真空與薄膜實驗課程的教學與研究能力的培養(yǎng)

1、    真空與薄膜實驗課程的教學與研究能力的培養(yǎng)    黃延偉+席俊華+李陽陽摘要：本文通過對真空與薄膜實驗課程的教學現(xiàn)狀和存在問題的分析與討論，提出如何深化學生對實驗課程基礎理論知識的理解，結合具體實驗方案培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新研究能力，為培養(yǎng)現(xiàn)代化的綜合性素質(zhì)人才提供教學參考。通過真空與薄膜實驗方面的訓練，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，從整體上培養(yǎng)和提高學生的研究能力。關鍵詞：真空鍍膜；薄膜物理；基礎實驗；研究創(chuàng)新能力：g642.423 文獻標志碼：a ：1674-9324（2017）09-0268-03一、引言伴隨著高校學科專業(yè)和課程分類的細化

2、，真空與薄膜基礎理論和實驗技術已受到越來越多專業(yè)學生和研究者的歡迎，在真空環(huán)境下生長出的薄膜性能各異，但總體上薄膜與塊狀物質(zhì)一樣，可以是非晶、多晶和單晶態(tài)的，近年來，由于電子元器件以及光電功能器件的發(fā)展需要，各種復合薄膜和功能材料薄膜也有了飛速發(fā)展，薄膜的應用范圍也越來越廣泛，從最初的將薄膜應用于半導體集成電路、電阻器、電容器、激光器、磁頭磁帶上，到后來發(fā)展起來的高精度光學薄膜、高性能光電轉(zhuǎn)換薄膜以及便攜式儲能器件甚至航天技術上等各個領域都有廣泛應用，而這些具有特殊功能的薄膜的成膜是離不開真空環(huán)境的，因此，真空與薄膜技術不僅成為了一門獨立的研究和應用技術，而且也成為其他幾乎一切材料表面改性和性

3、能提高的重要技術手段。掌握這樣的一門學科和技術，實驗教學是必不可少的，真空與薄膜實驗課程是培養(yǎng)大學生實踐、創(chuàng)造創(chuàng)新能力的一門非常重要的學科，它可以通過學生對實驗原理的掌握，了解實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，建立實驗結果與儀器參數(shù)的聯(lián)系，從而更精確地把握實驗儀器性能，以便更有效地控制實驗進程，達到理想的薄膜成膜性能，通過對實驗課程的學習更有效地理解和應用理論知識，當今大學生很大一部分在低年級的時候都有畢業(yè)后繼續(xù)攻讀研究生的想法，一部分本科生甚至在大二期間就已進入實驗室實習，立志科研，真空與薄膜實驗課程正好可以滿足材料和電子類專業(yè)學生在繼續(xù)攻讀研究生和進入社會就業(yè)前的實踐和創(chuàng)新能力。學生通過對各種真空設

4、備，如真空蒸發(fā)、磁控濺射、脈沖激光沉積、分子束外延、化學氣相沉積等的原理掌握和實戰(zhàn)操作，對所學的相關理論知識有更深入的理解，同時鍛煉了動手能力、豐富了實踐經(jīng)驗，通過對真空設備重要零部件如機械泵、分子泵、離子泵以及各種真空規(guī)的認識和理解，對以后從事科研或其他技術類工作都有很大的幫助，尤其對培養(yǎng)學生的獨立發(fā)現(xiàn)和解決問題、創(chuàng)造性思維以及創(chuàng)新能力有莫大的幫助。杭州電子科技大學是一所電子專業(yè)特色突出的教學與研究型綜合性大學，其材料專業(yè)已開展多年的真空與薄膜實驗課程，在教學和儀器設備方面都有大量資金投入，目前各項真空薄膜設備基本到位，相關薄膜性能測試表征設備也已跟進，對培養(yǎng)高水平真空與薄膜技術人才有充足的

