淺談工業(yè)等離子體原理理論教學與實踐結合的重要性

趙洪陽　付秋明　陶洪　馬志斌

摘 要 針對工業(yè)等離子體原理課程所需要的理論與實踐的緊密結合，從教學手段、教學模式和實踐教學方面，讓學生從被動學習變成主動學習，取得了較好的教學成果。

關鍵詞 工業(yè)等離子體原理 教學模式 實踐教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.050

Talking about the Importance of Integrating Theory Teaching and

Practice of "Industrial Plasma Principle"

ZHAO Hongyang， FU Qiuming， TAO Hong， MA Zhibin

（College of Materials Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）

Abstract Aiming at the combination of theory and practice required for the industrial plasma principle course， from the aspects of teaching methods， teaching modes， and practical teaching， students can turn from passive learning to active learning and achieve better teaching results.

Keywords industrial plasma principle； teaching mode； practice teaching

0 引言

1808年，Sir Humphry Davy發(fā)明了弧光放電，開始了人類對等離子體在科學領域中的研究。1879年，Sir william Crookes把等離子體定義為物質的第四態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子體態(tài)。當我們加熱一個固體時，在一定溫度固態(tài)物體變成液態(tài)，繼續(xù)升高溫度變?yōu)闅鈶B(tài)，如果我們繼續(xù)加熱升溫，單個原子將分裂成許多電子和帶正電的離子，形成了物質的第四態(tài)——等離子體態(tài)。等離子體這個術語是Irving Langmuir在1928年提出的，最原始的定義為離子和電子群的近似電中性的集合體，并且能夠對電場和磁場做出響應。工業(yè)等離子體中，認為等離子體是由正、負帶電粒子組成的、幾乎電中性的集合體，并且強烈地與本底中性氣體相互作用。因為正負帶電粒子的存在，在等離子體的教學中，需要復習電磁場的相關內(nèi)容，研究帶電粒子在電磁場中的行為，以便更好地解釋等離子體的整體特性。另外，等離子體是沒有任何本證張力或者壓力的一種介質，其行為與固體、液體、氣體都有本質的區(qū)別。不能夠用這些常識來解釋等離子體中的現(xiàn)象，不能讓學生產(chǎn)生思維定式，這樣就更難以理解等離子體中的基本現(xiàn)象和原理。

1工業(yè)等離子體教學遇到的難點

與等離子體相關的研究和發(fā)展具有很大的挑戰(zhàn)性，因為等離子體的特性受到大量參量的控制，導致成為一個多變量的問題。另外，由于高動力學溫度和能量密度，使得等離子體的實時診斷也變得非常困難。等離子體是一個龐大的科學體系，包括等離子體物理、等離子體化學、等離子體科學或者工程。其中，等離子體物理是物理學科的一個分支，包括支配等離子體行為的基本定律和物理過程，研究分支包括磁流體動力學和電流體動力學；等離子體化學是化學學科的一個分支，研究當存在等離子體時發(fā)生的化學反應；等離子體科學或者等離子體工程研究等離子在重要工業(yè)裝置中的應用，等離子體工程包括等離子體材料加工、等離子體裝置的設計和應用等。在工業(yè)等離子體中，產(chǎn)生等離子體很容易做到，然而，能夠控制等離子體的狀態(tài)和實時調(diào)制等離子體參數(shù)，以便將等離子體更好地應用于工業(yè)生產(chǎn)中，這是一個重要的課題和工業(yè)等離子體領域的難點問題。另外，不同于凝聚態(tài)物理研究等離子體的方法，工業(yè)等離子體原理的教學中，需要重點讓學生掌握等離子體在實際工業(yè)生產(chǎn)中的應用，這需要理論和實踐的互相結合。記得剛開始上等離子體課程的時候，為了調(diào)動同學們的積極性，我告訴大家我們生活中的等離子體，包括閃電、日光燈管、空間電離層，等等。我也讓大家踴躍發(fā)言，其中一個同學問：“老師，我們能像把空氣抓到手中那樣，把等離子體握在手中嗎？”同學們非常好奇等離子體到底長什么樣子，大家的好奇心，也讓我覺得授課是一門學問更是一門藝術，大家共同探討有趣的話題，生動的課程師生都受益匪淺。

