徐祥福，方運(yùn)良，朱偉玲，于 軍

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000))

以染料敏化電池為例探討研究型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)

徐祥福，方運(yùn)良，朱偉玲，于 軍

(廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東 茂名 525000))

研究型實(shí)驗(yàn)作為新的實(shí)驗(yàn)形式，在創(chuàng)設(shè)上與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有很大的區(qū)別。以染料敏化太陽(yáng)能電池創(chuàng)設(shè)為例，探討研究型實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)。研究型實(shí)驗(yàn)要以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力及提高學(xué)生科研素質(zhì)為原則；內(nèi)容上要多樣化、有層次、可選擇性強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段上要滿足學(xué)生不同層次研究的需求；實(shí)驗(yàn)結(jié)果上要具有可評(píng)價(jià)性，能夠激勵(lì)學(xué)生。

研究型實(shí)驗(yàn)；染料敏化太陽(yáng)能電池；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，僅有的部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件、教師等原因，多是對(duì)成熟的物理過(guò)程、結(jié)果的重復(fù)展示[1]。自20世紀(jì)中葉科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展完善以來(lái)[2]，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知、實(shí)踐能力上起到重要作用，但隨著社會(huì)對(duì)人才需求由知識(shí)型向創(chuàng)新型人才的轉(zhuǎn)變[3]，在創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力的培養(yǎng)方面，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難發(fā)揮作用。《國(guó)家中長(zhǎng)期人才規(guī)劃2010-2020》中提出，要“探索并推行創(chuàng)新型教育方式方法，突出培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力”。為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在堅(jiān)持培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，也要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式，以強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。

研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指“教學(xué)過(guò)程中由教師創(chuàng)設(shè)一種類似科學(xué)研究的情境和途徑指導(dǎo)學(xué)生在獨(dú)立的主動(dòng)探索、主動(dòng)思考、主動(dòng)實(shí)踐的研究過(guò)程中，吸收并應(yīng)用知識(shí)分析并解決問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的一種教學(xué)模式”[4]。它是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力的新實(shí)驗(yàn)形式。在研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具備的選題、資料調(diào)查、論文書寫等內(nèi)容之外，還包括研究方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器采購(gòu)加工、結(jié)果分析總結(jié)等方面[5]，這些都是傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不具備的。研究型實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)也必須以培養(yǎng)這些能力為目標(biāo)。

同時(shí)，研究型實(shí)驗(yàn)的特色在于不確定性，包括實(shí)驗(yàn)方法、手段甚至內(nèi)容都不是事先確定的。也就是說(shuō)，教師在創(chuàng)設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能遵循傳統(tǒng)教學(xué)方式，事先確定物理過(guò)程、實(shí)驗(yàn)步驟，而是要整體布局，盡量給學(xué)生空間去發(fā)揮他們的積極性?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，創(chuàng)設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)的原則是：在提高學(xué)生研究能力的同時(shí)，基于現(xiàn)有條件，使內(nèi)容上有選擇，技術(shù)上有層次，操作上可布局，教學(xué)上可評(píng)價(jià)[5]。

自Gratzel 1991年發(fā)表染料電池突破性進(jìn)展以來(lái)[6]，染料電池一直是研究熱點(diǎn)，目前，在光陽(yáng)極、對(duì)電極、敏化染料、電解質(zhì)方面都有深入的研究?jī)?nèi)容[7]。同時(shí)，染料敏化電池的特點(diǎn)是低成本、操作簡(jiǎn)單，將其作為本科生研究型實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，可以進(jìn)行以最簡(jiǎn)單的制作到單方向的深入研究，滿足不同層次、階段的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、研究訓(xùn)練。同時(shí)，染料敏化電池涉及物理、有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域，知識(shí)范圍較廣，涉及的研究方法、檢測(cè)技術(shù)多種多樣，適合于對(duì)學(xué)生科學(xué)研究能力、綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

1 基礎(chǔ)研究能力、工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)

