大学物理实验课反溯教学方法研究.pdf

物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5基金项目:北京科技大学2 0 2 1年度本科教育教学改革重点项目(J G 2 0 2 1 Z 0 5)和教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会2 0 2 0年教学研究项目(D J ZW 2 0 2 0 0 6 h b)。作者简介:谢子昂,男,讲师,主要研究方向为半导体光电器件、柔性功能材料、微纳结构制造与电磁仿真等,x i e z i a n g u s t b.e d u.c n。通讯作者:吴平,女,教授,主要从事大学物理与实验教学研究及凝聚态物理研究,研究方向为低维能源材料、颗粒物质物理等,p i n g w us a s.u s t b.e d u.c n。引文格式:谢子昂,张师平,陈森,等.大学物理实验课反溯教学方法研究J.物理与工程,2 0 2 3,3 3(4):1 0 7-1 2 0.C i t e t h i s a r t i c l e:X I E Z A,Z HAN G S P,C HE N S,e t a l.R e s e a r c h o n r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d f o r c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i m e n t c o u r s eJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 3,3 3(4):1 0 7-1 2 0.(i n C h i n e s e)大学物理实验课反溯教学方法研究谢子昂1 张师平1 陈 森2 裴艺丽2 李 莉2 邱红梅1 赵雪丹1 王云良1 吴 平1(北京科技大学1数理学院;2自然科学基础实验中心,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要 为促进新形势下的“大学物理实验”课程体系改革,推动“高素质、创新型”人才培养朝新方向、高水平前进,北京科技大学“大学物理实验课反溯教学方法研究”课题组提出了物理实验课反溯教学方法,将现代科技的最新发展引入课程,对反溯教学方法进行了探索。课题组从实验现象出发,引导学生反溯基本物理学概念、原理和现象,并相应组织编排物理实验内容,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣和学习能力。课题组从实验室建设、新教材建设、新实验编排、本科生科技创新、实验课程与最新科研项目结合等多个角度出发,对“大学物理实验”课程体系进行了全面深化,促进学生变“要我学”为“我要学”,并取得了一系列教学成果。关键词 大学物理实验;反溯教学方法;课程建设;现代科技R E S E A R C H O N R E T R O A C T I V E T E A C H I N G ME T H O D F O R C O L L E G E P H Y S I C S E X P E R I ME N T C O U R S EX I E Z i a n g1 Z H A N G S h i p i n g1 C h e n S e n2 P E I Y i l i2 L I L i2 Q I U H o n g m e i1 Z H A O X u e d a n1WA N G Y u n l i a n g1 WU P i n g1(1 S c h o o l o f M a t h e m a t i c s a n d P h y s i c s;2 B a s i c E x p e r i m e n t a l C e n t e r o f N a t u r a l S c i e n c e,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3)A b s t r a c t I n o r d e r t o p r o m o t e t h e r e f o r m o f t h e C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n t c u r r i c u l u m s y s-t e m u n d e r t h e n e w s i t u a t i o n,a n d t o p u s