真空科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)初探*

張東濤　岳明　劉衛(wèi)強　吳瓊（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

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真空科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)初探*

張東濤岳明劉衛(wèi)強吳瓊
（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

摘要：針對研究生課程“真空科學(xué)與技術(shù)”的教學(xué)特點，對現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行了初步改革，增加了研究生動手的實驗課部分，包括拆卸機械泵和擴散泵實驗等，即將課堂教學(xué)與實驗結(jié)合起來，力求提高教學(xué)效果，增強研究生解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：真空；實驗；教學(xué)

岳明（1973，11-），男，滿族，北京市人，博士，教授，研究方向：稀土永磁材料。

劉衛(wèi)強（1977，8-），男，漢族，河北省保定市人，博士，副教授，研究方向：稀土永磁材料。

吳瓊（1986，5-），男，漢族，安徽省安慶市人，博士，講師，研究方向：納米晶永磁材料。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，真空科學(xué)與技術(shù)成為一門在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有著重要影響的獨立學(xué)科，在幾乎所有的前沿學(xué)科和領(lǐng)域，如電子、計算機、傳感、能源、機械、光學(xué)等都得到廣泛應(yīng)用。作為材料專業(yè)的研究生，真空科學(xué)與技術(shù)是常用的基本知識和技能，對以后從事材料及相關(guān)領(lǐng)域的研究和工作都非常有用。但多數(shù)研究生現(xiàn)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中缺乏有關(guān)“真空”的知識，而且這門課程實用性很強，而學(xué)生們的動手能力大都不夠強。因此，本文針對材料學(xué)專業(yè)研究生的特點，結(jié)合本學(xué)院的教學(xué)、科研條件，對“真空科學(xué)與技術(shù)”這門研究生課程的教學(xué)方式進(jìn)行了初步探討和改革。

面對現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，本著鞏固基礎(chǔ)、加強實踐、注重創(chuàng)新的宗旨，“真空科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)”圍繞著培養(yǎng)學(xué)生——基本操作能力——創(chuàng)新能力——實踐能力——科研能力——綜合能力的模式層層展開，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，取得了較好的實踐教學(xué)效果。

一、現(xiàn)有課程教學(xué)中存在的問題和教改的必要性

“真空科學(xué)與技術(shù)”這門研究生課程主要是功能材料中的稀土永磁材料、薄膜材料、電子信息材料等方向的研究生選修的課程，以前都是教師講課為主，主要講述真空的概念和原理、真空常用設(shè)備和真空系統(tǒng)等，沒有真空技術(shù)的動手實驗課環(huán)節(jié)。而選修這門課程的研究生在今后的科研實驗中要用到真空泵和真空測量，有很多科研實驗在真空環(huán)境下完成，真空環(huán)境的好壞嚴(yán)重影響實驗的效果。所以，要想取得預(yù)期的實驗效果，學(xué)生必須提前掌握真空技術(shù)，獲取實驗所需要的真空條件，為順利開展實驗打下基礎(chǔ)。因此，除了原有的教學(xué)理論知識外，具體的實際應(yīng)用和動手能力是非常重要的，不能僅靠單純的理論知識講解來全面掌握真空科學(xué)和技術(shù)。因此，通過增加本課程中實驗部分的學(xué)習(xí)，使研究生進(jìn)一步深入理解和掌握真空科學(xué)與技術(shù)的基本知識，和真空獲得、測量及真空設(shè)備的工作原理，進(jìn)一步培養(yǎng)研究生的獨立性、創(chuàng)新性和實際動手能力。

希望通過對本課程的全面學(xué)習(xí)，使研究生能夠了解有關(guān)真空科學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本原理，熟悉真空的獲得方法、設(shè)備以及相關(guān)控制儀器、儀表的基本原理和使用方法。掌握常用真空設(shè)備的正確應(yīng)用和日常維護技術(shù)，合理利用真空技術(shù)進(jìn)行材料的制備與加工。

