科学实验的一般过程范文

关键词：薄膜技术与薄膜材料；科研与教学；人才培养；教学改革

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2015）07-0091-02

近年来，薄膜技术与薄膜材料得到了突飞猛进的发展，各类新型薄膜材料大量涌现，薄膜制作和微细加工工艺不断创新，各种薄膜在高新技术领域的应用更加普及，并形成了以平板显示器件、LED芯片制造、太阳能光伏和大规模集成电路等为代表的新兴战略高新技术产业，并对人类现代的生产生活方式产生了深远的影响，可以说薄膜技术和薄膜材料已成为构筑高新技术产业的基本要素，是当代材料科学、物理科学、微电子制造技术最前沿和最活跃的研究领域之一[1-3]。随着电子信息产业和人类信息社会的纵深发展，电子元器件向低维化、小型化发展，薄膜材料，特别是半导体薄膜，在微电子、光电子、能源开发与存储等高新技术领域发挥着至关重要的作用。

随着薄膜技术与材料科学研究的不断发展，新材料、新方法、新技术、新工艺、新成果层出不穷，这些新的科研成果一方面不断丰富课程内容，另一方面又不断推动着课程实践教学的改革，可以说，《薄膜技术与材料》课程就是建立在近代科学研究不断积累和发展的基础之上而形成的一门专业课程，它与科学研究有着与生俱来的渊源，这就决定了课程教学必须紧跟科研成果发展。因此，本文将基于笔者在《薄膜技术与薄膜材料》课程中的实践教学经验，以及通过自身在薄膜材料技术领域的科学研究与教学相结合的心得与体会，对《薄膜技术与薄膜材料》课程的实践教学改革进行了相应的分析与讨论。

一、课程传统实践教学存在的问题

《薄膜技术与薄膜材料》课程一般包括真空技术基础、薄膜制备与分析、微细加工技术、薄膜材料及应用四大主要内容，涉及的知识面宽广，课程的实践应用性强，现有传统的讲授教学方法难以适应课程发展的需要，就我校该课程的理论和实践教学来说，主要存在以下几个问题。

（一）实验教学重视不足

《薄膜技术与薄膜材料》课程本身就是实践性、专业性和综合性很强的一门专业课程，相关实验的开展需要强大的硬件设备支持，而大多数的硬件投入都很昂贵，如一套磁控溅射设备一般均要几十万元。因此很多高校由于硬件投入的严重不足，相关的课程实验根本就无法开展。而能够开展起来的也都是利用科研的实验设备，但又因设备的昂贵，往往又不能放手让本科生去直接操作，因此，课程的实践教学很大程度上还是停留在认知过程上，学生也只是看看新鲜，对技术和设备原理并没有做到真正的深入理解，更谈不上独立操作，这对于实践教学来说，无疑是一个短板，也在很大程度上影响了实验教学的效果。如在笔者早期教学过程中，一位毕业的学生找到一家LED薄膜太阳能电池制造的企业从事研发工作，可刚学完《薄膜技术与薄膜材料》课程的他给我电话来询问磁控溅射法制备薄膜的工艺控制问题。这事让我感触颇深，一方面我庆幸学生能主动打电话来问，另一方面也需要反思我们的教学过程，特别是实践教学的问题。

（二）实验内容和层次较单一，难以满足学生深入理解和掌握的需要

《薄膜技术与薄膜材料》课程的实验内容一般以开设磁控溅射金属或氧化物薄膜为主，而对于其他的如溶胶凝胶技术、真空蒸发、CVD气相沉积等方法的实验相对较少，实验内容相对较单一，实验的项目也较少。一个完整的实验过程涉及到基片清洗、靶材准备安装、抽真空、镀膜、退火处理以及理化性能的分析检测等一系列内容，工序和耗时较长，另一方面又由于实验的课时一般在4～6课时，因此要在这么短的时间内进行实验，实验的效果可想而知。由此带来的后果是只能将实验的内容进行压缩，且实验的层次也一般定位于认知型，因此在现行的实验过程中，尚无法满足学生深入理解和实际掌握各种薄膜制备技术的要求。