h f o r w a r d t h e c u l t i v a t i o n o f“h i g h-q u a l i t y a n d i n n o v a-t i v e t a l e n t s”a t a n a d v a n c e d l e v e l,t h e r e s e a r c h g r o u p o n“R e t r o a c t i v e T e a c h i n g M e t h o d f o r C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n t”i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g h a s p r o p o s e d t h e r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d f o r t h e c o u r s e.T h i s t e a c h i n g m e t h o d i n t r o d u c e s t h e l a t e s t d e v e l-o p m e n t s i n m o d e r n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i n t o t h e c u r r i c u l u m a n d e x p l o r e s r e t r o a c t i v e t e a c h-i n g m e t h o d s.T h e r e s e a r c h t e a m s t a r t e d f r o m e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a,g u i d e d s t u d e n t s t o t r a c e b a c k b a s i c p h y s i c a l c o n c e p t s,p r i n c i p l e s,a n d p h e n o m e n a,a n d o r g a n i z e d p h y s i c s e x p e r i-m e n t c o n t e n t s a c c o r d i n g l y,s t i m u l a t i n g s t u d e n t s d e s i r e t o e x p l o r e a n d c r e a t e,a n d t h u s c o m-701物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3p r e h e n s i v e l y e n h a n c i n g t h e i r l e a r n i n g a b i l i t y.T h e r e s e a r c h t e a m h a s c o n d u c t e d a c o m p r e h e n-s i v e d e e p e n i n g o f t h e C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n t c u r r i c u l u m s y s t e m f r o m m u l t i p l e p e r s p e c-t i v e s,i n c l u d i n g l a b o r a t o r y c o n s t r u c t i o n,n e w t e x t b o o k a n d n e w e x p e r i m e n t a r r a n g e m e n t s,u n d e r g r a d u a t e s c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o n p r o j e c t s,a n d t h e c o m b i n a t i o n o f e x p e r i-m e n t a l c o u r s e s w i t h t h e l a t e s t s c i e n t i f i c r e s e a r c h f r o n t i e r s.T h e s e p r a c