科研项目融入光电类课程的实践

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摘要：光电类课程实验性、工程应用性较强，科研项目融入课程与实验教学是针对这类课程的特点，对教学改革所提倡的项目化教学的一种积极尝试，旨在培养学生的创新思维和能力，提高学生的工程实践与应用能力．本文在分析高校科研服务教学现状的基础上以教师科研项目融入光电类课程与实验教学改革为例，提出了将科研项目转化融入理论课教学、课程实验、大学生创新项目及毕业设计课题等方面的改革路径．实践结果表明能够有效提高教学效果、激发和培养学生的科研思维和创新能力，提升应用型人才培养质量．

关键词：应用型；科研项目；实验课程；光电类课程

1问题的提出

在新工科建设的时代背景下，高校尤其是地方应用型本科高校对于人才培养提出了新的要求．应用型本科人才不仅要学习和掌握扎实的基础理论知识，而且要具备解决实际工程技术问题的能力[1-2]．然而，目前光电类本科层次应用型人才培养过程中，教师的科研项目在服务于教学活动过程中主要还存在以下两方面的问题：地方应用型本科高校的教师绝大多数都会承担或参与各级各类的科研项目，但其中的绝大多数是教师个人或者团队围绕某个领域的研究．这类研究课题往往与本科的理论教学及实验并不能很好地衔接．这就导致教师的教学和科研是相对独立的，因而科研对于教学的贡献就很难有效体现出来．如何将教师的科研项目和专业教学有机融合是当下高质量应用型人才培养面临的一个问题．在专业理论课教学过程中，学生普遍存在“会解题、不会解决具体工程技术问题”的现象．而如果一门课的理论性太强的话，学生的普遍接受度较低，学习的获得感也较低．与此同时，在传统实践和实验教学模式下，学生普遍存在“我为什么要做实验”，“这个实验的目的是什么”等困惑，从而导致学生在实验过程中应付了事，其创新能力很难得到训练和有效培养[3]．光电类专业课程有相当一部分是实验课，而常规实验课的教学往往是基于经典理论的实验重复再现与验证，大部分时候学生只是按照规定的实验步骤机械地重复，久而久之会产生疲劳、无趣的感觉．这种情况下学生的创新能力很难得到有效培养．另一方面，基于本科生的认知能力，学生往往很难直接介入教师的科研项目，甚至产生畏难情绪，影响对科研兴趣的培养．如何通过教学和实践实验环节培养学生的创新能力是我们在应用型人才培养过程中面临的另一个突出问题．针对目前地方应用型本科高校在科研服务教学过程中普遍存在的问题，笔者以光电类课程教学为例，探索将具有创新性和应用性的科研项目进行课程化设计并融入专业课程教学．对光电专业的“LED器件与应用技术”课程与实验教学进行改革创新与实践，探索建立将教师科研项目转化为课程教学实验内容的路径和方法．使学生在掌握基础理论知识的同时，对其在实际工程技术中的应用与涉及的行业前沿有更清晰的理解，从而提高解决实际工程技术问题的能力．

2思路与方法

具有科研任务的专业课教师首先要从根本上重视科研服务教学的促进作用，才能在教学活动中不断实践、探索科研融入教学的工作．科研项目融入教学的形式多样，教师如果能把科研方向或者项目内容与专业课程教学有机融合，就可以有效提高教学内容的先进性．同时把科研项目融入实验教学环节，让专业课的实验不再是机械的重复，而是富有创新活力的实践应用体验．从科研项目导入课程内容、拓展创新训练，突出实践教学的内容，开设创新实验项目入手，培养学生的创新能力．同时，把学生的毕业设计课题与教师的科研项目有机结合起来，培养学生主动参与科研的积极性．通过拆分科研课题，指导学生参加各级各类科技竞赛，通过科学的训练，提高创新意识和工程实践能力．积极鼓励学生参与到教师的纵向、横向科研项目，养成良好的科研习惯，激发创新思维．经过一段时间的训练，部分优秀学生可以在参与教师的科研项目中形成科研成果，独立发表学术论文或申请专利．笔者以承担的科研项目“芯片级LED封装及其关键制备技术”为例，该项目主要研究：芯片级LED封装核心工艺技术及其制备方法；涉及芯片级LED封装散热技术、芯片级LED封装模组的出光效率提升技术、在小尺寸下提升制造良率的解决方案等．该科研项目具有很强的应用性，与光电专业“LED器件与应用技术”的课程教学及实验内容紧密相关．下面对该科研项目服务教学的改革创新与实践进行具体介绍．