等離子體技術與材料的結合是本校材料物理專業(yè)人才培養(yǎng)的一個特色。工業(yè)等離子體原理講述等離子體基礎知識、工業(yè)等離子體工程的原理及物理過程和等離子體在材料合成與加工中的應用，通過該課程的學習，有利于學生掌握等離子體技術在材料學中的應用等知識，對工業(yè)等離子體的原理、設計與應用有比較全面的掌握。了解等離子體技術在國內(nèi)外的發(fā)展狀況，等離子體工程的社會作用，等離子體的基本定義以及各種等離子體的產(chǎn)生方法，等離子體在材料領域的主要應用等。要求學生理解帶電粒子在電磁場中的運動，氣體放電的原理，射頻、微波與等離子體的相互作用機理，等離子體化學氣相沉積、刻蝕、表面改性的原理。課程要求通過學習，能結合實際掌握等離子體的工程應用設計方法。

2教學方法的改革

在課堂教學中，傳授的比較局限，往往更多的是原理性的內(nèi)容，已經(jīng)在教學改革中，加入了適量的視頻，更加生動地講授工業(yè)生產(chǎn)中等離子體發(fā)揮的具體作用，以及如何設計等離子體使其更好地應用于工業(yè)實踐中。結合課程的內(nèi)容，在課程結束后進行等離子體實驗的課程，具體實驗包括：微波等離子體化學氣相沉積實驗、直流電氣擊穿放電實驗——放電原理理解、等離子體參數(shù)的測定及帕郉定律的驗證。通過該實驗課程的訓練，對理論課上所學的知識加深認識，培養(yǎng)學生從事科學研究等方面的綜合能力，特別是能了解等離子體的產(chǎn)生技術，能利用等離子體技術在材料合成、表面改性、材料加工等方面進行初步的應用。

2.1 學生參與到教學中

一方面，理論的教學內(nèi)容較為空洞，換位思考，讓學生認真聽完50分鐘的課程，并且全神貫注、思維活躍，這是非常困難的事情。因為等離子體是多時空尺度、多自由度的多粒子體系，所以存在著大量的運動模式，等離子體中存在的可以激發(fā)這些模式的自由能是有限的。如果這些自由能集中驅動某一個快尺度模式，則這個模式會很快增長起來，這些模式都可能被激發(fā)但是都長不大，我們可以看到一個具有一定寬度的譜帶。如果這個譜帶很窄，則我們可以用波包或者準線性理論來處理。如果譜的分布很寬，那么就成為湍流。等離子體的一個最重要特性是不穩(wěn)定性。微小的擾動就能在等離子體中激起各種等離子體波（或稱為等離子體激元）。所以，需要很多的原理和假設來理解等離子體的狀態(tài)，針對理論教學的枯燥性，設計了一種“小老師”的模式，在課程講授一半以后，尤其在學生學完了第四章“等離子體的特性”之后，對等離子體的基本原理已經(jīng)掌握，書中剩下的內(nèi)容，重點在于理論和實踐的結合。所以，讓學生組成團隊，進行幻燈片的制作和課堂教學，讓學生投入到實際教學中，在制作幻燈片的同時，學生可以更深刻地理解相關的內(nèi)容，并且在調(diào)研的過程中，對等離子體的相關知識有了更全面更廣泛的了解。在知道我們學習的理論知識是可以投入到工業(yè)生產(chǎn)中，是可以成為武漢支柱產(chǎn)業(yè)時，是可以自主創(chuàng)業(yè)時，是某些高新技術產(chǎn)業(yè)的技術革新核心力量時，我認為學生的積極性將會被調(diào)動，從被動學習變成主動學習。在聽到有些師兄已經(jīng)利用學到的等離子體知識進行創(chuàng)業(yè)，學生們非常振奮，專業(yè)基礎課程對于我們今后的工作選擇和考研專業(yè)的選擇非常重要，身處一個有前途有發(fā)展的行業(yè)，對學生的積極性調(diào)動起到非常重要的作用。

