科研-教學共享型綜合實驗教學項目開發與實踐

摘" 要：為充分發揮實驗教學的育人作用，應大力推進科研成果向實驗教學一線轉化，提升實驗教學內容的先進性和創新性。在借鑒同行實施模式的基礎上，以鈣鈦礦太陽能電池薄膜材料與器件制備、表征及性能實驗為例，介紹挖掘科研資源開發新實驗項目及落實本科生走進科研實驗室開展科研引導型綜合實驗項目的具體做法，包括理清實驗流程、先行模擬教學、設計教學資源、研究生參與教學及線上線下教學延伸等步驟，旨在探索教學硬件條件相對滯后的情況下采用一種科研-教學共享型綜合實驗教學新模式，切實提升實驗教學水平和質量。

關鍵詞：科教共享；科研轉化；實驗教學；線上線下；鈣鈦礦太陽能電池

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2024）25-0082-05

Abstract： In order to give full play to the educational role of experimental teaching， the transformation of scientific research achievements to the frontline of experimental teaching should be vigorously promoted， so as to improve the advanced nature and innovation of experimental teaching content. On the basis of learning form the implementation mode of peers， taking the experiment of preparation， characterization and performance of perovskite solar cell thin-film materials and devices as an example， this paper describes the specific steps of excavating scientific research resources to develop new experimental projects and undergraduate students entering the scientific research laboratories to carry out research guided comprehensive experiment projects， including clarifying experimental processes， prior simulating teaching， designing teaching resources， postgraduates' participation in teaching， online and offline teaching extension and other steps. The study aims at exploring a new experimental teaching mode of scientific research-teaching sharing under the condition of relatively laggard teaching hardware to effectively improve the level and quality of comprehensive experimental teaching.

Keywords： sharing of scientific research and teaching; transformation of science and education; experimental teaching; online and offline; perovskite solar cell

大學教育的質量，首先體現為本科教育的質量，而科研是提高教育質量和層次的關鍵。錢偉長院士曾說：“大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育。”高等學校的實驗教學是重要的實踐性環節，在培養學生實踐能力、創新能力等方面具有不可替代的作用[1-2]。

傳統的實驗項目已無法滿足突出能力培養的目標，甚至嚴重制約了學生在實驗環節的積極性及獨立思考能力，因此，為充分發揮實驗教學的育人作用，必須結合科研，將前沿科學成果轉化為本科教學內容，大力開發以科研為引導的綜合性實驗教學項目，讓科研成為教學的“源頭活水”，使本科實驗教學內容更具前沿性、先進性、創新性[2-3]。

在這方面，國內許多高水平大學已經開展了積極的探索和實踐，提出了科研成果向實驗教學一線轉化的模式，分析了實際案例和教學效果，對廣大高校實驗教學工作者很有啟發和示范作用[4-7]。但是鑒于學科、教學基礎、實驗教學軟硬件條件等差異，還有許多方面值得探索，尤其是教學過程的細化、實驗的流程，每個實驗不可能完全相同。本文總結近幾年材料專業實驗教學的經驗和尚存在的問題，探索一種科研-教學共享型的綜合實驗教學模式。

一" 挖掘科研資源設計實驗教學項目

高校的科研實驗室基本上是導師和研究生的活動范圍，近年來科研實驗室越來越多地對本科生開放，尤其在大學生創新實驗項目的實施中發揮越來越大的作用，本科生有機會活躍在不同學科領域的實驗室里。但是由于容量的限制，能進入教師科研實驗室開展實驗研究的畢竟是少數同學，如何將蘊藏在實驗室里的優質科研成果資源整合起來，更多更大程度地對本科生開放一直是高校教師在思考探索的問題[8-9]。