（三）将科研引入教学的意识薄弱，教学与产业应用相分离

由于传统教学模式以及受限于教学大纲和学校相关教学管理制度的原因，《薄膜技术与材料》课程的教学基本还是以教材知识和案例为主导，而将科研成果引入到教学过程的意识尚需加强，特别是在实践教学环节中，一些科学的思维、方法、研究成果难以在实践教学过程中得以体现。另外薄膜技术与材料在当前LED产业、平板显示器产业、太阳能光伏产业、膜式电子元器件等高新技术产业中均得到了大规模的应用，而教师在校由于与市场、企业、行业接触机会较少，因此教师对薄膜技术与材料在产业的应用关注不够，难以真正理解技术在产业中的实际应用情况，教学与产业的实际应用相分离，在实际教学过程中就容易造成错位或脱节的现象。

二、构建以教师科研与教学相融合的实验教学体系

实验、实践教学是国家卓越工程师培养计划的一个重要组成部分，也是当前本科教学应着重解决的一个重要问题[4-5]。《薄膜技术与材料》作为一门应用和实践性十分鲜明的课程，实验实践对课程教学显得尤其重要。

（一）修订并完善实验教程，优化实验项目

实验教程是学生开展课程实验的作业指导书，在实验实践教学中具有十分重要的地位。正是基于此认识，笔者所在教学团队即针对我院材料科学与工程专业实验实践教学要求，组织编写并出版了《功能材料制备与性能实验教程》（2012年，化学工业出版社），并将《薄膜技术与薄膜材料》课程的实验环节按一般性、提高性常规基础实验和以提高学生科研素养、培养研究能力、创新能力为主的“三性”实验进行编排，并注重考虑教程的适用性、针对性、科学性和系统性，并对相应的实验项目进行优化，取得了良好的效果。

（二）强化基础实验，并结合教师科研项目逐步拓展技能型实验

在充分利用学院专业基础实验室条件的基础上，实现课内实验和开放实验相结合，在满足课程基础实验教学的前提下，利用课题组先进的薄膜制备设备如三靶磁控溅射仪、真空热蒸发等，并结合教师科研项目开展了如平板显示器电极材料氧化铟锡（ITO）薄膜、白光LED用荧光薄膜材料的制备和表征分析，通过课程实验与科研项目的结合，极大地激发了学生的实验热情，并使学生的动力能力、基本科研能力得到大幅提高。通过该措施，有多名大四学生强烈要求进入课题组开展实验研究或进行毕业设计工作，并在毕业后成功进入国内著名LED制造企业、太阳能光伏企业从事相关薄膜技术研发工作。

（三）从教师科研项目中设立子课题，并吸纳在课程实验过程中表现优秀的学生组成研究小组参与教师科研

在教师的指导下开展实验研究，并允许学生利用项目资源参加大学生竞赛活动。通过该途径，一方面给学生提供了参与科研的机会，另一方面利用本科生敢想敢做的有利条件尝试新的思路并为教师分担部分科研工作。通过前期实践，就引导学生在薄膜制备领域获得了部级大学生创新性试验项目和部级创业训练项目各一项，指导学生获得了第五届“挑战杯”广西大学生创业大赛一等奖和2014年“创青春”广西大学生创业大赛金奖的好成绩。实践证明通过积极吸纳本科生进入教师科研项目的措施对促进学生创新性实验和思维的培养以及强化学生参与科研的能力和信心起到了十分积极的作用，是一种创新性人才培养的有效方式。

（四）通过科研项目引导，从教师本身出发，积极开展走出去的战略

如通过到企业进行实地考察、并与企业的相关技术人员进行沟通交流，并积极参加国内的一些行业展会如LED展、太阳能光伏展、锂电池展等，了解技术、设备、应用现状，增强教师的切身体会，再将这些所见所闻引入到实验教学过程中，也有效地增进了实验教学的效果。

三、结束语

教学改革的方向是科学技术，科学技术的快速发展，又推动了教学改革的加速，教学要适应科学技术的发展，同时又促进着科研的发展。《薄膜技术与材料》课程作为一门具有综合性的交叉课程，是材料科学与工程专业学生拓宽就业面、切入电子信息等高新技术产业的一门重要专业课程，尤其是随着近几年薄膜技术与材料的飞速发展，创新性成果的大量涌现，其成为当前技术创新的一个重要领域，也是培养大学生创新思维并鼓励其参加创新性实验的重要阵地。时展和创新工程技术人才培养的目标要求高校和教师坚持实施“学科、专业、课程、实验室”四位一体的建设方针，教学科研相长，理论实践相融。在注重培养学生高尚的道德品质、扎实的知识、精湛的技能、求真的科学精神的同时，还需要将知识、素质、能力协调发展，学习、实践、创新相互促进的先进的教学思想和实验教学改革思路融入到课程教学过程中去，为培养高素质的工程应用型人才而努力。

参考文献：

[1]Gagliard，M.GlobalMarkets，TechnologiesandMaterialsforThinandUltrathinFilms[J].BCCResearch，USA，2012，294.

