“产教研学创”融合在材料专业实验教学中的探索与实践----以“白光LED的封装及光谱分析实验”为例

“产教研学创”融合在材料专业实验教学中的探索与实践----以“白光LED的封装及光谱分析实验”为例

缪菊红,韦松,刘战辉

（南京信息工程大学 化学与材料学院，江苏 南京 210044）

摘要：实验类课程在高校人才培养体系中占据重要位置，是实现价值塑造、知识传授、能力培养“三位一体”教育理念和人才培养模式的重要载体，也是解决高校“产教研学创”融合贯通、协同发展的重要环节。本文以“白光LED的封装及光谱测试实验”为例，介绍了实验背景、教学设计、教学实施及实验拓展，对“产教研学创”融合在材料专业实验教学中的应用进行了探索和实践，对于激发学生的科研兴趣，拔高实验教学层次，提升教学质量，培养高素质拔尖人才，具有较好的借鉴意义。

关键词：材料专业实验、产教融合、研学融合、学创融合

2019年教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，文中重点强调：“课程建设要突出创新性，教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程。教学方法要体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习”[1]。专业实验类课程通常针对高年级本科生开设，他们即将走上工作岗位或继续深造读研。因此，如何在专业实验教学中，将科技前沿、行业需求与产业发展成果反哺教学，从而增强专业实验教学的针对性和目标性[2]，拓展学生的创新思维，对于培养创新型人才具有重要意义。本文以“白光LED的封装及光谱测试”实验为例，探索在材料专业教学实验中进行产、教、研、学、创融合实现多维资源共享，培养学生创新创业思维、分析和解决工程问题能力的方法。

一、实验背景

白光LED是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代照明光源，具有高光效、长寿命、低能耗和环境友好等优点，其寿命和光效等性能远远优于白炽灯和荧光灯等传统光源。白光LED的实现方式通常有三种：蓝光芯片激发黄色荧光粉、紫外LED芯片激发三基色荧光粉和三色LED合成白光。其中第一种方式，是在InGaN蓝光LED上涂覆黄色YAG: Ce3+荧光粉，YAG: Ce3+荧光粉被蓝光激发后发射黄光，黄光与蓝光复合可得到白光。这种方案制备简单、技术成熟、稳定性高，是目前技术最成熟，应用最广泛的白光LED方案，市场上照明用白光LED灯主要采用这种配色方案。但是这种方法获得的白光中含有较多蓝光成分，也因缺少红光成分，导致色温高，显色度低，影响人眼的舒适度。第二种方案是利用紫外芯片，激发红、绿、蓝三色荧光粉，通过红、绿、蓝三基色的复合得到白光。因其中红色荧光粉的发光效率比蓝色和绿色荧光粉低，且紫外线泄漏的问题尚未很好解决，目前市场应用较少。第三种方案将性能匹配的红、绿、蓝三色LED组合成一个白色发光单元，通过设计控制电路，控制三色LED的输出功率，可以实现彩色显示，具有色温可控，显色性高等特点，但是结构与控制复杂、成本较高。这种红、绿、蓝三色LED混合发光的模式主要还是用于电视，电脑，手机等设备的屏幕显示，照明领域中使用很少。

二、教学内容设计

本实验采用蓝光LED芯片激发黄色YAG: Ce3+荧光粉， 黄光和白光复合后得到白光，这种获得白光LED的方式是目前照明最常用的方案。实验操作主要分为三步：（1）采用溶胶-凝胶法或固相反应法制备YAG: Ce3+荧光粉。若实验课时有限，InGaN蓝光LED芯片和YAG: Ce3+荧光粉均可直接购买；（2）采用点胶工艺，在InGaN蓝光LED芯片塑料盖上涂覆黄色YAG: Ce3+荧光粉，封装得到白光LED灯珠；（3）利用荧光光谱仪对封装的白光LED灯珠进行发射光谱测试，并采用Origin软件进行数据处理与分析。在光谱测试这个环节，可让学生对实验室内LED灯、手机手电筒及手机正面显示屏的发射光谱进行测试和分析。