這種教學(xué)方法強調(diào)的是培養(yǎng)學(xué)生基本的動手能力，可以讓學(xué)生們放心大膽地去操作，不會縮手縮腳、畏首畏尾。教師會反復(fù)要求學(xué)生拆解真空設(shè)備，這對認(rèn)識真空系統(tǒng)有極大的幫助。通過這些訓(xùn)練，學(xué)生們能夠熟練掌握真空設(shè)備的操作要點，大大加強了學(xué)生們將來從事工作必須具備的基本功訓(xùn)練。學(xué)生們對真空設(shè)備和儀器的直觀認(rèn)識激發(fā)了學(xué)生對本門課程的興趣?？偠灾?，提高學(xué)生的基本動手能力和學(xué)習(xí)的主動性是實踐教學(xué)要完成的第一任務(wù)。

二、新的課程設(shè)計和教學(xué)方法

（一）課程設(shè)計

原有32學(xué)時的“真空科學(xué)與技術(shù)”課程都是課堂教學(xué)，因此我們對課程教學(xué)大綱進(jìn)行了改革，精簡了課堂教學(xué)內(nèi)容，課堂授課變?yōu)?4學(xué)時，增加了8學(xué)時的實驗課，因此，最后本課程的課堂教學(xué)內(nèi)容為：真空的基本概念、真空中的氣體遷移、真空中氣體的流動、真空中的氣固界面現(xiàn)象與吸附理論、荷能粒子與表面的相互作用、真空中氣體放電的物理基礎(chǔ)、放電理論基礎(chǔ)、真空的獲得與控制方法及其常用儀器設(shè)備等。同時結(jié)合課堂教學(xué)增加了8學(xué)時的實驗室動手環(huán)節(jié)，如真空系統(tǒng)的組成和抽氣、充氣過程；拆卸機械泵和擴散泵實驗；利用熱偶和電離真空計測試真空等，要求學(xué)生自己動手實驗，理解和掌握真空泵與真空測量儀表的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、使用條件與維護方法等。

本課程新的課程設(shè)計更重視研究生在實驗中實際運用真空技術(shù)的能力。傳統(tǒng)的教學(xué)方法的弊端是不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，從而導(dǎo)致學(xué)生缺少創(chuàng)造性應(yīng)用的能力。設(shè)計配套課程教學(xué)的創(chuàng)新性實驗，并要求學(xué)生自己查資料了解真空系統(tǒng)。教師在這些實驗中不僅對實驗過程負(fù)責(zé)，對基本操作技能負(fù)責(zé)，還應(yīng)加強對實驗設(shè)計的引導(dǎo)，使學(xué)生關(guān)注實驗設(shè)計，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高運用知識解決問題的能力。這些都是需要學(xué)生認(rèn)真設(shè)計和創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。整個實驗涉及知識面廣，動手環(huán)節(jié)多，思考和討論的問題多，要求學(xué)生大膽認(rèn)真、細(xì)心耐心地做好每一個環(huán)節(jié)。實踐證明，綜合性的創(chuàng)新性實驗確實能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，增強學(xué)生的好奇心，提高他們分析問題和解決問題的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了良好的基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)方法

研究生課程都是每周一次4學(xué)時的課程，共8周，合計32學(xué)時。第一次上課時，前兩節(jié)課首先和選課的研究生認(rèn)識，介紹本課程的內(nèi)容和安排，講述了真空的基本概念和氣體等相關(guān)知識，然后三、四節(jié)課帶領(lǐng)全體學(xué)生來到實驗室，先初步認(rèn)識真空系統(tǒng)和設(shè)備，為后面的真空知識的講解打下認(rèn)識基礎(chǔ)。由于研究生們原來基本沒有接觸過真空知識和真空設(shè)備等，因此，教改以前上課的時候，學(xué)生對這些真空知識理解起來比較困難。對此，我在第一次課的三、四節(jié)課，就提前安排學(xué)生們來到實驗室先認(rèn)識接觸真空設(shè)備和進(jìn)行基本操作，結(jié)果證明是非常有效的，這樣在課堂講解真空知識時，研究生們很容易將一些知識點和在實驗室看到的真空知識結(jié)合起來，理解起來就容易些了。