[2]田民波.薄膜技术与材料[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]叶志镇，张银珠，黄靖云，汪雷.以科研促进《薄膜材料技术与物理》专业课程的教学改革[J].材料科学与工程学院，2010，28（3）：474-476.

科学实验的一般过程范文篇2

1科学研究方法

著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼说过：“科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到什么程度（因为没有事情是绝对已知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何去思考事物，作出判断，如何区别真伪和表面现象。”科学教育中的“科学过程”主要是指在一般的科学研究中，那种普遍适用的系统化的操作方法和步骤。美国《国家科学教育标准》中把科学过程与方法看成一个系统，是指一系列的相互联系的科学家普遍使用的研究方法和程序。我国的基础教育课程改革强调科学探究，强调让学生亲历科学，在体验中学习。这种新型学习方式的提倡意在改变传统单纯接受式的被动学习方式。学生不是被动地记忆科学的结论，而是经历这种结论得到的过程和懂得获取的方法。

科学家认为对自然现象的认识不能停留在事实的层次上，需要进一步透过现象，深入内部，抽取有关事物的本质，并且舍弃一切非本质属性的结论，即提炼出反映事物本质属性的内在的客观规律的各种“概念”和“定律”来。这个过程是通过探究来完成的。但科学家不管用何种探究模式，其基本的环节是共同的：科学问题的提出，科学事实和资料的收集，猜想和假设的建立，检验与评价，表达与交流。科学教育中的科学探究学习方式的主要环节也与此相类似，表明探究学习体现了科学教育与科学研究本质上的一致，反映了科学教育与科学研究内在的统一。科学探究强调知识获取中的体验，强调过程与方法，既是对我国传统教育的纠偏，也反映了科学素养的核心要素。

2高中生物课程中基本的科学研究方法

科学方法可分为多个层次，这里所指的生物科学研究方法主要是指科学研究的一般方法，如科学观察方法、科学实验方法和科学调查方法，特别是指科学实验方法。科学研究总是从观察开始，通过观察发现问题，然后提出假设，并对假设做出基本预测，最后设计实验来验证假设。如果实验结果与假设不一致，则说明原来的假设是错误的，要修改假设，重新实验；如果实验结果与假设一致，则说明原来的假设是正确的，可将假设上升为学说或理论。科学方法教育应包括科学研究中“过程技能”（观察——问题——假设——实验——结论）的教育，还应包括观察、调查、实验等具体的方法技能。科学方法教育中尤其要重视科学思维的训练，即努力使学生将科学方法内化为自己的思维方式和行为方式。

2.1观察实证的方法

观察实证是指通过对研究对象大量的观察、实验和调查，获取客观材料，从个别到一般，归纳出事物的本质属性和发展规律的一种研究方法。

2.2假说—演绎法

假说—演绎法是指在观察和分析的基础上提出问题以后，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的；如果不符，就说明假说是错误的。所以假说—演绎法的根本过程是：发现问题——提出假说——演绎假说——实验证明——提出结论。在孟德尔的一对相对性状的杂交实验中很好地展现了假说—演绎法，也正是由于他采用这种方法才获得了科学上不朽的成绩，为人类揭示了遗传之谜。“假说—演绎法”是形成和构造关科学理论的一种重要思维方法。对学生来讲是“授之以渔”的重要手段之一；学完课程以后，他们对别的都可以忘记，但这些方法会存留下来，这就是真正的素养和能力。