合肥工業大學堅持面向國家戰略和學術前沿，推進有組織科研和交叉學科研究，科研實力在不斷增強。材料專業開設的薄膜材料科學課程以薄膜科學與技術、新能源材料與器件為主的專業理論內容深受學生的歡迎和關注，教學團隊一直在尋求開設與課程相對應的實驗教學項目。選擇合適的科研成果是實現科教轉化的前提和基礎，具有高轉換效率的新概念太陽能電池材料是當前國內外的研究熱點，其中鈣鈦礦型太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，是該領域的主要研究方向之一[10-12]。羅派峰教授科研團隊在鈣鈦礦太陽能電池材料制備、表征、性能檢測方面已進行了較深入的研究，取得了一系列進展，具有較成熟的基礎、積累，尤其是旋涂法制備薄膜電池材料及器件，團隊的研究生已經掌握了比較成熟的操作方法、實驗流程、表征手段[13-16]。所以教學團隊確定新開發基于鈣鈦礦太陽能電池薄膜材料制備、表征和電池器件組裝與測試的綜合性實驗項目，并由此展開相適應的新教學模式的探索。

二" 實驗項目教學流程與實現

本科實驗教學要遵循實驗教學的規律，必須考慮有限的學時、學生分組、實驗數據輸出和實驗安全性等實際問題，所以在確定實驗項目開發的方向后，首先要做的是理清實驗流程、步驟及轉化為教學的可行性。

（一）" 理清實驗流程

如圖1所示，鈣鈦礦太陽能電池薄膜材料分為四層——導電玻璃、電子傳輸層、光吸收層和空穴傳輸層，除基片材料外的三層薄膜的制備均采用旋涂法，包括低速滴膠和高速勻膠兩個過程；然后采用蒸發鍍膜法制備電極，獲得原理型器件；最后進行材料表征和性能測試，整個實驗流程導圖如圖2所示。

（二）" 理清教學難點

實驗項目是實驗教學的載體，要體現一定的科學性和挑戰度，但同時要兼顧實驗教學的可行性。在有限的學時里，本科生能否通過實驗成功制備材料與器件并獲得有效的實驗數據，是該項目是否適合教學的判據。圖2所示的實驗流程呈現了具體的實驗內容，把每一道實驗環節落到實處，才能實現科研向教學的轉化。通過分析，可以看到整個實驗流程存在如下特點，同時也是教學難點。

實驗用到的化學試劑、工具耗材、設備種類多，實驗步驟多，有的試劑非常昂貴，具體見表1。

實驗細節多：比如FTO導電玻璃在準備刻蝕后必須嚴格清洗、標記，以保證后續旋涂制備；蒸發鍍銀電極前需要先擦除部分薄膜；又如SnO2電子傳輸層、CsPbI3光吸收層和空穴傳輸層前驅液的配制過程中，除了各種試劑具有嚴格的配比外，還需要長時間攪拌、過濾，并且現配現用；等等。

實驗操作技能要求高：用移液槍精確量取試劑配制前驅液；空穴傳輸層前驅液的配制必須在真空手套箱中進行；真空鍍膜機的操作復雜，必須達到較高的真空度才能啟動蒸鍍；等等。

表征與性能測試需用到大型精密儀器設備，如掃描電鏡、X射線衍射儀、太陽能光照模擬器和電池轉化效率測試系統等。

教學實驗室尚不具備實驗硬件條件，科研實驗室儀器設備臺套數有限。

綜上，雖然實驗項目由成熟的科研成果作為基礎，但是教學實驗室的硬件條件還非常欠缺，而且教學儀器設備的更新往往相對滯后，僅依靠教學實驗室是無法完成實驗教學的，所以在教學團隊主講教師的支持下，決定將本科教學引進到科研實驗室開展，并采用線上線下相結合的教學模式。

（三）" 科研-教學共享型實驗教學

1" 課前先行模擬實驗，編制教學資料

科研實驗具有探索性與創新性，由于實驗操作要求高、科研實驗室場地有限、實驗流程長，整個教學過程如何安排必須精心策劃。首先，實驗教師與研究生一起進行全實驗流程模擬教學，跟蹤拍攝記錄，深入剖析整個實驗流程，分解實驗步驟；接著編制操作指導文檔，制作PPT，并且將PPT分為預習和復習兩種版本。其中預習版主要是實驗目的、背景引導、步驟流程圖和實驗器材等，供本科生提前預習，并設計了一些引導問題激發學生的興趣，使學生帶著好奇走進科研實驗室；復習版是將整個流程分為旋涂制備、電極蒸鍍、表征測試三部分，配備大量的圖片，對每一步進行注釋，總結歸納工藝要點，并設計了針對性的思考題，供學生在完成相應的實操步驟后進一步學習、觸發深入思考、積極提問討論。PPT經任課教師審核后分階段上傳到“雨課堂”中，貫穿于整個教學時段。

