开放式创新实验教学案例分析
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.03.047
Case Analysis of Open Innovative Experimental Teaching
ZHANG Kaixiao， ZHANG Jiani， LIU Mingyi， ZHENG Hesong， ZHU Weihua
（College OF Science， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098）
Abstract "Led characteristics and its application" for the innovation of experimental teaching cases to help students understand and grasp the led the basic principle and characteristics， combined with TRIZ innovation， guide the student to carry on the research on application and innovation， to master the basic methods and skills of application technology， a new spirit and technical application ability and the cultivation of students.
Key words TRIZ； innovative methods； LED； experimental teaching
0 引言
开放式实验经过多年应用实践，已经成为目前高校实验教学的新常态，但目前大多数实验内容还是沿用经典实验教学内容，实验课堂教学模式也很难有新的突破，开放式实验中的开放通常只能在选课模式、上课时间、上课地点等形式上做文章。当前教育形势下，创新在某种程度上已经成为我们教学的理念与方向，如何在理论课堂和实验课堂上课堂上引导与营造创新之氛围是教学改革方向之一，其中，应用创新实验教学对激发学生兴趣、实现创新想法到创新成果的转变至关重要，必将成为创新教学的有力工具。为进一步推行开放式实验教学改革，提供一条可供普通高校实行的开放式创新实验教学模式，我们针对“LED特性及其应用”实验，给出了创新性实验教学详细案例。“LED特性及其应用”实验项目结合目前第三代LED照明应用革命的时代背景，主要致力于LED的原理及其应用相关内容的研究，通过设立与实验内容相关的多个开放性研究课题（如LED发光特性、配光特性、光电转换效率、发光角度、应用产品开发等研究），在实验过程中加强学生对应用创新能力的培养，开展研究型教学实践，形成一个真正开放、自由的实验教学课堂，为学生提供创新、创业实践和成果转化提供助力。
1 TRIZ创新方法
TRIZ（发明问题解决理论）创新方法是近年来刚发展起来的创新方法，与其它创新方法相比，具有理论体系结构完整、指导性强、实用性强等显著优点，已经成为目前世界上最热门的创新方法之一。TRIZ创新方法应用目前存在两种模式：一是在企业中推广应用，主要是通过TRIZ创新方法来寻找企业产品或生产过程中技术难题的解决方案；二是在通过学校先行普及TRIZ创新方法， 广大学习者掌握了TRIZ创新方法后，在将来的生产中自觉或不自觉地应用TRIZ创新方法指导实践。这两种方法各有利弊，企业中的应用需要有资深TRIZ创新方法专家指导应用，学校普及TRIZ创新方法的教学成本很高，因为并不是每个人都需要掌握创新方法。
2 LED特性及其应用
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种PN结构的半导体器件，当LED两端加上一定的正向电压后，N区一侧导带上的电子跃迁到P区一侧，与P区的空穴复合并产生一定频率的光子。不同材料的LED可以辐射不同频率的光，即产生从紫外到红外波段的不同单色光，理论上，红、黄、蓝三种颜色的LED可以配比成任意颜色的光源。而目前照明用的白光LED通常是通过短波长的蓝色LED激发荧光，形成宽谱的复合光源，光的强弱与电流有关。与白炽灯泡和氖灯相比，LED具有工作电压低、电流小、节能、环保、抗冲击和抗震性好、可靠性高、寿命长等优点，在许多电子设备中用作信号显示器。