淺談電子氧化物制備實驗教學的改革與實踐

黃傳威*，鄒繼兆

（廣東省深圳市特種功能材料重點實驗室 深圳大學材料學院，廣東 深圳 518060）

材料的晶體結(jié)構(gòu)決定其性能。由于陶瓷材料設(shè)計晶面和晶界等諸多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在理解它們間的結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)聯(lián)時，需要涉及較多的表征技術(shù)和測量手段。當前《材料專業(yè)綜合設(shè)計實驗》課程內(nèi)容側(cè)重電子陶瓷材料的制備。對四年級的本科生，該課程的設(shè)置時間較短，難于開展較系統(tǒng)的研究，從而限制了解和掌握材料結(jié)構(gòu)-性能間的關(guān)聯(lián)。隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展，電子薄膜材料在科學研究與工程應(yīng)用方面越來越受到青睞。同時，相對于多晶或陶瓷材料，外延單晶薄膜在制備過程中工藝參數(shù)可控性強，晶體結(jié)構(gòu)相對簡單，有助于掌握其結(jié)構(gòu)-性能等機理，更適合本科生的初步探索實驗。筆者結(jié)合自身的科研和教學經(jīng)驗，對《材料專業(yè)綜合設(shè)計實驗》中電子氧化物材料的實驗課程內(nèi)容和教學方式進行改革。以單晶電子氧化物薄膜為對象，通過實驗前的文獻調(diào)研和實驗設(shè)計，提高學生的學習主動性。同時滿足當前創(chuàng)新人才的需求，偏重于創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)[1,2]，使學生在以后的工作中具備更快獨立分析解決問題的能力。實驗過程中利用激光分子束外延儀等先進儀器直接觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)變化，提供更直觀、高效的實驗方式，深入理解氧化物材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)特性，由此進一步提高教學質(zhì)量。

1 引導(dǎo)學生自行實驗設(shè)計

1.1 主動文獻查詢

提前設(shè)置實驗背景和問題情境，倡導(dǎo)自學。教師前期講解相關(guān)基本知識，了解電子氧化物薄膜的基本結(jié)構(gòu)和調(diào)控方式。由于學生之前選修文獻檢索與閱讀相關(guān)課程，已掌握文獻檢索和管理等科研基本技能。通過小組討論模式，積極調(diào)研主動學習，充分發(fā)揮學生的主體作用。同時有利學生了解該研究方向最新進展和提高學生創(chuàng)新能力。

1.2 學生設(shè)計實驗與互動式教學改革

本實驗的主要內(nèi)容包括以下幾部分：實驗設(shè)計、薄膜材料制備、結(jié)構(gòu)表征、及物理性能測量、數(shù)據(jù)分析與總結(jié)與報告撰寫。本實驗涉及材料科學基礎(chǔ)中晶體結(jié)構(gòu)知識、現(xiàn)代材料表征方法及材料性能測試。本實驗?zāi)康臄M通過薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)變化調(diào)控其電子特性。結(jié)合文獻調(diào)研與提前設(shè)置的實驗?zāi)康呐c要求，學生自己制定制備工藝。根據(jù)文獻報道，歸納、總結(jié)實驗注意事項。教師及時參與和跟進，指導(dǎo)學生進行實驗方案和步驟的設(shè)計，對可能出現(xiàn)的結(jié)果給予一定的預(yù)判，使之了解科學研究的過程和思維方式。同時培訓(xùn)學生發(fā)現(xiàn)與處理科學問題的能力。通過上述階梯式的調(diào)整與改進，使學生能擴寬基礎(chǔ)知識和實驗認知的同時，提高學生分析問題、解決問題能力。

2 基于激光分子束外延儀鍍膜的實驗改革

就氧化物薄膜材料而言，目前包括磁控濺射、化學氣相沉淀和激光脈沖沉積等方法。與傳統(tǒng)陶瓷實驗相比，我們的設(shè)計實驗課程主要體現(xiàn)以下特點：1） 教學目的方面---我們的實驗不是一般傳統(tǒng)意義上的驗證性實驗，而是強調(diào)鍛煉學生的動手能力，同時誘導(dǎo)學生科學研究的潛力，注重其科研素質(zhì)的培養(yǎng)；2） 實驗制備方面---該實驗依托本單位重點實驗室的配備反射高能電子

