真空与薄膜实验课程的教学与研究能力的培养.docx

真空与薄膜实验课程的教学与研究能力的培养 黄延伟+席俊华+李阳阳摘要：本文通过对真空与薄膜实验课程的教学现状和存在问题的分析与讨论，提出如何深化学生对实验课程基础理论知识的理解，结合具体实验方案培养学生的创造性思维和创新研究能力，为培养现代化的综合性素质人才提供教学参考。通过真空与薄膜实验方面的训练，培养学生发现和解决问题的能力，从整体上培养和提高学生的研究能力。关键词：真空镀膜；薄膜物理；基础实验；研究创新能力：G642.423 文献标志码：A ：1674-9324（2017）09-0268-03一、引言伴随着高校学科专业和课程分类的细化，真空与薄膜基础理论和实验技术已受到越来越多专业学生和研究者的欢迎，在真空环境下生长出的薄膜性能各异，但总体上薄膜与块状物质一样，可以是非晶、多晶和单晶态的，近年来，由于电子元器件以及光电功能器件的发展需要，各种复合薄膜和功能材料薄膜也有了飞速发展，薄膜的应用范围也越来越广泛，从最初的将薄膜应用于半导体集成电路、电阻器、电容器、激光器、磁头磁带上，到后来发展起来的高精度光学薄膜、高性能光电转换薄膜以及便携式储能器件甚至航天技术上等各个领域都有广泛应用，而这些具有特殊功能的薄膜的成膜是离不开真空环境的，因此，真空与薄膜技术不仅成为了一门独立的研究和应用技术，而且也成为其他几乎一切材料表面改性和性能提高的重要技术手段。掌握这样的一门学科和技术，实验教学是必不可少的，真空与薄膜实验课程是培养大学生实践、创造创新能力的一门非常重要的学科，它可以通过学生对实验原理的掌握，了解实验现象，分析实验数据，建立实验结果与仪器参数的联系，从而更精确地把握实验仪器性能，以便更有效地控制实验进程，达到理想的薄膜成膜性能，通过对实验课程的学习更有效地理解和应用理论知识，当今大学生很大一部分在低年级的时候都有毕业后继续攻读研究生的想法，一部分本科生甚至在大二期间就已进入实验室实习，立志科研，真空与薄膜实验课程正好可以满足材料和电子类专业学生在继续攻读研究生和进入社会就业前的实践和创新能力。学生通过对各种真空设备，如真空蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、化学气相沉积等的原理掌握和实战操作，对所学的相关理论知识有更深入的理解，同时锻炼了动手能力、丰富了实践经验，通过对真空设备重要零部件如机械泵、分子泵、离子泵以及各种真空规的认识和理解，对以后从事科研或其他技术类工作都有很大的帮助，尤其对培养学生的独立发现和解决问题、创造性思维以及创新能力有莫大的帮助。杭州电子科技大学是一所电子专业特色突出的教学与研究型综合性大学，其材料专业已开展多年的真空与薄膜实验课程，在教学和仪器设备方面都有大量资金投入，目前各项真空薄膜设备基本到位，相关薄膜性能测试表征设备也已跟进，对培养高水平真空与薄膜技术人才有充足的势力。二、真空与薄膜实验教学内容现状分析与教学改革真空与薄膜实验课程不同于其他实验课程，它是一门专业性很强的实验课，要求学生在课前需要预先查找、了解并掌握一定的基础理论知识，简单来说，初次进入这门课程的学习，就要求学生们对真空的概念有所了解，从低真空、中真空、高真空、超高真空到极超高真空所对应的压强进行区分和掌握，同时需要了解真空的测量和各种真空泵所能达到的真空极限，这样我们才有可能利用真空技术来制备目标薄膜；对具有一定基础知识的同学，真空与薄膜实验课程也要求学生们掌握更深层次的理论知识，比如在低真空，主要的理论基础是空气动力学，到了极高真空则出现了统计涨落现象，因此，真空与薄膜技术所涉及的基本理论知识范畴十分广泛，从最基本的气体分子的特性、气体分子运动论到在真空环境下所发生的物理化学现象以及最终生成薄膜的表面界面分析等，所涉及的理论知识几乎覆盖了整个物理和化学领域。