t i c e s s t i m u l a t e d o u r s t u d e n t s t o c h a n g e f r o m b e i n g t o l d“y o u m u s t l e a r n”t o s a y i n g“I w i s h t o l e a r n”o n t h e i r o w n i n i t i a t i v e.A s a r e s u l t,a s e r i e s o f s i g n i f i c a n t t e a c h i n g a c h i e v e m e n t s h a v e b e e n a c c o m p l i s h e d.K e y w o r d s c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i m e n t;r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d;c u r r i c u l u m c o n s t r u c-t i o n;m o d e r n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y 目前,我国已成为世界制造大国,制造业规模跃居世界第一,已稳步迈入由“中国制造”转向“中国创造”的崭新阶段。未来2 0年内,我国人才需求方 向 将 由“技 术 型”转 变 为“高 素 质、创 新型”1-3。如何从高校教育的角度,将解决问题的技术型人才提升至善于提出问题、分析问题和解决问题的创新型人才,是当今教学面临的重要改革方向4-5。作为高校理工科人才培养过程的必要环节,“大学物理实验”课程是学生进入大学后接受系统的实验技能训练的开端,对切实提高人才培养质量具有重要作用和意义6-7。但课程中还存在部分实验项目形式陈旧、教学内容与教学方法传统、与前沿科技结合较弱、不易激发学习热情等情况。学生完成实验操作后缺乏兴趣,更不知道如何对实验结果进行分析和讨论。教师的引导因人而异 8-9。学生投入了时间精力,却远未能达到应有的学习效果。进行资源统合并改革教学方式,成为课程亟待解决的问题。北京科技大学“大学物理实验课反溯教学方法研究”课题组以培养学生实践能力与创新意识为目标,注重学生未来发展的实际需求,将现代科技的最新前沿发展引入课程,构建了符合“高素质、创新型”人才培养需求的“大学物理实验”课程反溯教学法。反溯教学法的基本思想,是从最新科技发展反溯其基本物理学概念、原理和现象,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣和学习能力。充分挖掘课程潜力,让学生从“要我学”变为“我要学”。三年来的教学实践表明,我们提出的大学物理实验课程反溯教学法成功构建了一整套大学物理实验课程教学范式,在课程体系建设、学生能力与创新意识培养等诸多方面均发挥了重要作用。以实验竞赛、科研论文、专利等为代表的成果见证了反溯教学法的成功实施。反溯教学法所构建的新型课程体系与内容为建设适应新时期、新形势下人才培养需求的“大学物理实验”教学新方法进行了成功探索。1 反溯教学法指导“大学物理实验”课程新编排反溯教学法指导“大学物理实验”课程新编排的路线框图如图1所示。围绕这一路线图,我们从创新实验室建设、新教材编排、创新型新实验项目与内容设计编排等角度开展了工作。1.1 创新实验室建设创新、竞赛、实验教学相融合必须有教学环境改善的支持。三 年 来,课 题 组 从 实 验 室 硬 件 建设、实验室师资团队建设和学生开放性管理等方面全面建设创新实验室,同时做好实验室管理工作,以满足学生开展个性化实验与创新型实验的需求。我们搭建了通用制作实验平台、热学物性测量平台、软物质研究平台、核磁成像技术及应用研究平台、分子动力学模拟仿真实验平台和光伏器件制备与测试平台等多个实验平台(图2(a)(f),为学生开展科学实验研究、科技创新项目、仪器制作、学科竞赛、科技竞赛、社会实践等活动提供便利。创新实验室是提升学生科学素养、建立正确科学观的重要场所。创新实验室每年支撑三十余组同学参加大学生科技创新项目、国家级和省部级实验竞赛等,使实验课堂实现由课内向课外自然延展。