科研-教学共享型综合实验教学项目开发与实践

摘  要：为充分发挥实验教学的育人作用，应大力推进科研成果向实验教学一线转化，提升实验教学内容的先进性和创新性。在借鉴同行实施模式的基础上，以钙钛矿太阳能电池薄膜材料与器件制备、表征及性能实验为例，介绍挖掘科研资源开发新实验项目及落实本科生走进科研实验室开展科研引导型综合实验项目的具体做法，包括理清实验流程、先行模拟教学、设计教学资源、研究生参与教学及线上线下教学延伸等步骤，旨在探索教学硬件条件相对滞后的情况下采用一种科研-教学共享型综合实验教学新模式，切实提升实验教学水平和质量。

关键词：科教共享；科研转化；实验教学；线上线下；钙钛矿太阳能电池

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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

大学教育的质量，首先体现为本科教育的质量，而科研是提高教育质量和层次的关键。钱伟长院士曾说：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。”高等学校的实验教学是重要的实践性环节，在培养学生实践能力、创新能力等方面具有不可替代的作用[1-2]。

传统的实验项目已无法满足突出能力培养的目标，甚至严重制约了学生在实验环节的积极性及独立思考能力，因此，为充分发挥实验教学的育人作用，必须结合科研，将前沿科学成果转化为本科教学内容，大力开发以科研为引导的综合性实验教学项目，让科研成为教学的“源头活水”，使本科实验教学内容更具前沿性、先进性、创新性[2-3]。

在这方面，国内许多高水平大学已经开展了积极的探索和实践，提出了科研成果向实验教学一线转化的模式，分析了实际案例和教学效果，对广大高校实验教学工作者很有启发和示范作用[4-7]。但是鉴于学科、教学基础、实验教学软硬件条件等差异，还有许多方面值得探索，尤其是教学过程的细化、实验的流程，每个实验不可能完全相同。本文总结近几年材料专业实验教学的经验和尚存在的问题，探索一种科研-教学共享型的综合实验教学模式。

一  挖掘科研资源设计实验教学项目

高校的科研实验室基本上是导师和研究生的活动范围，近年来科研实验室越来越多地对本科生开放，尤其在大学生创新实验项目的实施中发挥越来越大的作用，本科生有机会活跃在不同学科领域的实验室里。但是由于容量的限制，能进入教师科研实验室开展实验研究的毕竟是少数同学，如何将蕴藏在实验室里的优质科研成果资源整合起来，更多更大程度地对本科生开放一直是高校教师在思考探索的问题[8-9]。

合肥工业大学坚持面向国家战略和学术前沿，推进有组织科研和交叉学科研究，科研实力在不断增强。材料专业开设的薄膜材料科学课程以薄膜科学与技术、新能源材料与器件为主的专业理论内容深受学生的欢迎和关注，教学团队一直在寻求开设与课程相对应的实验教学项目。选择合适的科研成果是实现科教转化的前提和基础，具有高转换效率的新概念太阳能电池材料是当前国内外的研究热点，其中钙钛矿型太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，是该领域的主要研究方向之一[10-12]。罗派峰教授科研团队在钙钛矿太阳能电池材料制备、表征、性能检测方面已进行了较深入的研究，取得了一系列进展，具有较成熟的基础、积累，尤其是旋涂法制备薄膜电池材料及器件，团队的研究生已经掌握了比较成熟的操作方法、实验流程、表征手段[13-16]。所以教学团队确定新开发基于钙钛矿太阳能电池薄膜材料制备、表征和电池器件组装与测试的综合性实验项目，并由此展开相适应的新教学模式的探索。

二  实验项目教学流程与实现

本科实验教学要遵循实验教学的规律，必须考虑有限的学时、学生分组、实验数据输出和实验安全性等实际问题，所以在确定实验项目开发的方向后，首先要做的是理清实验流程、步骤及转化为教学的可行性。

（一）  理清实验流程

如图1所示，钙钛矿太阳能电池薄膜材料分为四层——导电玻璃、电子传输层、光吸收层和空穴传输层，除基片材料外的三层薄膜的制备均采用旋涂法，包括低速滴胶和高速匀胶两个过程；然后采用蒸发镀膜法制备电极，获得原理型器件；最后进行材料表征和性能测试，整个实验流程导图如图2所示。