目前，國(guó)外的一些實(shí)驗(yàn)是以Project形式開展的，教師的大多數(shù)科研項(xiàng)目也是以工程形式組織進(jìn)行的。讓學(xué)生了解項(xiàng)目的組織運(yùn)作，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、科學(xué)研究能力的一部分?，F(xiàn)在高等教育提出“大工程觀”教學(xué)理念，亦即如此。與傳統(tǒng)工程教育區(qū)別，“大工程觀”的“大”體現(xiàn)在科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、工程實(shí)踐等因素里面，而且具有多學(xué)科整合特性[8]。這也是項(xiàng)目的特性，需要讓學(xué)生體會(huì)到這些。

染料敏化電池制作有各種成熟的方案，有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜，但對(duì)于沒有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的學(xué)生來(lái)說(shuō)，染料敏化電池制作過(guò)程是很好的工程實(shí)踐案例。因?yàn)樗送暾捻?xiàng)目要素：原采料的選擇，產(chǎn)品技術(shù)工藝過(guò)程，成本控制，項(xiàng)目的組織，產(chǎn)品的產(chǎn)生和質(zhì)量檢驗(yàn)。它可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，更重要的是在這過(guò)程中，學(xué)生了解了項(xiàng)目是怎么樣組織進(jìn)行的。

染料敏化電池制作過(guò)程中，材料購(gòu)買、儀器選用、技術(shù)方案選擇等非技術(shù)因素是必不可少的過(guò)程，也是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要組成部分。如染料敏化電池究竟是選用FTO玻璃還是ITO玻璃，具體參數(shù)性能怎么樣，采購(gòu)時(shí)必須進(jìn)行權(quán)衡。如有學(xué)生選擇了光滑的ITO玻璃，但在還原電極時(shí)采用鉛筆涂敷，就會(huì)遇到怎么涂也涂不上去的尷尬。經(jīng)歷如此過(guò)程后，學(xué)生自然會(huì)明白工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)與評(píng)審的重要性。

染料敏化電池涉及多個(gè)學(xué)科：既有物理的，如光電池特性、電池應(yīng)用、納米晶TiO2等；還有化學(xué)的，如天然染料的提取、敏化等技術(shù)。整個(gè)過(guò)程使學(xué)生體會(huì)到了不論是科學(xué)研究還是工程實(shí)踐，學(xué)科整合的重要，增強(qiáng)了他們“終生學(xué)習(xí)”的能力。

2 研究方法、研究技術(shù)手段的培養(yǎng)

科學(xué)認(rèn)知與科學(xué)研究方法是分不開的，同時(shí)研究方法的選擇依賴于現(xiàn)有的硬件條件、人員情況?？梢哉f(shuō)研究方法就是采用某種方法組織相關(guān)研究手段達(dá)到認(rèn)知目的。培養(yǎng)學(xué)生研究方法的運(yùn)用、研究手段技術(shù)的使用也是提高學(xué)生科學(xué)研究能力的重要內(nèi)容。

在染料敏化太陽(yáng)能電池中，硬件條件包括X射線衍射儀、掃描電鏡、分光光度計(jì)、數(shù)字源表、馬弗爐、勻膠機(jī)、電池I-V特性測(cè)試儀等，這些都是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室材料制備與表征通用的儀器。研究型實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)，可以將這些條件提供給學(xué)生，讓學(xué)生自由選擇組合，達(dá)到其研究目的，甚至可以讓學(xué)生比較不同設(shè)備表征的差異。

另一方面，在染料敏化太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中，會(huì)涉及許多常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如葉綠素的提取與保存、勻膠鍍膜、噴涂法鍍膜、材料的退火、半導(dǎo)體器件I-V特性測(cè)試、光譜響應(yīng)測(cè)試等。同樣，學(xué)生可以在充分了解這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄩ_展研究。例如，一學(xué)生對(duì)納米顆粒光陽(yáng)極進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使用數(shù)字源表，利用掃描電壓編程，采用50 W LED白光(取樣20點(diǎn))進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖1所示。圖2為一學(xué)生采用分光光度計(jì)進(jìn)行的存放時(shí)間對(duì)光吸收的影響的研究對(duì)比結(jié)果。