801物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图1“大学物理实验”反溯教学法的研究思路图2 实验平台建设情况(a)通用制作实验平台;(b)热学物性测量平台;(c)软物质研究平台;(d)核磁成像技术及应用研究平台;(e)分子动力学模拟仿真实验平台;(f)光伏器件制备与测试平台1.2 理科物理实验教程(第2版):力学、热学、电磁学、光学实验分册 教材 为了凝练、固化反溯教学法的研究成果,我们编排了 理科物理实验教程(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 教材1 0。所选入的实验项目既考虑了课程体系的完整性,又兼顾了前沿科技901物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3的最新发展。各实验项目的编排均以反溯教学法为核心指导思想,首先引入背景知识介绍或具体的高新技术应用,再引导学生回归到基础物理现象和知识点。“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”,我们通过反溯教学法让实验项目激发了学生的学习兴趣和内在学习动力。教学实践表明,经过以上实验课程内容的学习,学生在知识获取、技能培训和科研兴趣培养等诸多方面都有了大幅提升。在以上新教材编排的基础上,我们新申请了理科物理实验(2 0 2 02 0 2 1年)和基础物理实验&(2 0 2 22 0 2 3年)两个教学示范课项目,以反溯教学方法全面组织实施了新时期实验课程,受到学生的欢迎和支持。1.3 反溯教学法新实验1)干涉光刻技术实验干涉光刻技术是一种无须用到复杂光学系统即可制备精细微纳结构的技术手段。该技术可反溯回光干涉这一基本物理原理。我们设计了使用两束或三束相干激光光束干涉产生周期性纳米织构图形的光学系统,并研究入射角度、光束强度、光束波长等因素对所成图形的影响。所研究的图形种类将包含光栅、孔阵、点阵、柱阵等多样化的结构,以满足不同的后续实验需求。结合图形转录方法,要求学生学习和掌握光刻图形“正模”与“倒模”的转移、转换技术,并探究不同类型光刻胶的性能。拟使用平面等离子体刻蚀等方法将所制微纳图形转移至硅衬底或砷化镓衬底上,使学生在领略光刻技术的同时,对刻蚀的基本原理、实验过程和影响因素有初步了解,也为学生未来进一步学习光刻技术做基础准备。2)基于 S a g n a c效应的激光干涉光纤陀螺仪实验陀螺仪是一种古老而有生命力的仪器,能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,因而在国防军事、导航测控、汽车制造等领域有重要应用。基于S a g n a c效应的激光干涉光纤陀螺仪的原理可反溯回光干涉等基本物理原理。同一光源发出的光分为两束后,在同一环路内沿相反方向绕行一周后会合可产生干涉。当环路所在平面旋转,干涉条纹将会发生移动,也即S a g n a c效应。此时,两束光线的光程差与环路所在平面的旋转角速度成正比。基于这一效应制成的激光干涉光纤陀螺仪可测量装置的旋转角速度。通过这一实验,可使学生回溯光干涉基本原理,掌握S a-g n a c效应的同时了解其应用,理解现代科学技术新发展与基本物理现象和物理原理之间的联系。将激光干涉光纤陀螺仪实验引入到大学物理实验中,可使学生反溯激光干涉的基本原理进行理论和实验探索,激发其学习兴趣,了解S a g n a c效应及激光干涉陀螺仪,理解基本物理现象与现代科学技术新发展的关系。3)L E D光谱实验蓝光发光二极管(L E D)是白光L E D的基础,是一项里程碑式的发明。这种由于多数载流子注入而引起电子和空穴对复合发光的现象称为注入式电致发光,可回溯至能带理论等基本物理原理。L E D具有节能环保、寿命长、体积小、应用广泛、色彩丰富等特点,是继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源,在生活上、工业上有多种应用。我们尝试将L E D光谱实验引入到大学物理实验中,与光栅光谱仪实验相结合,让学生从L E D的发光原理与特性出发,引发学习兴趣,体会物理学科在高新技术中的重要作用,再反溯回L E D的光谱研究,使学生在完成实验的过程中掌握新型半导体器件的发光原理和光谱特性。本实验已编排为 理科物理实验(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 课程的光学实验项目。4)混沌摆实验摆的发展与研究有着悠久的历史。双摆是一个由两个摆锤组成的简单物理系统,其中一个摆锤连接在另一个摆锤的末端。双摆属于混沌摆之一,具备丰富的动态特性,能够展现出混沌现象。混沌现象是指发生在确定性系统中的看似随机的不规则运动行为,表现为不确定性、不可重复、不可预测,是非线性系统的固有特性。双摆/混沌摆对于初始条件十分敏感,整个运动混沌无序、无法预测。