（二）  理清教学难点

实验项目是实验教学的载体，要体现一定的科学性和挑战度，但同时要兼顾实验教学的可行性。在有限的学时里，本科生能否通过实验成功制备材料与器件并获得有效的实验数据，是该项目是否适合教学的判据。图2所示的实验流程呈现了具体的实验内容，把每一道实验环节落到实处，才能实现科研向教学的转化。通过分析，可以看到整个实验流程存在如下特点，同时也是教学难点。

实验用到的化学试剂、工具耗材、设备种类多，实验步骤多，有的试剂非常昂贵，具体见表1。

实验细节多：比如FTO导电玻璃在准备刻蚀后必须严格清洗、标记，以保证后续旋涂制备；蒸发镀银电极前需要先擦除部分薄膜；又如SnO2电子传输层、CsPbI3光吸收层和空穴传输层前驱液的配制过程中，除了各种试剂具有严格的配比外，还需要长时间搅拌、过滤，并且现配现用；等等。

实验操作技能要求高：用移液枪精确量取试剂配制前驱液；空穴传输层前驱液的配制必须在真空手套箱中进行；真空镀膜机的操作复杂，必须达到较高的真空度才能启动蒸镀；等等。

表征与性能测试需用到大型精密仪器设备，如扫描电镜、X射线衍射仪、太阳能光照模拟器和电池转化效率测试系统等。

教学实验室尚不具备实验硬件条件，科研实验室仪器设备台套数有限。

综上，虽然实验项目由成熟的科研成果作为基础，但是教学实验室的硬件条件还非常欠缺，而且教学仪器设备的更新往往相对滞后，仅依靠教学实验室是无法完成实验教学的，所以在教学团队主讲教师的支持下，决定将本科教学引进到科研实验室开展，并采用线上线下相结合的教学模式。

（三）  科研-教学共享型实验教学

1  课前先行模拟实验，编制教学资料

科研实验具有探索性与创新性，由于实验操作要求高、科研实验室场地有限、实验流程长，整个教学过程如何安排必须精心策划。首先，实验教师与研究生一起进行全实验流程模拟教学，跟踪拍摄记录，深入剖析整个实验流程，分解实验步骤；接着编制操作指导文档，制作PPT，并且将PPT分为预习和复习两种版本。其中预习版主要是实验目的、背景引导、步骤流程图和实验器材等，供本科生提前预习，并设计了一些引导问题激发学生的兴趣，使学生带着好奇走进科研实验室；复习版是将整个流程分为旋涂制备、电极蒸镀、表征测试三部分，配备大量的图片，对每一步进行注释，总结归纳工艺要点，并设计了针对性的思考题，供学生在完成相应的实操步骤后进一步学习、触发深入思考、积极提问讨论。PPT经任课教师审核后分阶段上传到“雨课堂”中，贯穿于整个教学时段。

2  课中研究生参与实验教学，示范指导实操

在实操环节，尽可能地细化分组，保证每位同学都能够制备一个样品，按照预先通知的时间多轮次进入实验室，完成钙钛矿太阳能电池薄膜材料的制备、电极蒸镀后获得电池器件样品，并及时测试样品的光电转化效率；然后对全组样品数据进行对比，分析性能的差异与原因，探讨影响因素和性能提升措施。

由于实验操作要求高，整个实操环节都在研究生的参与和指导下完成，实验教学过程的安排见表2。

其中材料的组织表征涉及到大型进口精密设备，由于学校科研资源紧张，现阶段还无法做到对本项目开放，教学以PPT的形式通过线上实现科研成果分享、解读，鼓励学生提问探讨，图3为薄膜材料的表面和截面形貌。

3  课后线上线下延伸实验教学

采用线上线下相结合的方式推动学生进阶式研究学习，主动拓展实验知识结构，学生在“雨课堂”上的预习和实验课后的交流反馈由系统自动记录，教师通过学生的学习态度、实验过程表现、实验报告完成情况等对学生进行综合评价。鼓励学生通过“雨课堂”提问，有些问题直接线上一对一解答，有些共性问题集中解答，并上传到“雨课堂”中，帮助学生与研究生建立联系，促进他们之间的有益交流。实操环节后，学生进一步学习课件，写出高质量的实验报告，教师和学生继续通过线上解决数据处理和实验报告撰写等各种问题，反馈教学。