5、勢力。二、真空與薄膜實驗教學內(nèi)容現(xiàn)狀分析與教學改革真空與薄膜實驗課程不同于其他實驗課程，它是一門專業(yè)性很強的實驗課，要求學生在課前需要預先查找、了解并掌握一定的基礎理論知識，簡單來說，初次進入這門課程的學習，就要求學生們對真空的概念有所了解，從低真空、中真空、高真空、超高真空到極超高真空所對應的壓強進行區(qū)分和掌握，同時需要了解真空的測量和各種真空泵所能達到的真空極限，這樣我們才有可能利用真空技術來制備目標薄膜；對具有一定基礎知識的同學，真空與薄膜實驗課程也要求學生們掌握更深層次的理論知識，比如在低真空，主要的理論基礎是空氣動力學，到了極高真空則出現(xiàn)了統(tǒng)計漲落現(xiàn)象，因此，真空與薄膜技術所涉及的基

6、本理論知識范疇十分廣泛，從最基本的氣體分子的特性、氣體分子運動論到在真空環(huán)境下所發(fā)生的物理化學現(xiàn)象以及最終生成薄膜的表面界面分析等，所涉及的理論知識幾乎覆蓋了整個物理和化學領域。因此真空與薄膜實驗課程的順利開展有利于培養(yǎng)學生的研究能力，對開展創(chuàng)新教育、加強培養(yǎng)大學生研究創(chuàng)新能力起著重要作用。目前，就我校多年開展真空與薄膜實驗課程的經(jīng)驗來看，這門課程的教學現(xiàn)狀、存在問題以及如何改革可以概括如下。1.真空與薄膜技術相關指導書籍甚少。目前國內(nèi)很多高校恐怕對真空科學技術和薄膜技術是分開來講授的，將他們視為獨立的兩門學科，這也無可厚非，因為薄膜技術不僅僅局限于真空環(huán)境，也可以有一些軟化學法來合成薄膜，并

7、且性能也能達到科研工作者的理想所需，分開教學的缺點是同學們對真空科學技術和薄膜技術難以綜合聯(lián)系起來理解，最終難以加以具體應用，更談不上研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。原因之一是缺乏真空與薄膜相關書籍和資料的指導，即便有些大學里有專門關于真空與薄膜課程的學習，所使用的指導資料也是自己課題組自己編制的講義和附錄，如復旦大學的真空物理實驗室，對相關專業(yè)學生開展的真空與薄膜方面的課程，就是自己課題組前輩在教學和科研經(jīng)歷中總結出來的講義和書籍，如華中一先生編寫的真空科學技術、材料表面界面以及由大家共同編寫的薄膜生長，現(xiàn)在基本上在網(wǎng)上或在圖書館里找不到這些珍貴的資料了。所以目前開展真空與薄膜實驗課程所使用的教材和指導

8、書，差不多都是由專業(yè)從事真空和薄膜研究的主講教師自己自編自寫的講義，盡管如此，這些講義在某種程度上提煉了重點，有針對性的對學生進行指導訓練，也避免了冗長復雜的繁文縟節(jié)式的教學，對短期內(nèi)提高學生們的科研興趣有一定的意義，但長遠來看，還需解決指導書籍匱乏的問題，這需要從事真空和薄膜實驗教學的工作者們的共同努力！2.真空鍍膜設備及薄膜性能測試儀器需要更大實驗室場地面積。真空與薄膜實驗課程作為一門實驗課，要求每個學生都要參與到自己動手操作真空鍍膜設備以及薄膜測試儀器的過程中來，目前，我院的真空鍍膜設備包括，真空蒸發(fā)、直流/射頻磁控濺射、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積、離子鍍、離子束濺射沉積等，基本上滿足了材

9、料與電子類本科生實驗課程教學的需要，但由于真空設備往往體積較大，需要相關附件如冷水機、氣瓶等才可以順利開展進行實驗，所需實驗場地面積大，如果學?；蜓芯繖C構實驗場地資源緊張的情況下，難免存在安全隱患，需要相關部門給予更多重視。在實驗教學過程中，主講教師需要邊演示實驗操作邊講解實驗原理，特別需要注意的地方還需幻燈片來為同學們詳細講解，與真空設備緊密相關的薄膜測試儀器是真空與薄膜實驗課程必不可少的性能表征設備，真空鍍膜設備和測試設備往往占用場地面積較多，而且結合幻燈片進行教學，有需要在實驗室里開辟一塊可以學習聽課的場地，這對實驗室的場地資源要求較大，需要有關部門和領導給予支持和理解。 3.學生分組實