2" 課中研究生參與實驗教學，示范指導實操

在實操環節，盡可能地細化分組，保證每位同學都能夠制備一個樣品，按照預先通知的時間多輪次進入實驗室，完成鈣鈦礦太陽能電池薄膜材料的制備、電極蒸鍍后獲得電池器件樣品，并及時測試樣品的光電轉化效率；然后對全組樣品數據進行對比，分析性能的差異與原因，探討影響因素和性能提升措施。

由于實驗操作要求高，整個實操環節都在研究生的參與和指導下完成，實驗教學過程的安排見表2。

其中材料的組織表征涉及到大型進口精密設備，由于學校科研資源緊張，現階段還無法做到對本項目開放，教學以PPT的形式通過線上實現科研成果分享、解讀，鼓勵學生提問探討，圖3為薄膜材料的表面和截面形貌。

3" 課后線上線下延伸實驗教學

采用線上線下相結合的方式推動學生進階式研究學習，主動拓展實驗知識結構，學生在“雨課堂”上的預習和實驗課后的交流反饋由系統自動記錄，教師通過學生的學習態度、實驗過程表現、實驗報告完成情況等對學生進行綜合評價。鼓勵學生通過“雨課堂”提問，有些問題直接線上一對一解答，有些共性問題集中解答，并上傳到“雨課堂”中，幫助學生與研究生建立聯系，促進他們之間的有益交流。實操環節后，學生進一步學習課件，寫出高質量的實驗報告，教師和學生繼續通過線上解決數據處理和實驗報告撰寫等各種問題，反饋教學。

（四）" 實驗教學效果

與其他驗證性實驗項目相比，本科生普遍認為基于鈣鈦礦太陽能電池薄膜材料科研成果轉化的綜合性實驗的知識點、信息量更大，走進科研實驗室置身于科研環境中，見識了許多科研設備，與學長（姐）的交流顯然更輕松、更大膽，從學長（姐）的科研進展中體驗到科研的快樂，堅定了進一步深造的決心。另一方面，研究生是科研的主力軍，在科研探索過程中，已經掌握了實驗流程和規范操作方法，參與到實驗教學指導中可以提高實驗的成功度；基于“雨課堂”的授課方式對研究生的科研時間影響也相對較小，與本科生面對面交流答疑，在提升成就感的同時也促進他們對科研項目的進一步思考。處于本科和研究生階段的青年學子是思維最活躍、最有創造潛力的，具有挑戰度的前研科技問題將極大地激勵學子們渴求知識、主動探索、成長成才。

三" 思考與展望

科研-教學共享型綜合實驗教學還存在一些問題，特別是實驗室的硬件條件制約著學生容量，科研實驗室的設備臺套數少，而且要保證不影響科研進展，一些難度大、操作復雜的設備只能依賴研究生的講解和演示。所以科研-教學共享型綜合實驗教學和實驗項目的開發需要充分考慮教學的可行性及實驗硬件條件的補充更替。在信息化、數字化全面賦能教學的背景下，吸收最新研究成果作為實驗原方案，靈活地運用現代信息技術手段構建更豐富的實驗教學資源，給學生提供線上線下全新的教學體驗也是促進科研成果向本科教學轉化的重要手段。目前教學團隊已經開展虛擬仿真實驗項目的引進和建設；為了給學生創造更多親自動手實踐的機會，也正在開發另一個基于磁控濺射法制備薄膜材料的新實驗項目。

另一方面，科研-教學共享型綜合實驗教學對于高校教師提出了更高要求。課程負責人在承擔繁重的教學、科研任務的同時，積極主動地推動科研成果向實驗教學一線轉化是科研-教學共享型綜合實驗教學項目得以實現的前提和保障，高校要形成和建立教師傾心本科人才培養，將科研優勢轉化為人才培養優勢的氛圍和激勵機制[1，17]；實驗教師要保持學無止境的態度，釋放職業潛力，在科研教學轉化過程中主動參與教學設計、組織實驗實施，架起科研與教學、理論與實踐緊密聯系的橋梁，具備獨立承擔實驗課程的能力，建設更優質的實驗教學內容，實踐為國育才的使命擔當。

參考文獻：

[1] 杜玉波.新時代本科教育的使命與路徑[J].中國遠程教育，2022（7）：1-3.