混沌现象的发现和混沌理论的建立,同相对论和量子论一样,是对牛顿确定性经典理论的重大突破。许多科学家认为,2 0世纪物理学三个辉煌的科学奇迹是相对论、量子论和混沌理论的创立。将混沌现象引入到大学物理实验中,可使学生反溯摆的基本运动规律进行理论和实验探索,激发其学习兴趣,了解混沌现象及混沌理论,体会物理学科在现代生活中的重要作用。本实验已编排为 理科物理实验(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 课程的力学实验项目。011物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 35)介电常数的频率特性电容器存储和释放电能的能力产生了许多重要应用,比如摄影师使用的电子闪光装置、中国正在建设的“Z机器”(Z P u l s e d P o w e r F a c i l i t y)、电磁炮使用的电容器等。这些应用的原理均可反溯至电容器两极板间电介质材料的性质。学生使用高精度阻抗分析仪与相应夹具,可学习测量电介质材料介电常数和损耗与频率的关系。在此基础上教师作点评与讲解,使学生在掌握介电常数和损耗测量方法的同时,理解介电常数和损耗频率特性的产生原因等源头知识,并展望其应用。本实验已编排为 理科物理实验(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 课程的电磁学实验项目。6)磁耦合谐振实验磁耦合谐振,即两个相同频率的谐振物体将会产生很强的相互耦合,与远离谐振环境的物体有较弱的交互,可实现无线能量的传输。其相关知识可反溯回耦合、谐振、频率分裂等基本概念。磁耦合谐振是本科生电磁场理论教学中的难点,也是电磁学领域科学研究前沿。它是目前无线供电技术的一种解决方案,也是当前电气工程领域最热门的研究方向之一。基于磁谐振耦合理论的无线电能传输现象,既可从物理理论上通过经典的耦合模理论,也可用电气、电工学科的L C共振电路模型来进行分析,创新性地引入大学物理实验课堂教学、填补教学空白。历时多年的课堂试用、课题组改进和优化了多线圈磁耦合谐振实验系统,并将其编排为 理科物理实验(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 课程的电磁学实验项目。7)声悬浮实验声悬浮技术对于悬浮物体的性质没有特定要求,对声场内的固体和液体均可以进行悬浮,技术适用度高,近年来逐渐发展应用于分析化学,材料科学,医学等多个领域,是一种新兴、前景极其广阔的悬浮技术。其原理可以反溯至声辐射力对抗重力以实现物体的悬浮。学生利用自搭实验装置,控制悬浮物体移动,可以引起较大的学习兴趣和探索欲望。在实验基础上,教师作讲解,使学生在熟悉控制悬浮物操作的同时,掌握声辐射力以及驻波的原理和应用,理解现代科学技术新发展与基本物理现象和物理原理之间的关系。8)可变转动惯量装置与测量转动惯量是大学物理实验教学中常见的实验项目。在工业生产中,经常会使用具有大转动惯量的飞轮进行惯性储能。随着储能工业的发展,学界提出了可变转动惯量的储能方法,也即在较低的转速下可以较低的转动惯量运行,而在较高的转速下其自身的转动惯量可以增大,从而达到高效储能的目的。基于这种可变转动惯量的工作原理可以反溯至转动惯量的测量、物体质量分布的变化与转动惯量之间的关系等基本物理原理。在实验基础上,经教师讲解,学生可探究可变转动惯量装置的转动惯量测量,了解该装置的转动惯量变换原理,以及质量分布和转动惯 量之间的关系。9)材料相变热的测量实验材料的相变过程在工业生产和日常生活中都有重要作用,而研究相变过程的手段往往需要采用价格高昂的专业仪器设备。为此,我们从相变过程的应用和测量手段入手,提起学生研究的兴趣,从差热分析方法反溯回温度测量与热流之间的关系,通过实验室搭建的实验装置 开放式量热装置,让学生从中探究物质传热的基本原理,理解现代测试技术与基本物理现象和物理原理之间的关系。2 反溯教学法在本科生S R T P科技创新项目中的实践 开展本科生S R T P科技创新项目是提升能力的重要手段。为了将最前沿、最新科技成果与本科生实验教学结合起来,我们尝试使用反溯教学法指导本科生科技创新项目,力求做到“立足科技创新,辐射实验教学”,并取得了一系列教育、教学经验。课题组通过以本科生科技创新和物理实验竞赛相结合的方式,走出了一条“以赛促教”的新路。2.1 基于S a g n a c效应的激光陀螺仪S R T P项目(在研)陀螺仪是重要的角运动检测装置。课题组通过已有的氦氖激光管、反射镜、分光镜和陶瓷玻璃等元件设计搭建出简单的激光陀螺仪(图3(a)。其原理可反溯至角动量守恒、光干涉等基础知识。