圖1 學(xué)生使用50 W白光LED、電子負(fù)載測(cè)不同電池的I-V曲線

雖然從嚴(yán)格的學(xué)術(shù)意義上來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果并不理想，但對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，過(guò)程的重要性大于結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)研究項(xiàng)目的目標(biāo)，利用現(xiàn)有的技術(shù)條件，進(jìn)行制備與表征手段、技術(shù)的選擇，進(jìn)行過(guò)程的設(shè)計(jì)與控制，使學(xué)生認(rèn)識(shí)并掌握這些科學(xué)研究的基本要素及方法，提高了其科學(xué)研究素養(yǎng)與能力。

圖2 學(xué)生使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量的敏化劑光吸收譜

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能力的培養(yǎng)

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，研究型實(shí)驗(yàn)的特色在于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是按既定的實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)理論公式得出結(jié)果。這些結(jié)果是在物理過(guò)程被嚴(yán)格控制基礎(chǔ)上得來(lái)的，排除了其他因素的干擾，所以結(jié)果很難出現(xiàn)其他可能性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多是進(jìn)行煩瑣的不確定度計(jì)算分析，造成學(xué)生的抵觸情緒，偏離了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。而研究型實(shí)驗(yàn)由于過(guò)程的不確定性，結(jié)果受眾多因素的影響，如何對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如何排除干擾因素影響等，對(duì)本科生具有很大的挑戰(zhàn)性，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及科研能力。

如圖1所示的例子中，這名學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，進(jìn)而分析到電池效率不好的原因：“碳電極的附著力不好，容易剝落，導(dǎo)致在電解質(zhì)與碳的接觸面上暗電流的產(chǎn)生會(huì)比較大，而且在ITO玻璃上的電子也不容易回到碳電極上。同時(shí)，燒結(jié)時(shí)溫度不均勻，導(dǎo)致容易破片，而且溫度控制很難，導(dǎo)致TiO2表面的結(jié)晶程度不高，對(duì)太陽(yáng)光的吸收也減少?！?可以看出，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，注意到了很多細(xì)節(jié)之處，并且將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。這對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新思維、科研能力的培養(yǎng)都有重要的作用。

在染料敏化電池研究型實(shí)驗(yàn)中，還有很多類似例子，如有的學(xué)生注意到TiO2薄膜吸收光譜中，長(zhǎng)波方向出現(xiàn)振蕩，為解釋原因，設(shè)計(jì)了后續(xù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；還有的學(xué)生注意到在使用分光光度計(jì)時(shí)，TiO2薄膜散射光的測(cè)量影響問(wèn)題等。通過(guò)這些實(shí)踐案例發(fā)現(xiàn)，研究型實(shí)驗(yàn)不但增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新和科研思維及能力，對(duì)學(xué)生的韌性、專一、團(tuán)隊(duì)精神等品質(zhì)的培養(yǎng)也有作用。

4 科學(xué)論文撰寫等科研素質(zhì)培養(yǎng)

由于研究型實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生束縛較少，留給學(xué)生較大空間去發(fā)揮潛能，所以學(xué)生積極性較高。在這個(gè)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)就比較容易，包括文獻(xiàn)檢索方法、科技論文書寫格式要求、寫作時(shí)縝密的思維、常用數(shù)據(jù)處理工具等。

如文獻(xiàn)檢索方法上，為了弄清楚前人的研究方法、成果，以及自己的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，學(xué)生有較高的積極性。如有名學(xué)生欲在光陽(yáng)極薄膜中增加光散射中心以增強(qiáng)光吸收方面作研究，但在如何測(cè)量增加的光散射強(qiáng)度時(shí)遇到了困難，而中文文獻(xiàn)中沒有這方面的知識(shí)，當(dāng)時(shí)指導(dǎo)老師僅簡(jiǎn)單介紹了外文數(shù)據(jù)庫(kù)種類、檢索途徑等。學(xué)生主動(dòng)報(bào)名參加圖書館的數(shù)據(jù)庫(kù)講座，學(xué)習(xí)檢索方法，最終找到相關(guān)資料，改進(jìn)光度計(jì)，使問(wèn)題得以解決。這種情況在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中幾乎是不可能出現(xiàn)的。