在上完第四周的課程后，根據(jù)課程安排，這時候研究生們已經(jīng)對真空知識了解了較多了，我安排了一次4學(xué)時的實驗課，主要進(jìn)行拆卸機械泵和擴散泵實驗。由于本課程有15名研究生選課，因此，我將學(xué)生分成5個小組，每組3名學(xué)生。每個組各一臺機械泵和擴散泵進(jìn)行拆卸、清理和重新裝配。實驗開始前，我首先檢查學(xué)生們這4周課堂學(xué)習(xí)的情況。向?qū)W生提出問題，了解他們對課程掌握的情況，然后講解實驗課涉及的理論知識，并進(jìn)行示范操作，最后安排5組學(xué)生分別拆卸機械泵和擴散泵。在實驗過程中我全程參加實驗，隨時指導(dǎo)學(xué)生操作。當(dāng)學(xué)生遇到困難時，通過引導(dǎo)使其自行獨立解決問題，以培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和實驗操作能力。實驗結(jié)束后，我與學(xué)生一起就實驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行討論、分析和總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。并對表現(xiàn)出色的同學(xué)進(jìn)行了表揚。

在經(jīng)過二周課堂教學(xué)后，在最后一次課時，我首先安排頭兩節(jié)課為實驗課，帶領(lǐng)所有學(xué)生來到實驗室，對真空系統(tǒng)組成和操作、真空儀表測量、真空系統(tǒng)的漏氣和檢漏等重要的真空知識點進(jìn)行現(xiàn)場講解，并讓研究生們自己動手操作，繼續(xù)加強學(xué)生們對真空系統(tǒng)的實際動手能力。然后在3、4節(jié)課回到教室，我對本課程進(jìn)行全面回顧和總結(jié)，幫助學(xué)生們加深印象，并提出本課程結(jié)課報告的要求，要求所有同學(xué)在我給出的10個結(jié)課題目中任選一個，比如機械泵、擴散泵、分子泵、真空測量儀、真空系統(tǒng)組成的各自介紹等，要求學(xué)生自己查找資料，寫成word文檔在結(jié)課兩周內(nèi)交給我。

（三）考核方法

真空科學(xué)與技術(shù)的研究生課程，主要考核研究生對真空知識的了解，以及對真空系統(tǒng)的基本操作技能和解決實際問題的能力?？己顺煽冎衅綍r成績占20%，實驗操作成績占40%，結(jié)課報告成績占40%。這樣的成績比例分配，能夠一方面保證學(xué)生的出勤率，保證課堂教學(xué)知識的理解和掌握，又能夠使學(xué)生重視實驗動手能力，最終達(dá)到課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)研究生最終具備較好的真空知識和實際動手操作真空設(shè)備的能力。

三、教改效果和總結(jié)

進(jìn)行了兩年的教改后，上過這門課的研究生已經(jīng)成長為研三的學(xué)生了，他們所在研究組的指導(dǎo)老師反映這些學(xué)生比以前的研究生具有更好的真空知識和動手能力，有時候組里的真空泵壞了，這些研究生自己就動手進(jìn)行修理了，不必再等待廠家來人，節(jié)省了時間和費用，同時研究生的實驗效果得到了更好的保證。而研究生們自己也反映說，上過這門課程以后，對真空了解更多了，因此，在使用真空設(shè)備的時候，心里更踏實和自信，能夠更好的發(fā)揮設(shè)備的能力，同時當(dāng)真空出現(xiàn)問題時，不再一頭霧水不知道如何處理了，能夠根據(jù)所學(xué)知識有針對性的進(jìn)行嘗試解決，這樣下來，也提高了自己解決實際問題的能力。

目前，很多課程只重視課堂授課，不重視實驗教學(xué)，因而教學(xué)效果并不好。增強學(xué)生實驗課程比例，將理論和實踐相結(jié)合，不但能讓學(xué)生全面掌握真空技術(shù)的基本知識和技能，還能提高學(xué)生的實驗操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。本課程進(jìn)行了有益的教學(xué)改革嘗試，取得了較好的實際效果。

參考文獻(xiàn)

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［4］李煒，黎夏生，葉穗紅.真空鍍膜實驗課教學(xué)活動淺探［J］.新余高專學(xué)報，2004（2）:86-87.

Abstract:We reform the original teaching methods of Vacuum Science and Technology course for graduated students after analyzing the course characteristics. Student's practical experiment part is added，including how to disassembly mechanical pump and diffusion pump and so on. The combination of classroom and experiment teaching can both increase teaching effect and improve student's ability of resolving practical questions.

Keywords:vacuum；experiment；teaching

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）11-0072-02

*基金項目：2013.01-2016.12國家自然科學(xué)基金項目（項目編號51271005）

作者簡介：張東濤（1970，10-），男，漢族，湖北省襄陽市人，博士，副教授，研究方向：稀土永磁材料。