10、驗導致實驗教學效率低。真空與薄膜實驗課程因為涉及到的真空設備以及測試儀器都是較大型的，所以不像化學儀器那樣，在教學過程中，每個學生可以人守一臺。真空與薄膜實驗課程目前只能采取分組教學模式，根據(jù)一個班級的學生人數(shù)進行分組教學，當然每組人數(shù)越少越能使每個學生都有機會完整地操作儀器，如果人數(shù)過多就不能在一節(jié)課的時間里達到使每個學生都能體驗完整的實驗過程，這就降低了教學效率，針對這一情況，主講教師需要提醒每個學生都做好實驗記錄，在實驗過程中應不斷提出問題讓同學們積極思考，并隨機抽查學生們實驗掌握情況，提高學生的課堂注意力和積極動腦思考能力，最大限度地減少由分組實驗教學導致的低效率問題；另外，還可以采取

11、鍍膜設備同時運行的辦法來充分利用教學時間，比如，一組八個學生的真空與薄膜實驗課，可以將四個學生分配真空蒸發(fā)設備，另外四個學生采用濺射鍍膜設備，兩套設備同時運轉(zhuǎn)，可以制備同一種薄膜，兩小組學生可以互相討論實驗方案并對感興趣的薄膜進行不同的生長方法，待薄膜生長完畢后，進行性能表征，并比較不同制備方法所生長的薄膜性能的異同，并分析原因，提出改善方法，這樣不僅鍛煉了學生們的實驗設計能力還提高的研究能力。4.真空設備及薄膜測試儀器的故障問題。在真空與薄膜實驗課程中，由于真空設備的長時間運轉(zhuǎn)，偶爾也會遇到一些始料不及的故障，導致實驗課無法進行，例如，在前次課程儀器維護良好的情況下，本次課程卻發(fā)現(xiàn)真空抽不下

12、去的問題，這就要考慮漏氣問題，一般在正確維護儀器的情況下，漏氣問題并不很嚴重，可以檢查真空倉門是否關閉嚴實，進氣口是否未旋緊等，遇到故障并不可怕，也是一個學習思考的過程，比如可以引導學生思考各種檢漏方法，如真空腔上蓋不牢，可以采取蘸取丙酮的辦法來找到漏氣位置，進而解決問題，另外還需注意提醒學生們?nèi)绻l(fā)現(xiàn)漏氣立即關閉測量高真空的電離規(guī)，并啟發(fā)同學們思考原因。當然，有時候也可能遇到較大的故障，例如電路斷路，閥門失靈，無法起輝，水管漏水等問題，這時候通常需要專業(yè)人員來維修，對于研究院所，專門從事真空薄膜研究的實驗人員來說，真空設備出現(xiàn)故障并非壞事，具有專研能力的人往往并不會坐等維修工程師的到來，而是

13、自己動手解決問題，從檢查線路開始一點一點的排查問題，總能找到問題所在，一旦找到問題解決辦法總會有的，即使是最后因暫時缺少有效零部件而無法啟動，也可以采取替換辦法，使同學們對維修設計實驗儀器產(chǎn)生濃厚的興趣，一些學生可能會因此在將來的工作崗位中獲益匪淺，這對學生的研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起了關鍵作用。三、真空與薄膜實驗課程的教學與科研的結合真空與薄膜實驗盡管主要針對相關專業(yè)本科生的實驗教學，但不能造成實驗室儀器設備資源的浪費，在教學之外甚至教學之中同樣可以同時進行科學研究，在授課過程中就讓學生樹立一種科研的嚴謹精神，在熟悉儀器的操作的同時，也進行自己感興趣的課題研究，利用真空鍍膜設備制備薄膜并進行表征分