因此真空与薄膜实验课程的顺利开展有利于培养学生的研究能力，对开展创新教育、加强培养大学生研究创新能力起着重要作用。目前，就我校多年开展真空与薄膜实验课程的经验来看，这门课程的教学现状、存在问题以及如何改革可以概括如下。1.真空与薄膜技术相关指导书籍甚少。目前国内很多高校恐怕对真空科学技术和薄膜技术是分开来讲授的，将他们视为独立的两门学科，这也无可厚非，因为薄膜技术不仅仅局限于真空环境，也可以有一些软化学法来合成薄膜，并且性能也能达到科研工作者的理想所需，分开教学的缺点是同学们对真空科学技术和薄膜技术难以综合联系起来理解，最终难以加以具体应用，更谈不上研究创新能力的培养。原因之一是缺乏真空与薄膜相关书籍和资料的指导，即便有些大学里有专门关于真空与薄膜课程的学习，所使用的指导资料也是自己课题组自己编制的讲义和附录，如复旦大学的真空物理实验室，对相关专业学生开展的真空与薄膜方面的课程，就是自己课题组前辈在教学和科研经历中总结出来的讲义和书籍，如华中一先生编写的真空科学技术、材料表面界面以及由大家共同编写的薄膜生长，现在基本上在网上或在图书馆里找不到这些珍贵的资料了。所以目前开展真空与薄膜实验课程所使用的教材和指导书，差不多都是由专业从事真空和薄膜研究的主讲教师自己自编自写的讲义，尽管如此，这些讲义在某种程度上提炼了重点，有针对性的对学生进行指导训练，也避免了冗长复杂的繁文缛节式的教学，对短期内提高学生们的科研兴趣有一定的意义，但长远来看，还需解决指导书籍匮乏的问题，这需要从事真空和薄膜实验教学的工作者们的共同努力！2.真空镀膜设备及薄膜性能测试仪器需要更大实验室场地面积。真空与薄膜实验课程作为一门实验课，要求每个学生都要参与到自己动手操作真空镀膜设备以及薄膜测试仪器的过程中来，目前，我院的真空镀膜设备包括，真空蒸發、直流/射频磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、离子镀、离子束溅射沉积等，基本上满足了材料与电子类本科生实验课程教学的需要，但由于真空设备往往体积较大，需要相关附件如冷水机、气瓶等才可以顺利开展进行实验，所需实验场地面积大，如果学校或研究机构实验场地资源紧张的情况下，难免存在安全隐患，需要相关部门给予更多重视。在实验教学过程中，主讲教师需要边演示实验操作边讲解实验原理，特别需要注意的地方还需幻灯片来为同学们详细讲解，与真空设备紧密相关的薄膜测试仪器是真空与薄膜实验课程必不可少的性能表征设备，真空镀膜设备和测试设备往往占用场地面积较多，而且结合幻灯片进行教学，有需要在实验室里开辟一块可以学习听课的场地，这对实验室的场地资源要求较大，需要有关部门和领导给予支持和理解。 3.学生分组实验导致实验教学效率低。真空与薄膜实验课程因为涉及到的真空设备以及测试仪器都是较大型的，所以不像化学仪器那样，在教学过程中，每个学生可以人守一台。真空与薄膜实验课程目前只能采取分组教学模式，根据一个班级的学生人数进行分组教学，当然每组人数越少越能使每个学生都有机会完整地操作仪器，如果人数过多就不能在一节课的时间里达到使每个学生都能体验完整的实验过程，这就降低了教学效率，针对这一情况，主讲教师需要提醒每个学生都做好实验记录，在实验过程中应不断提出问题让同学们积极思考，并随机抽查学生们实验掌握情况，提高学生的课堂注意力和积极动脑思考能力，最大限度地减少由分组实验教学导致的低效率问题；另外，还可以采取镀膜设备同时运行的办法来充分利用教学时间，比如，一组八个学生的真空与薄膜实验课，可以将四个学生分配真空蒸发设备，另外四个学生采用溅射镀膜设备，两套设备同时运转，可以制备同一种薄膜，两小组学生可以互相讨论实验方案并对感兴趣的薄膜进行不同的生长方法，待薄膜生长完毕后，进行性能表征，并比较不同制备方法所生长的薄膜性能的异同，并分析原因，提出改善方法，这样不仅锻炼了学生们的实验设计能力还提高的研究能力。4.真空设备及薄膜测试仪器的故障问题。