该实验能让学生了解目前白光LED的产业技术，理解其中存在的问题，需要科技的发展逐步解决，培养学生的社会责任感，鼓励学生努力学习，才能更好地服务社会。在实验拓展部分，通过掺杂不同稀土元素，或选择不同基质材料，可制备得到不同颜色的荧光粉。该项目可结合大学生创新创业训练平台，让学有余力的同学参与其中。通过“白光LED的封装及光谱测试”实验，将产业动态、科技前沿、教学、学生学习和创新创业活动有效融合，训练了学生的科研能力，对于培养学生的创新精神和探索能力具有较好的提升与帮助。

三、实验教学实施

本实验按照科研操作过程和要求来设计和实施。具体包括实验预习、课堂教学、数据处理与分析讨论、实验拓展等环节。

（一）实验预习

预习阶段要求学生对实验背景、实验原理及实验相关内容进行调研，了解白光LED及荧光粉的科技前沿和产业现状，激发学生对实验的兴趣。在实验预习环节，通过设置问题的方式，给学生布置调研任务。实验预习环节培养学生针对问题的调研能力，并对产业现状和科技前沿有初步了解。

（二）课堂教学

实验课上，老师讲解荧光粉发光原理和白光LED的实现方式，并结合最新的科研成果介绍其应用，让同学认识白光LED技术的特点。实验过程可结合实验室的最新科研进展和课题项目来开展教学。在光谱测试时，让学生测试实验室LED照明光源、手机手电筒及手机显示屏的光谱，分析各自采用哪种方式获得白光LED，通过结合生活、学以致用，激发学生的学习兴趣和科研热情。实验教学中将部分科研设备转化为实验教学设备，克服传统教学设备的新颖性不足、实验多为验证性的问题，有效解决传统教学内容与科技前沿、产业需求脱节的问题。

（三）数据处理与讨论

采用Origin进行数据处理，参考文献资料作图，并对实验结果进行分析和讨论。要求学生按照科研论文的格式撰写实验报告，给出实验结果和结论。通过实验报告的撰写，让学生对科技论文的格式、写作要求等有一个大概的了解，也训练学生的文字表达能力。在讨论环节设计一些思考题，并征求学生对本实验项目的建议。一方面培养学生发现问题、解决问题的能力；另一方面，学生对于实验课的建议和反馈，有助于完善和提升实验教学质量，使整个实验项目的设计形成闭环，可持续改进。

（四）实验拓展

对于学有余力，且对发光材料和白光LED具有科研兴趣的同学，可组织大家参观科研实验室，让学生了解新的科研仪器设备和相关产业、科研课题。鼓励学生以大学生创新创业训练项目或各类学科竞赛的方式，进一步探究与实验项目相关的科研问题，为学生提供进入科研实验室开展相关科学研究的机会。

四、结语

将科研成果、产业技术转化为材料专业实验教学内容是教学改革的一项重要措施，也是实现“产教研学创”融合的一条必经之路。本文以“白光LED封装及光谱分析实验”教学作为一个典型案例。通过教学改革，学生在本科阶段就接触到学科前沿内容，了解企业技术需求，并能在实验中经历一个完整的基础科研训练过程。这对于开阔学生科研视野，了解产业动态，训练大学生的创新思维，提高学生的科学素养和科研能力，培养大学生严谨、求实的科学作风，为大学生后续从事企业和科研工作奠定一个良好的基础。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见.教高 [2019] 8号[N/OL].

[2] 石岩，赵嵩颖，白莉，齐子姝.“特色高水平专业”建设背景下高校科研与教学协同创新的探索[J].吉林工程技术师范学院学报，2020(36): 21-23.

本文系南京信息工程大学教学改革研究专项立项课题（“产教研学创”融合背景下材料物理专业实验类课程建设，课题编号：2021YBJG14）的阶段性研究成果。