14、析，對某一新現(xiàn)象進行推測或解釋，甚至練習專業(yè)論文的寫作，或者對真空設備的某一部分進行創(chuàng)造性的改造以形成專利，這都對學生的創(chuàng)新意識和研究能力提出了更高要求。近年來，各高校通過舉行大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目的比賽，增加綜合性、設計性實驗項目以提高學生的創(chuàng)新能力，在學習真空與薄膜實驗課程的同時，也同樣具備挑戰(zhàn)這些比賽的資本，如獨立設置實驗課題，在指導老師的幫助下完成課題的實施、順利進行等。這就在完成實驗教學任務的同時，更加有效地利用高校實驗設備資源、培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。隨著科學研究方法的不斷更新和研究領域的不斷拓展，新課題、新技術和新方法也不斷出現(xiàn)并快速更新。教學任務與科研興趣有機結合起來后，學生可通過畢

15、業(yè)設計、課題研究等形式參與到教師或者科研工作者的課題中去，在學習的同時承擔適當?shù)目蒲腥蝿?，不僅培養(yǎng)了動手能力和創(chuàng)新思維，還鍛煉了科研能力，隨著時代的發(fā)展，實驗教學內(nèi)容和形式需要不斷探索新模式，不斷注入新活力，以完全調(diào)動學生們學習和研究的樂趣，通過實驗與科研的結合，建立新的教學體系，強調(diào)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，并通過充分利用實驗室儀器設備資源引導立志從事科學研究的學生進行科研素質(zhì)的訓練，以培養(yǎng)具有良好動手實踐能力、具有創(chuàng)新思維和綜合科研素質(zhì)的專業(yè)人才。四、結語當今大學生處在一個高度信息化、技術化、網(wǎng)絡化的時代，對新信息、新技術、新方法具有強烈的探索和掌握欲望，真空與薄膜實驗課程從課題選擇、實驗設計、

16、性能表征，到實驗結果的數(shù)據(jù)分析與總結，不僅僅是一個簡單的教學過程，更是一個材料的研究過程、一個專業(yè)性課題的研究創(chuàng)新過程，從選定真空鍍膜設備、確定特征薄膜材料進行研究實驗開始，根據(jù)教學目的進行研究方案的設計，測試材料的各種物理性能，最后分析研究結果，這樣一種分層次的實驗教學，不僅提高了學生對基礎理論知識的理解和把握，對薄膜材料的研究熱情，而且在實踐中深化了教學內(nèi)容，鍛煉了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，進一步培養(yǎng)學生在實踐中的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造創(chuàng)新精神，同時也對學生的研究能力進行了強化。任何一門實驗課程都是一個不斷探索不斷發(fā)展的學科，它要求不斷探索新型實驗教學模式，實驗內(nèi)容要不斷發(fā)展創(chuàng)新，真空與薄膜

17、實驗也同樣需要探索更有效的教學方案和教學模式，不斷更新教學內(nèi)容和方式，促進學生提出問題、研究問題、解決問題能力的發(fā)展，同時鼓勵學生主動查閱相關文獻資料，主動學習與實驗相關的基礎理論知識，幫助學生探索和了解知識、新方法，勇于嘗試，大膽探索，將教學與研究相結合，才能更有效地利用實驗資源最大幅度地提高自身綜合素質(zhì)，達到意向不到的教學目的，在注重研究能力培養(yǎng)的同時進行教學，培養(yǎng)新一代研究創(chuàng)新型人才是這門課程的最終目的。參考文獻：1華中一.高真空技術與設備m.上海：上?？茖W技術出版社，1959.2王力衡.薄膜技術m.北京：清華大學出版社，1991.3張濟忠.現(xiàn)代薄膜技術m.北京：冶金工業(yè)出版社，2009

18、. 4楊迪武.材料物理實驗課教學內(nèi)容的改革與實踐j.教育教學論壇，2014，（14）：41.5趙春霞，周靜.韓京.材料物理專業(yè)創(chuàng)新型實驗教學探索與實踐j.實驗科學與技術，2013，（11）：77.6候偉偉.高校教學質(zhì)量現(xiàn)狀及對策探討j.教育教學論壇，2016，（34）：149.7陶輝錦.對材料物理專業(yè)教學改革創(chuàng)新實踐的思考j.創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2010，（05）：53-55.8朱曉勇，許育東，石敏，劉岸平，陳翌慶，周漢義，蘇海林.構建工科院校特色的材料物理專業(yè)課程體系以合肥工業(yè)大學為例j.合肥工業(yè)大學學報（社會科學版），2011，（02）：139-143.teaching and researc

19、h 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 wit