衍射儀（RHEED） 的激光脈沉積儀，可以實現(xiàn)單晶薄膜的高效制備。由此可以有效避免或減少向晶粒，晶界等其他因素對材料性能的影響，從而讓學生更直觀理解材料結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)聯(lián)。同時該先進設(shè)備可實時監(jiān)測該薄膜材料的生長情況（如圖1） 圖中清晰的衍射斑紋和震蕩曲線證明制備過程中薄膜材料為共軛單晶生長。

可以根據(jù)衍射圖案的大小和形狀實時監(jiān)控薄膜材料的生長模式和晶格大小與晶向。如果實驗制備中該衍射圖案消失（或者RHEED 強度震蕩曲線消失），表明薄膜制備失敗，我們立刻停止生長，由此可提高實驗效率、避免接下來不必要的表征和測試；3） 在材料結(jié)構(gòu)與物理性能的預(yù)判過程中，由于影響單晶薄膜結(jié)構(gòu)的參數(shù)減少，學生就少量相互獨立的實驗變量（比如：薄膜厚度、受應(yīng)力狀態(tài)、表面粗糙度） 開展調(diào)控，更高效直觀研究該材料的晶體結(jié)構(gòu)與物理性能間的關(guān)系。

3 考核方式改革

傳統(tǒng)的實驗教學基本上都是由教師統(tǒng)一的教材、儀器、實驗流程和實驗報告要求。學生以照方抓藥式被動學習，走馬觀花完成實驗課程，其主動性和創(chuàng)新思維受到很大束縛[2-4]。該研究不僅改革傳統(tǒng)的實驗教學方法，更強調(diào)實驗效果，要求學生對該實驗的真正理解。所以在實驗教學質(zhì)量考核上，采用多種方式相結(jié)合的評價體系。首先，實驗報告撰寫體現(xiàn)學生對實驗的基本理解，保證成績評定的客觀性和公正性。同時提倡主動、個性化教學，鼓勵學生自己制定方案，提高實驗課程的參與、重視程度。最后系統(tǒng)評價學生在整個實驗中前期調(diào)研與自主性、實驗操作規(guī)范性、數(shù)據(jù)處理和歸納總結(jié)能力，由此提高學生的綜合設(shè)計能力，為以后走上工作崗位后上手快、動手能力強、具備獨立解決問題的能力。

1） 主動問題調(diào)研和獨立設(shè)計：對于本實驗——《材料專業(yè)綜合設(shè)計實驗》，強調(diào)主動學習與自行設(shè)計。這種考核方式充分發(fā)揮學生的主體作用，提高學生獨立解決問題的能力。所以在教學質(zhì)量評價中，強調(diào)學生在實驗過程中表現(xiàn)，以及在實驗總結(jié)的體現(xiàn)。

2） 彈性實驗流程與制備過程：進行示范性操作，幫助學生掌握制備基本的實驗方法和技能。同時根據(jù)各自的實驗設(shè)計，合理調(diào)整實驗參數(shù)，有利于學生對實驗的理解，制備技術(shù)的掌控，以及薄膜結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控。

3） 總結(jié)能力：實驗報告總結(jié)實驗數(shù)據(jù)和規(guī)律，這是實驗基本要求。同時鼓勵對整個實驗流程（前期調(diào)研、實驗方案設(shè)計、制備與表征測試、數(shù)據(jù)處理與總結(jié)報告） 的總結(jié)，使學生具有提出-分析-解決實際問題的能力。所以，該實驗最終考核更側(cè)重考察學生對該薄膜材料的結(jié)構(gòu)-性能的綜合理解。

4 結(jié)語

通過上述實驗改革，將有效提高學生從實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析到歸納總結(jié)等方面的綜合素質(zhì)。具體如下：

1） 通過提前設(shè)置科學背景和問題，根據(jù)文獻調(diào)研與閱讀，培養(yǎng)學生獲取前沿知識和問題調(diào)研的能力；

2） 通過自行設(shè)計實驗內(nèi)容和步驟，培養(yǎng)學生在實驗過程中解決問題的能力；

3） 通過整個實驗流程的總結(jié)，不僅鍛煉撰寫實驗結(jié)果的能力，同時考察學生對該實驗的理解能力，培養(yǎng)他們的科研意識和能力。