2.2 課堂理論教學與企業(yè)實踐相結合的重要性

為了讓同學們更加透徹地理解工業(yè)等離子體的原理和應用，實踐起到重要支撐作用。武漢工程大學的等離子體省重點實驗室和北京泰克諾基團一直保持著良好的合作，我們的畢業(yè)生進入泰克諾基團工作，成為技術骨干。在工業(yè)等離子體原理課程講授完成以后，帶領學生進入泰克諾集團進行生產(chǎn)實踐，讓同學們看到、操作到、參與到工業(yè)等離子體的工業(yè)生產(chǎn)和實踐中來，學生對書本中學到的理論有了更深層次的理解。例如，工業(yè)等離子體的應用，大家想到的往往是等離子體顯示器，這當然是等離子體非常重要的應用。但是，在普通的工業(yè)生產(chǎn)和高新技術產(chǎn)業(yè)中，等離子體也發(fā)揮了重要的作用。

從我們經(jīng)常看到的電弧談起，電氣放電的電弧狀態(tài)也是等離子體態(tài)，電弧是由Sir Humphrey Davy在1808年報道的，他是用皇家研究所大電池組所做的電化學實驗中觀測到的，根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，我給同學們講了一些故事，講授歐洲和亞洲的不同，歐洲的建筑大都是石頭，我國喜歡木制，而Davy的父親就是一位愛好木藝的工匠，引出Davy做出重大發(fā)明的前后過程和巨大付出，Davy從小性格活潑，是發(fā)明化學元素最多的科學家，而且都是活潑的元素；他做實驗用的就是伏特電堆，其實準確的說是伏特堆，因為那時候還沒有電的概念。Davy曾經(jīng)經(jīng)常以表演的形式做科學傳播，當年，聞“笑氣”成為一種時尚。Davy在地下室做實驗，他將許多當個的電池以串-并聯(lián)形式連接起來，第一次容許在適中的高電壓下同時產(chǎn)生大電流，這就是最早期的電弧實驗，電弧水平的運行，其灼熱氣體的浮力引著電弧向上彎曲，所以得名：弧。因為電弧的高能量高亮度，Davy的眼睛也受傷了。另外，講授了Davy當時的崇拜者和助手法拉第，講授性格如何決定人生，就像材料物理專業(yè)，材料物理是研究材料的本質，例如金剛石具有很大的硬度和折射率，為什么？結構和原子堆積決定了材料的性質。所以同學們的日積月累，性格和好的學習習慣的養(yǎng)成至關重要。

在我們實驗室中，等離子體技術可以用來制備金剛石晶體，金剛石多晶可應用于磨具、鉆頭等，具有諸多用途，金剛石單晶被譽為第四代半導體以及終極半導體，是國家重要的戰(zhàn)略材料。在我們痛恨的“薩德”系統(tǒng)中，用到了第一代、第二代、第三代半導體材料，所以高質量的金剛石單晶是對國家重要的國防戰(zhàn)略材料。國際上售賣的金剛石制備裝置，往往受到很多制約，或者已經(jīng)是淘汰的舊的裝置，或者是根本不告知工藝參數(shù)，無法得到高質量大尺寸的金剛石晶體。我們實驗室的特色就是微波等離子體裝置制備金剛石晶體，學生們懂得了等離子體的重要應用，也有了更多的興趣學習等離子體這門課程。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以利用等離子體鍍膜、材料后處理，在科學研究中，中科院化學所、北京理工大學、廣州工業(yè)大學等等諸多大學都采用等離子體技術進行新材料的探索。讓同學們實際參與設計這些設備，親手操作這些設備，看到從等離子體產(chǎn)生、材料鍍膜成功、新材料制備成功等一系列等離子體的重要應用，再結合課堂中學到的內(nèi)容：輝光放電、弧光放電。在理論和實踐中，將等離子體的原理理解到更深的層次。

3結語

通過近年來教學經(jīng)驗的總結，形成了理論和實踐緊密結合的教學模式，該模式教學效果良好。在近幾年的本科生就業(yè)和研究生入學考試中，更多比例的學生選擇到等離子體領域進行深造，說明對于同學們起到了積極的引導作用。

參考文獻

[1] J.R.Roth，工業(yè)等離子體原理[M].科學出版社，1998.