另外，對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理工具的使用，學(xué)生也表現(xiàn)出很高的積極性。如圖1、圖2為學(xué)生使用Origin繪制的圖，盡管在標(biāo)注、符號(hào)大小等方面還有欠缺，但學(xué)生能夠主動(dòng)接受這種方式，并且樂(lè)于使用。

在教學(xué)實(shí)踐中，研究型實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)除了考慮學(xué)生的出勤率、選題的難度等之外，最重要的依據(jù)便是科學(xué)論文形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生反映最差的體驗(yàn)就是寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生總結(jié)做實(shí)驗(yàn)，就是“老師講一小時(shí)，學(xué)生做五分鐘，花一周時(shí)間寫報(bào)告”。而且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)有教材或指導(dǎo)書，學(xué)生書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)很多就是照抄教材或指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)方法、原理，造成學(xué)生的消極態(tài)度。而在研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在研究中做出了自己的成果，很希望得到認(rèn)可，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，無(wú)論是在格式上還是在論文縝密性上都會(huì)認(rèn)真去完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)染料敏化太陽(yáng)能電池研究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐證明，研究型實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)研究能力及科研素質(zhì)方面，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有優(yōu)勢(shì)，更能激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。另一方面，研究型實(shí)驗(yàn)對(duì)于指導(dǎo)教師的前期準(zhǔn)備工作要求更多：指導(dǎo)教師要確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上要使學(xué)生有選擇，可以有足夠的空間讓學(xué)生發(fā)揮；技術(shù)上要布局，使技術(shù)有層次，滿足不同學(xué)生需求；更重要的是要有可評(píng)價(jià)性。

由于研究型實(shí)驗(yàn)的不確定性，指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)中不能放任學(xué)生不管。有些學(xué)生中途可能會(huì)遇到大的問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去，導(dǎo)致學(xué)生比較沮喪。這時(shí)指導(dǎo)教師應(yīng)及時(shí)進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，在心理和技術(shù)層面上，指導(dǎo)學(xué)生克服困難完成任務(wù)。

[1]張小崗，秦玉軍．研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)及實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14(1)：37-39．

[2]劉郎．科學(xué)實(shí)驗(yàn)論[J]．大自然科學(xué)，1991，10(3)：133-137．

[3]程勇．高等院校研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探析[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2)：103-106.

[4]劉偉忠．研究型教學(xué)中的難點(diǎn)與實(shí)施重點(diǎn)[J]．中國(guó)高等教育，2006(24)：36-37．

[5]王葉，馬國(guó)宏，閻曉娜．研究型實(shí)驗(yàn)探索[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(4)：101-102.

[6]Gr?tzel M．Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells[J].Inorg．Chem．，2005，44：6841-6851．

[7]梅翠玉，王小平，王麗軍，等．染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(7)：148-152．

[8]謝笑珍．“大工程觀”的涵義、本質(zhì)特征探析[J]．高等工程教育研究，2008(3)：35-37．

Study on the Design of the Research-oriented Experiments Based on the Dye Sensitized Solar Cell Experiment

XU Xiangfu, FANG Yunliang, ZHU Weiling,YU Jun

(School of Science, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Research-oriented experiments as the new form of experimentteaching, has the difference with the traditional experiment in the teaching design. Based on the dye sensitized solar cell experiment, the design of research-oriented experiment should take the cultivating students’ practical ability, innovation ability, innovative thinking, research ability and scientific research quality as principle, to achieve that, should make the teaching content diversity, students have enough content to choose. It also should be prearranged in the experiment technology to meet the students’ needs. The experiment results should be evaluated to motivate the students.

research-oriented experiments; dye-sensitized solar cells; experiment teaching

2014-08-26

茂名市工農(nóng)業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201340)；廣東石油化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)課題研究項(xiàng)目(201103)；廣東石油化工學(xué)院教育發(fā)展科學(xué)研究項(xiàng)目(20114)。

徐祥福(1981-)，男，碩士，講師，主要從事光電材料及器件方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.003