2.3建立模型的方法

新课标中建立模型被列为一项技能目标，并作为高中学生必备的生物科学素养。国家和地方的新高考大纲（说明）也已明确将这一技能素养的掌握水平作为考核对象，2007年全国高考生物江苏卷中就已出现涉及模型构建问题的考核尝试。因此，在平时的教学和高考复习中，教师和考生都要予以重视。由于新课标要求学生学会建立的模型主要是思维形式的模型，因此笔者拟针对几种常见思维模型的构建方法提出如下建议。建立模型的一般程序：（1）掌握原理。掌握模型所代表的知识、过程、规律、机理等，弄清模型的构成要素或包含内容之间的逻辑关系。（2）明确类型。明确所构建的模型属于哪种类型，知道该种模型的特点及表现形式。（3）构建草图（框架）。选择适当的图形、文字、符号勾勒出草图，或用适当的文字符号搭建框架。基于模型的通适性、典型性，所以在构建时只需要考虑大多数情况即可，一般不考虑极少数情况或特例。（4）修饰完善。对照原理查验所构建的草图（框架），确保其科学性；然后进一步修饰完善模型，力求规范、简洁、直观、有美感；最后构建出正式的模型。（5）补充诠释。对一些模型要添加必要的文字说明、示例、图注等，使模型更科学、更清楚、更规范。

2.4系统分析法

系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出解决问题的可行方案的方法。它从系统的着眼点或角度去考察和研究整个客观世界，为人类认识和改造世界提供了科学的理论和方法。它的产生和发展标志着人类的科学思维由主要以“实物为中心”逐渐过渡到以“系统为中心”，是科学思维的一个划时代突破。系统分析是一种研究方略，它能在不确定的情况下，确定问题的本质和起因，明确咨询目标，找出各种可行方案，并通过一定标准对这些方案进行比较，帮助决策者在复杂的问题和环境中作出科学抉择。

3生物教学中开展科学研究方法教育的途径

生物学是一门实验科学，有着众多的可以渗透科学方法教育的内容。教师在努力钻研教材的基础上，要充分挖掘教材中对学生进行科学方法教育的素材，将科学方法教育渗透到教学过程和学生的学习过程中。

3.1通过生物学实验开展科学研究方法教育

高中生物教材中有着众多的学生实验，每做一个实验都是学生亲身体验科学研究方法的过程。在教学中尽教师要可能地将验证性实验变为探究性实验，要求学生通过明确实验目的、自己设计实验、讨论完善实验、最后实施实验步骤等过程，使学生体验到科学研究的方法和过程。另外，教师在备课和教学中应将科学研究方法很好地贯彻到每一个实验中，根据实验内容的不同有目的的让学生体验科学研究的过程，接受全面而完善的科学研究过程和方法的认识与训练，使学生认识、经历科学研究的过程，理解科学方法的本质，并训练其使用有关的具体方法完成每一步骤。这是培养学生发现问题、分析问题、解决问题能力的有效思维方式和操作方式。教师要注重鼓励学生得出自己的结论、畅述自己的观点。

3.2通过生物科学史开展科学研究方法教育

“读史使人明智”，生物科学的每一项重要发现都是科学方法正确应用的典范。科学的方法是人类探索真理，发现新理论和获取新知识的重要手段，生物教学也离不开科学方法的探索、理解和学习。

高中生物教材中有许多关于生物科学史的教学内容，如酶的发现、光合作用的发现、生长素的发现、遗传物质的发现等。这些科学发现本身就是科学家科学实验（探究）的过程，教师可以充分利用这些素材，帮助学生寻着先人的足迹，在享受科学探究的快乐中受到科学方法的教育。

3.3通过探究性教学开展科学研究方法教育

在新一轮的课程改革中，科学探究不仅被作为重要的理念强调，作为教学建议提出，而且被列入了课程目标和内容标准之中。在现代教育文献中“科学探究”、“探究式教学”、“探究式学习”都是指学生在学习过程中模仿科学家进行科学探究的思维方式来主动构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的学习方式。这种学习方式在学习内容上，不但包括事实、理论等陈述性知识，还包括科学过程和方法等程序性知识。在教学策略上，教师通过创设一定的探究情景，让学生发现问题，做出猜想与假设，并通过实验、调查、查阅文献等方式搜集与处理信息，对猜想与假设进行论证，最后通过表达与交流活动对自己的探究过程进行反思与评价。在这一过程中学生获得知识与技能，掌握解决问题的方法，获得情感体验。一般情况下，探究式学习环节分为：提出问题——猜想与假设——方案的设计与选择——收集证据——解释与结论——评价与反思——交流与表达等7个方面。