[2] 鄭雙凌，徐珺.面向本科生的科研實驗教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（9）：160-162.

[3] 毛巍威，薛洪濤.科研引導型開放實驗教學的實踐與探索——以“鐵電材料的光伏效應研究”為例[J].大學物理實驗，2022，35（3）：154-156.

[4] 翟天亮，韋良強，吳珊，等.基于科研反哺教學的《材料綜合實驗》教學改革[J].廣州化工，2022，50（18）：245-247.

[5] 沈利榮，沈蓉，李小平，等.將科研成果向本科生實驗教學轉換的具體實踐[J].實驗技術與管理，2020，37（12）：199-204.

[6] 劉金庫，盛瀟瀟，張敏，等.科研成果向實驗教學一線轉化可借鑒實施模式探索[J].實驗室研究與探索，2021，40（11）：160-163.

[7] 王海鷹，楊剛，李玉紅，等.將科研實驗引入本科實驗教學的改革與實踐[J].中國電力教育，2009（17）：145-146.

[8] 范冰冰，邵剛.無機非金屬材料專業綜合實驗教學改革與實踐[J].科技風，2017（5）：47.

[9] 李存玉，彭國平，鄭云楓.混合式教學法在中藥制藥專業綜合實驗教學中的設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2021，40（12）：204-207，287.

[10] 劉成，沈璐穎，徐鄭羽，等.鈣鈦礦太陽電池的研究進展[J].化工進展，2014，33（12）：3246-3252.

[11] 肖立新，鄒德春.鈣鈦礦太陽能電池[M].北京：北京大學出版社，2016.

[12] 張恒賓，趙建紅，柳清菊，等.CsPbI2Br無機鈣鈦礦太陽能電池的研究進展[J].功能材料與器件學報，2022，28（5）：426-432.

[13] 羅派峰，夏偉，周圣穩，等.CsPbI3無機鈣鈦礦電池的Open-air溶液法制備研究[C]//北京：第三屆新型太陽能電池學術研討會論文集，2016：43.

[14] LUO P F， XIA W， ZHOU S W， et al. Solvent Engineering for Ambient-Air-Processed， Phase-Stable CsPbI3 in Perovskite Solar Cells[J].The Journal of Physical Chemistry Letterst， 2016（7）：3603-3608.

[15] 孫甲，許晨強，羅派峰.MA（1-x）FAxPbI3鈣鈦礦電池制備及光伏性能研究[C]//蘇州：2020第四屆全國太陽能材料與太陽能電池學術研討會摘要集，2020：16.

[16] WANG H S， SUN J， GU Y S， et al. Solvent-engineering-processed CsPbIBr2 inorganic perovskite solar cells with efficiency of～11%[J].Solar Energy Materials amp; Solar Cells，2022（238）：111640-111648.

[17] 韓民樂，楊曉剛，樊欣，等.科研成果向大學綜合實驗教學轉化的探索與實踐——以長磷光壽命主客體材料合成和表征為例[J].當代化工研究，2022（17）：147-149.

基金項目：安徽省高等學校質量工程教學研究項目“教育信息化背景下面向創新應用型人才培養的無機非金屬材料工程專業

綜合實驗教學改革研究”（2021jyxm1193）；安徽省質量工程項目“粉體材料科學與工程專業改造提升項目”（2022zygzts086）；合肥工業大學研究生教學改革研究項目“材料學院研究生大精儀綜合測試、創新實踐共享平臺建設”（2021YJG103）

第一作者簡介：舒霞（1971-），女，漢族，安徽霍山人，博士，高級工程師。研究方向為納米功能材料、材料的表面改性、分析檢測和實驗教學改革。