在真空与薄膜实验课程中，由于真空设备的长时间运转，偶尔也会遇到一些始料不及的故障，导致实验课无法进行，例如，在前次课程仪器维护良好的情况下，本次课程却发现真空抽不下去的问题，这就要考虑漏气问题，一般在正确维护仪器的情况下，漏气问题并不很严重，可以检查真空仓门是否关闭严实，进气口是否未旋紧等，遇到故障并不可怕，也是一个学习思考的过程，比如可以引导学生思考各种检漏方法，如真空腔上盖不牢，可以采取蘸取丙酮的办法来找到漏气位置，进而解决问题，另外还需注意提醒学生们如果发现漏气立即关闭测量高真空的电离规，并启发同学们思考原因。当然，有时候也可能遇到较大的故障，例如电路断路，阀门失灵，无法起辉，水管漏水等问题，这时候通常需要专业人员来维修，对于研究院所，专门从事真空薄膜研究的实验人员来说，真空设备出现故障并非坏事，具有专研能力的人往往并不会坐等维修工程师的到来，而是自己动手解决问题，从检查线路开始一点一点的排查问题，总能找到问题所在，一旦找到问题解决办法总会有的，即使是最后因暂时缺少有效零部件而无法启动，也可以采取替换办法，使同学们对维修设计实验仪器产生浓厚的兴趣，一些学生可能会因此在将来的工作岗位中获益匪浅，这对学生的研究创新能力的培养起了关键作用。三、真空与薄膜实验课程的教学与科研的结合真空与薄膜实验尽管主要针对相关专业本科生的实验教学，但不能造成实验室仪器设备资源的浪费，在教学之外甚至教学之中同样可以同时进行科学研究，在授课过程中就让学生树立一种科研的严谨精神，在熟悉仪器的操作的同时，也进行自己感兴趣的课题研究，利用真空镀膜设备制备薄膜并进行表征分析，对某一新现象进行推测或解释，甚至练习专业论文的写作，或者对真空设备的某一部分进行创造性的改造以形成专利，这都对学生的创新意识和研究能力提出了更高要求。近年来，各高校通过举行大学生创业创新项目的比赛，增加综合性、设计性实验项目以提高学生的创新能力，在学习真空与薄膜实验课程的同时，也同样具备挑战这些比赛的资本，如独立设置实验课题，在指导老师的帮助下完成课题的实施、顺利进行等。这就在完成实验教学任务的同时，更加有效地利用高校实验设备资源、培养高素质创新型人才。随着科学研究方法的不断更新和研究领域的不断拓展，新课题、新技术和新方法也不断出现并快速更新。教学任务与科研兴趣有机结合起来后，学生可通过毕业设计、课题研究等形式参与到教师或者科研工作者的课题中去，在学习的同时承担适当的科研任务，不仅培养了动手能力和创新思维，还锻炼了科研能力，随着时代的发展，实验教学内容和形式需要不断探索新模式，不断注入新活力，以完全调动学生们学习和研究的乐趣，通过实验与科研的结合，建立新的教学体系，强调培养学生的创新能力，并通过充分利用实验室仪器设备资源引导立志从事科学研究的学生进行科研素质的训练，以培养具有良好动手实践能力、具有创新思维和综合科研素质的专业人才。四、结语当今大学生处在一个高度信息化、技术化、网络化的时代，对新信息、新技术、新方法具有强烈的探索和掌握欲望，真空与薄膜实验课程从课题选择、实验设计、性能表征，到实验结果的数据分析与总结，不仅仅是一个简单的教学过程，更是一个材料的研究过程、一个专业性课题的研究创新过程，从选定真空镀膜设备、确定特征薄膜材料进行研究实验开始，根据教学目的进行研究方案的设计，测试材料的各种物理性能，最后分析研究结果，这样一种分层次的实验教学，不仅提高了学生对基础理论知识的理解和把握，對薄膜材料的研究热情，而且在实践中深化了教学内容，锻炼了学生发现问题、解决问题的能力，进一步培养学生在实践中的创新性思维和创造创新精神，同时也对学生的研究能力进行了强化。