通过制作和运行激光陀螺仪,研究高速旋转下的物体性质。制作环形谐振腔,观测并分析其中两束光的干涉,及整个环形光路里形成的驻波现象111物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3(图3(b)。自主设计和搭建了单激光分光的矩形双循环干涉光路(图3(c),观察并探究陀螺在不同速度的高速运转下,驻波波结、波腹相对反射镜的位置变化,镜子转动距离对干涉条纹变化的影响。图3 基于S a g n a c效应的激光陀螺仪S R T P项目成果(a)陀螺仪结构;(b)光路图;(c)单激光分光的矩形双循环干涉光路照片2.2 双摆的制作及其混沌现象的研究S R T P项目(结题)混沌是非线性动力系统的固有特性,是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统,而线性系统大多是由非线性系统简化而来。项目对双摆中的混沌现象产生原因以及可能存在的规律进行了理论上的探索研究,并基于理论力学中的拉格朗日方程与R u n g e-K u t t a法给出了双摆运动的轨迹模型,并对出现的混沌现象给出了一定的解释与理解。利用T r a c k e r软件对图像进行了数据处理与分析,初步判断出在短周期内双摆的运动是混沌运动。在简易双摆装置的基础上,课题组增加外部驱动装置,进一步实现对双摆施加可调的驱动力。基于混沌理论,即兼具质性思考与量化分析的方法,探讨了双摆动态系统中无法用单一的数据关系,以整体、连续的数据关系解释和预测了摆动行为。2.3 模块化的可见光通信设备研制S R T P项目(在研)可见光通信技术是指利用可见光波段的光作为信息载体,在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信的主要优势有绿色低碳,可实现近乎零耗能通信,还可有效避免电磁信号泄露等缺点,为快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间提供支持。其原理可反溯至亥姆霍兹方程、能带理论等基础知识。课题基于基本通信电路,通过改善信号发出端的输入信号以及信号接收端(硅光电池)的输出信号,使最后得到的信息连续且清晰,并且基于这些成果,本项目将推进信息的数字化,将电路中基本的元件转化成数字元件,通过编码与解码,利用信号发出端低延迟等特点,提高信息的传递效率。力求研制出具备模块化特性的光通信小型设备,并设计实验装置,以展示优异的物理性能和广泛的应用推广度。该实验装置可用于教学演示、实验教学以及中小学科普等场景。同时,我们期望通过该实验装置展示的原理和创新,能够在通信技术中如蜂窝网络等以及物联网、智慧城市(家庭)、航空、航海、地铁等领域中带来创新应用和价值体验。2.4 模块化的超声波悬浮与三维空间移动装置的研制S R T P项目(结题)声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应。本课题基于目前较为稳定的平面相控阵技术,通过波动学、声学等理论和实验创新,一定程度上解决现存平面相控阵声悬浮装置的不足。势能分布理论结果(图4(a)揭示了空间中的势能位点呈周期性分布,可反溯至势能、驻波等基础知识。课题组自主搭建了声悬浮装置(图4(b),从悬浮物的悬浮稳定性以及三维移动角度,开展了驻波声悬浮中对悬浮小物件的操纵实验,实现了聚苯乙烯小球悬浮(图4(c)。并改进现有的平面相控制声悬浮装置,一定程度上解决其存在的操控、成本等问题。力求研制模块化的设备,设计出具有优良的物理性能和推广度的实验装置,可用于教学演示、实验教学以及中小学生科普,并为其他势场中的物体移动提供了新思路。211物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图4 模块化的超声波悬浮与三维空间移动装置的研制S R T P项目成果(a)势能分布理论结果;(b)声悬浮装置照片;(c)声悬浮实现效果以北京科技大学2 0 1 8级本科生牟天钰为第一作者的论文 平面相控阵下微小固体的超声波悬浮与移动 已发表于 物理实验1 1。以北京科技大学2 0 1 9级本科生张烨为第一作者的论文 用平面声波方式实现颗粒悬浮的理论讨论 已发表于 物理与工程1 2。2.5 柔性I T O电极受周期性冲击作用实时电阻表征S R T P项目(结题)柔性薄膜电极目前广泛用于柔性显示技术、可穿戴技术等领域当中,氧化铟锡(I TO)功能材料是其最重要的代表之一。柔性I TO薄膜电极广泛应用于光电器件、太阳能电池、平板液晶显示和透明电磁屏蔽等领域,具有很高的科研价值。其缺点是抗弯折能力差,易碎裂,使器件失效。