了巨大的潛力，其中包括金屬亞波長結構的增透效應在超分辨率納米光刻、高密度數據存儲、近場光學等領域的應用。因此，在物理類大學生創新實踐課程中開設“表面等離激元的原理及應用”的實驗項目有助于加深學生對于這一新奇物理現象的理解，增強學生對新奇現象的好奇心和提高學生對新生事物的探索能力。對于這一實驗項目的具體實施，我們在以前發表的一篇論文給出了很好的說明。

（四）發光二極管的制備、設計與應用

發光二極管是一種代表性的固態電致發光器件，它具有節能環保的顯著優點，目前已廣泛應用于顯示屏、交通信號燈、燈飾、照明光源等領域。發光二極管的研究與應用涉及很多方面，比如它的制備涉及材料科學、半導體物理學、光譜學、封裝技術等；它的測試表征涉及原始材料的性能測試、發光二極管成型后的光學測試；它的應用涉及“電子技術基礎”“照明與顯示”“環境照明設計”等多門課程的知識。在大學生創新實踐課程中開設“發光二極管的制備、設計與應用”的項目可以使學生在課堂上學到的多門理論課程的知識應用于實踐，增強動手能力和創新意識。河北大學在本科生創新實踐中較早地開設了發光二極管方面的實驗項目，并且經過多年的教學實踐證明：發光二極管的創新實驗培養了學生動手能力和創新精神，有利于提升學生的綜合素質。

（五）在大學物理實驗基礎上的創新實驗項目

眾所周知，大學物理實驗是高等學校理工科學生進入高校后接受到的第一門獨立設置的基礎實驗課程，通過該課程的學習，大學生不但接受了系統的實驗思想和實驗技能的訓練、培養出了良好的實驗素質，還為后續其他課程的學習及日后的工作學習奠定了扎實的基礎。那么，在大學物理實驗課程的基礎上開發一些創新性的實踐項目對于學生創新實踐能力的培養大有益處，這些教學內容的實施也更加容易。一方面，由于是在“大學物理實驗”課程的基礎上開發的新的實驗項目，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，這可以大大節省開支；另一方面，由于是在“大學物理實驗”課程的基礎上開發的新的實驗項目，學生在已有基礎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 對開設規模化本科生創新實踐課程的幾點建議

第一，對于本科生創新實踐課程的開設時間：我們建議開設在大三上學期或下學期。這是因為，創新性實踐課程一般包含的都是創新性的實踐項目，往往需要學生用前面學過的專業基礎課的知識去解決相關問題，而大二或大一學生都還沒有學過這些知識，項目開展起來困難較大；再者，學生在大學四年級時，或者忙于考研，或者忙于找工作、考公務員，若此時開設這個創新實踐課程不會起到很好的效果。

第二，對于本科生創新實踐課程學時的安排：根據具體課程內容，一般安排32～64課時為宜。創新實驗項目不同于基礎實驗課和專業實驗課的實驗內容，后者一般都是比較經典的實驗項目，而且一般有定論。創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個學時甚至更長時間。再者，盡可能安排一次課3～4個學時，給予學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到下課時間了。

第三，對于本科生創新實踐課程師資隊伍的建設：結構合理、知識多元化、精力充沛的指導教師隊伍是創新實踐教學取得良好效果的根本所在。創新實踐教學的內容基本都涉及科技前沿熱點問題，要求指導教師本身具有相關的研究背景；再者，學生在創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。