2.1从科研项目导入课程内容

应用型本科人才的培养不仅要掌握扎实的基础理论知识，更要能够紧跟相关领域的前沿科学技术，不断提高解决工程技术问题的能力和创新能力．“LED器件与应用技术”课程综合了物理学、材料学、工艺等多门学科的知识，与科学研究和实际工程问题有着密不可分的联系．其突出表现在要求学生既要掌握基本的半导体物理理论，又要掌握这些基本理论在工程实际中的具体应用．因此，在教学过程中要注重将课程的实验实践内容与教师的科研项目相融合，培养学生解决工程技术问题的能力，从而提高应用型人才的培养质量．通过科研项目的导入，逐步让学生明确学习任务、实验目的，并在学习和实验过程中培养和激发创新思维．提炼科研项目中与课程实验教学紧密相关的内容，渐进式开展相关的教学科研训练．从科技文献检索、论文研读、实验设计、仪器使用与维护、实验数据采集分析等内容逐步展开、循序渐进．在实践与实验过程中，也可以有计划地加入与科研项目相关的前沿资讯，引导学生了解多种学术观点并开展讨论，激发学生的科研兴趣．将科研项目有机融入整个课程的教学活动过程中，学生不仅可以纾解“我为什么要做实验”，“这个实验的目的是什么”等困惑，更能从科研项目中培养科研思维，提升学生解决复杂工程问题的能力．就该科研项目而言，LED封装技术直接影响器件的使用寿命和光源品质，需要考虑光、热、电、机械等多种因素．光学方面要考虑到LED芯片的光衰问题，热学方面要考虑到LED的散热问题，电学方面要考虑到LED的驱动电路的设计，机械方面要考虑到封装过程中LED的封装形式等．研究LED的封装方案对于光源电、光、色、热的影响规律，从而优化LED的封装方案，对于提升光源的可靠性至关重要．具体到学生开展的实验上，根据实验室现有的实验条件，结合学生的认知水平，具体可以细化为：大功率集成式LED光源的封装实验、LED封装模组的热学分析实验、荧光粉激发及热猝灭实验等多个子实验．结合该科研项目所设置的课程实验不同于传统的验证性和简单重复性的实验，由于制备一个LED封装样品需要涉及方案的制定、多个工艺步骤等环节，且每位学生或者每个小组的实验样品参数都未必完全相同．所以很大程度上避免了常规实验中普遍存在的，学生按照实验指导书简单重复、实验报告千篇一律的现象．实践也表明，通过科研项目导入的实验，学生不但参与度更高，投入的时间更多，学习和训练的效果更好．对于学生解决具体的工程技术问题能力的培养起到了积极的效果．由于与该科研项目相关的实验涉及的工艺步骤较多，绝大多数都需要几位成员协助才能很好地完成，这也在一定程度上锻炼提高了学生的团队协作能力．

2.2从科研项目改进教学方法

科研项目尤其是企业横向项目往往以解决行业或企业的具体工程技术问题为目标．除了具有一般的理论性以外，还具有很强的应用性．在理论课教学过程中，可以把部分知识点的讲解和科研项目的具体工程问题有机结合，丰富教学素材，最大程度实现项目化、情境式的教学，让学生沉浸于课堂，从而提高教学效果．比如，该项目研发过程中涉及芯片出光效率提升技术．出光效率是发光器件如LED的基本性能参数，而出光效率这个物理量的概念，学生因受到传统“效率”的定义，在理解上容易出错．因为在传统概念里“效率”是没有量纲的，而“出光效率”是有单位的，单位是流明/瓦（lm/W）．同时，结合出光效率的概念，可以延伸提出哪些方面会影响到封装器件的出光效率，以及有哪些工艺方法可以提高封装器件的出光效率等一系列工程技术问题．在具体课堂理论教学过程中，也可以设置相关的话题，安排学生组队参与讨论．对于部分重点热点话题，由于课堂时间有限，可以利用线上云班课等平台的互动讨论区，让学生在课后查阅大量的文献资料后通过讨论来加深理解，提高他们对于部分重点知识的掌握程度．另外，该科研项目还涉及LED封装器件散热技术的开发，其中与课程相关的“热阻”的概念，在讲解上可以通过类比所熟知的“电阻”概念来展开．这样的方式既生动又形象地把一个相对抽象的概念，通过科研项目进一步拓展开来．比如，热阻对器件工作的影响有哪些？影响封装器件的热阻大小的因素有哪些？如何进一步降低封装器件的热阻等等．通过这一系列的讲解和不断的问题深入，学生对于热阻的概念就有了更为清晰的认识和理解．将科研项目涉及的知识点和课程的理论内容深度融合，通过科研项目中一个个生动的案例讲解和效果评价分析，把繁杂的理论内容形象化、具体化、情境化，可以极大地提高学生理论课学习的积极性和学习效果，起到事半功倍的效果．