研究柔性I TO电极受弯折等应力作用下失效的物理过程和物理机制,并进一步提升柔性电极性能,成为本领域关键考量之一。课堂上,教师首先向学生展示了柔性聚对萘二甲酸乙二醇酯(P E N)衬底上I TO薄膜的导电特性,及其易碎裂的物理现象,使学生思考如何进行物理表征。着重引导学生反溯伏安法等基本物理原理,发展出了一套原位实时电阻表征实验系统。该套实验系统(图5(a)可使柔性I TO电极在不同撞击半径、方式、速率的作用下,产生弯曲、拉伸、针戳、折叠等多种变形,并实时测量其电阻变化(图5(b)。学生自主设计仪器电路,进行L a b v i e w虚拟仪器编程,实现了实验参数及测量值的持续记录和实时展示(图5(c)。装置通过滚珠丝杠将扭矩转换成轴向反复作用 力,使柔性I TO电极按特定方式弯曲变形,在单片机控制下产生规律的应力变化(图5(d)。教学团队引导学生对I TO碎裂的过程做深入分析,探究在裂纹产生后电阻不断上升的物理机制。在周期性冲击过程中,导致I TO薄膜电阻增加的主要原因是在其表面形成的微观和宏观尺度的裂纹。这些裂纹起源于I TO和P E N基底之间的杨氏模量差异、内部应力和外部疲劳载荷等因素。由于缺陷、位错、褶皱、空洞和杂质粒子的存在,周期性冲击初期产生的微观裂纹通常较短且较浅,对电阻增加的贡献较小,也即非特征性裂纹。随着周期性冲击的进行,非特征性裂纹的长度逐渐增加。当非特征性裂纹的深度达到I TO层厚度,I TO层在厚度方向上完全破裂形成特征性裂纹,这种裂纹对电阻增加的贡献更大。结合理论课程中学习过的“道尔顿板”原理,辨明了相应的微观机制,并拓展为宏观物理模型,实现了“从理论出发进行实验,再用实验结果拓展理论”的完整知识研习过程。以北京科技大学应用物理专业黄昆班2 0 1 8311物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图5 柔性I T O电极受周期性冲击作用实时电阻表征S R T P项目成果(a)实验系统照片;(b)系统L a b v i e w视窗;(c)系统程序架构;(d)I T O薄膜电阻增量R与撞击次数N的一般关系级本科生于姗姗为第一作者的全英文S C I论文R e a l-T i m e R e s i s t a n c e C h a r a c t e r i z a t i o n o f I TO F i l m E l e c t r o d e o n F l e x i b l e S u b s t r a t e U n d e r P e r i-o d i c I m p a c t(柔性衬底上I TO薄膜电极在周期性冲击作用下的实时电阻表征)已发表于M a t e-r i a l s S c i e n c e i n S e m i c o n d u c t o r P r o c e s s i n g(半导体加工中的材料科学)杂志1 3。相关的装置已获得实用新型专利1 4。2.6 具有优化纳米织构的单结钙钛矿太阳能电池仿真研究S R T P项目(结题)太阳能电池和纳米功能器件是凝聚态物理学在器件方面取得的较为突出的两类成就。在半导体太阳电池表面生长具有周期性的纳米材料阵列结构,可以大大提升太阳能电池的光吸收率。这一现象的物理基础是陷光效应,已在单晶硅、多晶硅、微晶硅、砷化镓等多种传统无机半导体电池中得到应用。然而对于新兴的钙钛矿电池行业,由于其电池结构的复杂性与特殊性,如何在其中引入周期性纳米织构,以及其潜力究竟有多大,成为了亟待探究的问题。实验课程教学中,教师在讲授 光的等厚干涉 太阳能电池性能测量 等实验时,通过图片、视频展 示 等 方 式 讲 解 半 导 体 材 料 中 陷 光 效 应(l i g h t t r a p p i n g e f f e c t)的存在,并介绍钙钛矿光伏材料的最新研究进展。通过电磁仿真动画,介绍陷光效应是指通过在半导体表面或内部引入周期性纳米织构增强光的吸收。这种现象的基本原理是延长光在材料中的传播路径,形成多次反射、散射和衍射,从而增强光吸收,并提高光电转换效率。这一手段在传统无机半导体太阳能电池中已得到广泛应用。对于新兴的钙钛矿太阳能电池,引入周期性纳米结构并研究陷光效应的潜力具有重要意义,因为钙钛矿材料同样具有良好的光吸收能力,而通过优化陷光效应,可以进一步提高电池的光电转换效率。在此基础上,教师进一步引导学生思考:太阳电池效率是否可能存在极限?如何求取这类极限?要求他们反溯在光学、电动力学、半导体物理学等课程中学习过的麦克斯韦方程组、电介质等知识,并介绍时域有限差分(F D T D)方法等仿真方法和基本织构类型(图6(a)(b)。