近年来，由于蓝光LED的发现，使得LED已经成为第三代照明光源。研究LED光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长等参数性能及其应用，已经成为技术发展的方向与要求。LED发光效率是指光通量与电功率之比，单位为lm/W，代表了光源的节能特性，是衡量现代光源性能的一个重要指标；LED发光强度是表征LED在某个方向上的发光强弱，因此研究LED的光强分布特性具有现实意义，比如显示器的照明，如果LED在各个方向上的发光强度分布不均匀，必然会导致屏幕显示的视角受到影响；LED的光谱特性在某些应用场合特别重要，例如在消毒及医疗领域，不同波长及强度的LED具有不同作用，常用的场所消毒需要波长在260nm以下，而治疗牛皮癣等皮肤病需要的波长通常在360nm附近；此外，自半导体器件发明以来，半导体二级管在电路整形、检波、开关控制等方面得到广泛应用，发光二极管（LED）、半导体激光器（LD）的发明，促进了光通讯在信息传递领域的飞速发展，与传统照明方式相比，以大功率发光二极管为核心的固态照明方式，在能耗、发光效率、体积、寿命等方面有着显著的优越性。对于理工科的学生而言，认识、了解LED的基本电学特性和光学特性，可以开阔思路、激发灵感，在将来的工作生活实践中，能够更好地掌握、科学地应用。 3 创新性实验教学案例
“LED特性及其应用”创新性实验项目的设计目标是在指导学生了解、熟悉、掌握LED原理及特性的基础上，结合学生专业实际，引导学生进行应用创新研究，掌握技术应用的基本方法与技能，从而培养学生的创新精神与技术应用及独立工作能力。
“LED特性及其应用”创新性实验项目的实验内容包括3学时的课内实验与3个学时的课外独立创新应用研究，课内实验的主要内容为教师讲解LED的基本原理并围绕主要实验内容进行TRIZ创新方法教学，“LED特性及其应用”实验的主要内容包含半导体PN结的伏安特性及其应用、发光二极管的伏安特性及其应用、LED光强特性研究及其应用、LED光谱特性及其应用等几个方面；课外创新应用研究是学生在老师给出的选题方向上自主选题（或自行选择与LED相关的选题），以课程论文或专利申请书的形式提交一份完整的课程报告，“LED特性及其应用”实验包含LED的应用范围研究、利用LED制作微型手电、LED交通信号灯、LED的寿命研究与分析、LED显示屏研究、LED灯具检测研究、LED 灯光谱对人体的影响研究、白光LED光谱分析、LED发光角度的调整方法等20多个选题方向，课外创新应用研究教学模式是以学生为主体、教师起启发和引导作用为原则，是教师提出问题或目标，学生自行设计方案，自行完成实验过程，实验结果存在不确定性，目的在于培养学生的自主实验能力、创新实验能力和科学研究能力。具体的教学组织形式为20人为一班，每3人一组，分成7个以下小组，提前一周进行3学时的课内实验教学；第二周安排两天进行分组循环，分7个时间段：第一天8：00～11：00、第一天12：00～15：00、第一天15：00～18：00、第一天18：00～21：00、第二天8：00～11：00、第二天12：00～15：00、第二天15：00～18：00，分组循环期间学生根据自己的选题，自行设计并进行相关实验测量，教师负责提供相关实验配套。
“LED特性及其应用”创新性实验项目以最终解决方案为成绩评价依据。创新实验首先面向部分对应用创新感兴趣，具有学习能力、团队协作等基本科学素养的理工科大学生开放，任课教师根据学生实验课堂表现与提交的方案质量综合评定最终实验成绩（五分制），具体方式为：基于某个具体问题，学生按照实验报告模板（论文或专利）的格式要求，提交问题解决过程及最终优化方案，教师分析方案新颖性、实用性及创造性，择优推荐申请专利或发表在相关刊物上。提交完整问题解决方案并公开发表者，实验成绩为优，并优先推荐参加校级、省级、国家级创新项目或相关创新竞赛。通过一定时间的实践，“LED特性及其应用”创新实验预计将会形成20个左右创新方案或创新报告、2～3篇教学及研究论文、5～10项国家实用新型或发明专利以及项目和竞赛获奖等一大批创新应用成果。
4 总结
论文以“LED特性及其应用”实验为例，在实验基本教学内容的基础上，设立与实验内容相关的多个开放性研究课题，运用TRIZ创新方法分析、引导学生进行应用创新研究，掌握技术应用的基本方法与技能，培养学生创新能力、激发学生自主学习热情、增强实践与应用能力。