任何一门实验课程都是一个不断探索不断发展的学科，它要求不断探索新型实验教学模式，实验内容要不断发展创新，真空与薄膜实验也同样需要探索更有效的教学方案和教学模式，不断更新教学内容和方式，促进学生提出问题、研究问题、解决问题能力的发展，同时鼓励学生主动查阅相关文献资料，主动学习与实验相关的基础理论知识，帮助学生探索和了解知识、新方法，勇于尝试，大胆探索，将教学与研究相结合，才能更有效地利用实验资源最大幅度地提高自身综合素质，达到意向不到的教学目的，在注重研究能力培养的同时进行教学，培养新一代研究创新型人才是这门课程的最终目的。参考文献：1华中一.高真空技术与设备M.上海：上海科学技术出版社，1959.2王力衡.薄膜技术M.北京：清华大学出版社，1991.3张济忠.现代薄膜技术M.北京：冶金工业出版社，2009. 4楊迪武.材料物理实验课教学内容的改革与实践J.教育教学论坛，2014，（14）：41.5赵春霞，周静.韩京.材料物理专业创新型实验教学探索与实践J.实验科学与技术，2013，（11）：77.6候伟伟.高校教学质量现状及对策探讨J.教育教学论坛，2016，（34）：149.7陶辉锦.对材料物理专业教学改革创新实践的思考J.创新与创业教育，2010，（05）：53-55.8朱晓勇，许育东，石敏，刘岸平，陈翌庆，周汉义，苏海林.构建工科院校特色的材料物理专业课程体系以合肥工业大学为例J.合肥工业大学学报（社会科学版），2011，（02）：139-143.Teaching and Research Ability Training of Vacuum and Thin Film Experiment CourseHUANG Yan-wei，XI Jun-hua，LI Yang-yang（College of Materials and Environmental Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）Abstract：This paper discusses and analyses existing problems in vacuum and thin film experiments course based on current teaching situation. How to deepen students understanding of the knowledge of the experimental course of basic theory，and how to combine with the specific experimental scheme of cultivating students creative thinking and innovation ability research，have been put forward to raise the lecturers to think. This paper provides reference for the teaching of comprehensive quality cultivation of modern talents. Through the training of vacuum and thin film experiments course，the ability of students to discover and solve problems is improved！Key words：vacuum deposition；thin film physics；basic experiment；research innovation ability 教育教学论坛2017年9期教育教学论坛的其它文章环境工程领域全日制专业学位硕士研究生培养调查分析以“中国梦”引领大学生理想信念建构基于真人图书馆的大学生思想政治教育路径探究整合思想政治教育方法，增强思想政治教育工作实效性浅论大学生学习公共关系伦理的重要性研究军队院校任职教育实验教学改革的思考 -全文完-