411物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图6 具有优化纳米织构的单结钙钛矿太阳能电池仿真研究S R T P项目成果(a)(b)空柱型织构与空锥型织构结构;(c)含织构电池与平面、无织构电池吸收谱作比较;(d)含空锥型织构电池剖面的载流子浓度分布设计电池结构后,应用F D T D方法研究“n-i-p”正型含周期性纳米织构钙钛矿电池的光吸收和极限效率(图6(c)。该S R T P项目中,学生在L u m e r-i c a l F D T D程序界面下通过自主编程,以织构类型、钙钛矿层厚度、织构高度、织构周期、占空比等参数对电池极限效率之影响为研究目标,进行了诸多探索(图6(d),并总结出一套可实际实现的含织构电池制备流程,分析了载流子浓度、载流子寿命等诸多物理量与电池效率的关系。以北京科技大学材料物理专业2 0 1 8级本科生关昊辰为第一作者的全英文S C I论文S i m u l a-t i o n S t u d y o f S i g n i f i c a n t O p t i c a l A b s o r p t i o n E n-h a n c e m e n t f o r“n-i-p”S t r u c t u r e d P e r o v s k i t e S o-l a r C e l l s w i t h O p t i m i z e d P e r i o d i c N a n o T e x t u r e(具有优化周期纳米织构的“n-i-p”型钙钛矿太阳能电池显著增强光吸收的仿真研究)已发表于P h y s i c a B(物理B)杂志1 5。2.7 硅与钙钛矿叠层电池内制备纳米织构提升电池效率S R T P项目(在研)传统硅电池的效率已近极限。钙钛矿作为廉价光伏材料,可与硅结合形成硅/钙钛矿叠层电池,以较低成本大大提高效率。目前对高性能硅/钙钛矿叠层电池的研究局限于改变异质结硅底电池的硅片工艺、厚度、表面尺寸和复合材料等,从电池结构上做突破性改进的报道还较少。在实验课教学中,我们首先介绍了叠层电池的概念,使学生亲身感受硅电池与钙钛矿电池相结合的“1+12”之功效。在此基础上,进一步讲解顶电池和底电池之间的电流匹配关系,告诉学生在叠层电池中,顶部的钙钛矿电池和底部的硅电池在电流匹配方面需要进行优化,以确保电流在两个层之间的平衡以最大化光能吸收。从现象入手,引导学生反溯折射率(图7(a)、物质守恒定律等基本物理原理,自主推导叠层电池内顶电池和底电池的电流匹配关系,并在阅读文献后使用F D T D方法论证最顶电池最优禁带宽度范围(图7(b)。进一步地,引导学生寻找在硅/钙钛矿叠层电池内制备纳米织构提升电池效率的方法,并予以实验验证。以北京科技大学应用物理专业2 0 1 9级本科生谢盈为第一作者的论文S i g n i f i c a n t E n h a n c e-m e n t o f U l t i m a t e E f f i c i e n c y f o r P e r o v s k i t e/c-S i T a n d e m S o l a r C e l l w i t h O p t i m i z e d P e r i o d i c N a n o T e x t u r e(优化周期纳米织构显著增强钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池效率研究)正在做最后整理,将于近期投出。“授人以鱼”不如“授人以渔”。为使学生能够适应未来社会发展的挑战,其关键在于“学会学习”。科学思维是“学会学习”的重要基础,以“大511物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图7 硅与钙钛矿叠层电池内制备纳米织构提升电池效率S R T P项目成果(a)杂化钙钛矿(禁带宽度为1.6 8 e V)的折射率与其他钙钛矿材料对比;(b)电池极限效率与顶电池禁带宽度关系理论结果学物理实验”课程为基础,在S R T P本科生科技创新项目的不断锤炼下,我们通过教师 学生、学生学生之间的互动探讨与实践探索,强化分析讨论训练,提高分析讨论的深度,逐步培养训练学生提出问题、分析问题并最终解决问题的能力。通过系统的实验方法与技能训练,在培养学生的实践能力与创新意识的同时,训练学生认知问题、提出问题与解决问题的思维能力,最终为学生应对未来工作、科技进步和社会发展做基础性准备。3 反溯教学法的深度开拓反溯教学法在本科生物理实验教学中得到了成功运用。为进一步开拓这一教学方法