2.3从科研项目拓展创新训练

将科研项目中部分具体的工程技术问题提出来，且以这些课题作为大学生创新创业项目及毕业设计课题，积极鼓励学生申报和参与到项目课题研究中来．对于教师而言，经过科研项目提炼的课题，教师因为对课题很熟悉，容易把握深浅，就可以很方便地对学生开展针对性指导和培养．同时学生的加入可以在一定程度上充实项目研究队伍，提高教师课题研究效率．对于学生而言，由于有明确的科研目标及导师指导，可以有效地开展相关的创新训练，避免了漫无目的的自我探索模式．另一方面，这类大创项目由于有教师的科研项目经费支持，可以充分满足学生开展科研活动的需求，是对学校支持大创项目经费的有效补充．学生通过大创项目的科研训练，培养了科研兴趣，锻炼了科研意志，部分同学还获得了科研成果，因此是培养学生创新能力的有效路径．结合到学生的实际，我们将项目设置了多个大学生创新创业项目及毕业设计课题．学生通过项目训练，通过时间的持续投入，不但提高了学习的积极性，还挖掘和培养了专业相关甚至非相关的其他知识和能力，这是常规课堂教学无法获得的．比如：从封装方案的设计、设计PCB板、焊接、点胶、测试等全流程多环节，获得的多方面的能力训练和培养．以依托该科研项目提炼拓展获批的2019年江苏省大学生创新创业训练项目“芯片级LED芯片封装制备”为例，学生团队需要从样品封装材料的选取、封装方案的设计、封装工艺的开发、样品的制备、样品的测试分析等多环节去开展设计、评估、验证．这个训练过程中，会遇到诸多的问题，需要学生逐个去发现、去寻找解决问题的办法，从而达到创新能力训练的目的．从科研项目凝练大学生创新项目及毕业设计课题，积极引导和鼓励学生参与到项目课题研究中来，可以充分发挥教师科研项目在创新人才培养中的协同和促进作用，培养学生的协同创新思维和创造能力．

3实践效果

本课题探索将具有创新性和应用性的科研项目融入光电类专业课程的教学，对常熟理工学院光电信息科学与工程专业的“LED器件与应用技术”的课程教学与实验进行改革创新与实践．实践结果表明，将与教学内容相关的科研项目有机融入教学的实践取得了积极的效果．近几年，就常熟理工学院光电信息科学与工程专业的学生而言，每年就有约80人次的学生以不同形式参与到教师的科研项目中来．截至2020年末，学生已经申请了该科研项目相关的发明专利4项，授权实用新型专利13项，发表研究论文2篇．以该科研项目为依托，学生累计参加大学生创新创业训练项目共11项，其中省级立项2项，校级立项5项．以该科研项目为依托，指导了大学生毕业设计10项，其中获得校级优秀毕业设计团队1次．而从课程理论教学的效果来看，学生的学习效果明显得到改善，课程学习目标达成率明显提高，学生解决实际工程技术问题的能力得到了很好的训练与提升．就科研项目服务于教学活动而言，该课题在常熟理工学院光电信息科学与工程专业是一次有益的实践和探索．

4结语

在新形势下，地方应用型本科高校对人才培养提出了新的要求，学生不但要掌握扎实的专业基础知识，更要具有解决具体工程技术问题的能力．而通过科学合理地将教师的科研项目有机融入常规的教学活动中，可以极大地改善学生的实践和创新能力的培养．将科研项目与课程实验融合，能够充分利用高校现有的实验室资源，更有效地发挥实验教学在人才培养中的关键作用．而在实验指导的过程中，不局限于实验过程的重复和实验结果的再现，而是注重实验过程中问题的发现与提出，对于培养学生的科研兴趣与创新能力具有至关重要的作用．通过科研项目服务教学的创新培养模式，可以有效地训练和培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题及大胆假设、小心求证等科研思维和创新能力．这对高质量应用型人才的培养是大有裨益的．

参考文献：

[1]王威，宋玉玲，赵明磊．科研项目引导的“机械振动学”教学模式探索[J]．黑龙江教育（高教研究与评估），2020（10）：6-7．

[2]陈佰满，林有胜，何清，等．高校科研反哺教学的路径探索与分析[J]．创新创业理论研究与实践，2021，4（3）：114-117．

[3]张武霞，何嘉琦，王星滟，等．科研训练融入对应用化学专业创新人才培养的探究：以山西农业大学为例[J]．广东化工，2021，48（1）：195-196．

作者：王书昶 张惠国 单位：常熟理工学院 电子信息工程学院