3.4通过研究性学习开展科学研究方法教育

研究性学习是一种以学生的自主性、探索性学习为基础，从学生生活和社会生活中选择和确定研究专题，主要以个人或小组合作方式进行的一种学习方法。学生通过亲身实践获得直接经验，养成科学精神和科学态度，掌握基本科学方法，提高综合运用所学知识、解决实际问题的能力。科学是一门具有崭新教学理念的学科，学习的核心便是科学探究。科学探究也涉及到提出问题，并通过猜测、计划、观察等活动，亲历解决问题（科学探究）的过程，获得科学知识，形成科学价值观。研究性学习与科学探究都是通过学习者从提出问题到解决问题的探索实践过程来实现科学知识的掌握和科学价值观的形成，以提高学习者解决问题的能力的学习方式。哈佛大学就有这样一句名言——教育的真正目的就是让人不断提出问题和解决问题。它较好地说明了研究性学习、科学探究在教育活动中的重要性，学生亲历科学探究的过程是获取科学知识和培养科学价值观的主要途径。

研究性学习是现在高中学生的一门必修课，利用研究性学习使学生实践科学研究方法，可以使学生真正体会到科学研究方法的重要性，学会如何将一些科学研究的理论知识应用到实践中，研究性学习既是学生对科学方法的实践，也是教师进行科学方法教育成果的检验。

3.5通过实验设计开展科学研究方法教育

科学实验的一般过程范文

关键词：道路桥梁与渡河工程新专业;实验教学;应用型人才;培养

随着我国交通事业的飞速发展，为适应土木工程学科建设的需要，我校于2014年成功申报了道路桥梁与渡河工程新专业，这是我校城市建设学院土木工程学科的一个重要分支，主要是培养能在道路、桥梁、港口码头、隧道及地铁等领域从事规划、设计、施工、监理、管理、科研与教学等工作的高级应用型及创新型技术人才。该专业实践性和应用性很强，又属于新成立的专业，因此在实践教学方面缺乏一定的经验。本文在借鉴国内外同类型专业实践教学的基础上，结合我校的实际情况，以应用型人才培养目标为导向，对实验教学进行独立探索，旨在构建一个适应我国社会经济发展需要的、符合高等教育规律的实验教学体系。

一、实验教学存在问题剖析

（1）实验课时有限。实验课一般开设在相应的理论课程教学过程中或是在课程结束之后，为了满足理论教学进度的要求，实验课时一般较少。而且一般都是以班级为单位分组进行实验操作，这样，在有限的实验课时里很难保证每个学生都能有机会进行实际操作。

（2）实验设备陈旧。因为学校经费投入有限及重视度不够，实验设备较为陈旧，有些是被淘汰的设备，甚至是故障设备，不能很好地满足实验教学的需要，还不能保证实验安全。

（3）学生主动性不足。做实验时，一般是实验老师先将整个实验过程讲解并演示一遍，并把实验操作步骤写在黑板上，然后再让学生按操作要求一步一步进行操作。对大部分学生来说，整个实验过程是在似懂非懂的状态下完成的，不利于培养主观能动性和独立思考能力。

二、实验教学改革措施

（1）开设开放性实验。自2014年起，我校开设了夏季学期，共开设综合型开放实验项目56个。道路桥梁与渡河工程专业积极响应学校夏季学期改革，将实验教学分为两部分，即课程实验教学和开放性实验教学。课程实验教学一般安排在春秋季学期，实验课开设在相应的理论课程中或是在理论课程结束后，以满足理论教学的要求。开放性实践教学则安排在夏季学期，面向全体学生开放，主要进行创新实验项目训练，以弥补课堂实验教学不足。同时依托南华大学工程技术检测中心承接的工程项目，由该中心实验老师带领学生完成整个实验过程。将实验教学和工程实践有效结合，有利于培养学生的创新意识和实践动手能力。

（2）成立科技课题兴趣小组。为了更好地培养学生们的实践兴趣，我们成立了科技课题兴趣小组，为学生提供实验场地、实验条件和技术支持，并带领学生积极申报大学生研究型学习与创新实验计划项目、节能减排社会实践与科技竞赛项目和结构模型设计竞赛等各种丰富多彩的科技课题。这有利于巩固课堂教学知识，培养学生创新意识和实践动手能力，寓教于乐，使学生在面对具体问题的时候，能积极主动地开动脑筋寻找解决途径。

三、结语

道路桥梁与渡河工程新专业经过一年的实践证明：实验教学可以有效培养学生的创新精神、实践动手能力和团队协作精神。前路漫漫，我们只有充分意识到自身的不足，不断探索和实践，并在实践中总结经验和教训，不断提高，才能使道路桥梁与渡河工程专业全体学生的综合素质有比较大的提升，应用型人才培养的目标才能逐步实现。

参考文献：