基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

廖衛(wèi)兵，馮創(chuàng)世

(1.深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué)材料學(xué)院,廣東 深圳 518060)

1 引言

近代物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校物理類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是其他理工科需要較深厚物理基礎(chǔ)知識的學(xué)生的選修課程[1-3]。該課程開設(shè)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和物理學(xué)綜合專業(yè)素養(yǎng)，利用近代物理實(shí)驗(yàn)可以將學(xué)生的理性思考和感性認(rèn)識結(jié)合起來，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的作用[4,5]。但是隨著時代的發(fā)展和社會的需要，對于大學(xué)生的要求不僅僅局限于實(shí)踐操作能力，更希望學(xué)生能夠具有豐富的創(chuàng)新意識。針對這一需求，本文基于對大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上提出近代物理實(shí)驗(yàn)新教學(xué)模式的探索與實(shí)踐。希望學(xué)生們在這種新教學(xué)模式的影響下能夠開拓視野、了解科技前沿、加深理論與實(shí)際的聯(lián)系，從而增強(qiáng)創(chuàng)新和創(chuàng)造意識。

2 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力、培養(yǎng)學(xué)生動手技能的重要途徑[6-9]。在傳統(tǒng)的近代物理教學(xué)實(shí)踐中，一般都是學(xué)校安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由教師指導(dǎo)，學(xué)生動手操作和完成數(shù)據(jù)分析的模式進(jìn)行，這導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力受到了很大的限制[10,11]。為了提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，國內(nèi)外很多高校對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改革。其中比較具有代表性的是麻省理工學(xué)院提出的“設(shè)計性實(shí)驗(yàn)”，該教學(xué)模式由學(xué)生和老師共同制定實(shí)驗(yàn)課題、探討實(shí)驗(yàn)方案、利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件完成物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)計劃。這種新教學(xué)模式極大地提高了學(xué)生的自主思考能力和創(chuàng)造能力，起到了充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性的作用。除此之外還有PSSC 方案(美國物理學(xué)會為美國高等院校制訂的方案)[12]、伯克利方案[13]、倫塞來爾方案[14]，這一系列教學(xué)模式的改革成功的將實(shí)施實(shí)驗(yàn)的主動權(quán)交到學(xué)生手中，激發(fā)了學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。我國物理實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展比較晚，先前一直沿用美國和蘇聯(lián)舊教學(xué)模式，即按照實(shí)驗(yàn)講義步驟依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，使得學(xué)生缺乏獨(dú)立觀察和思考問題的能力。80 年代后，國家從課程體系、教學(xué)和教材內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革，逐步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)制度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生包括創(chuàng)新意識在內(nèi)的綜合專業(yè)素養(yǎng)。直至今天，關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革仍在繼續(xù)，進(jìn)行改革的道路還很漫長。本文正是在這種背景下提出基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的近代物理實(shí)驗(yàn)新教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，利用原子力顯微鏡教學(xué)課程對新的教學(xué)模式進(jìn)行闡述。

3 原子力顯微鏡在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，利用原子力顯微鏡技術(shù)觀察物體表面形貌是一個極其重要且具代表性的物理實(shí)驗(yàn)，它在整個課程教學(xué)過程中起著重要的作用。顯微觀察技術(shù)的發(fā)展是一個漫長的過程，從16 世紀(jì)的光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope）到20 世紀(jì)初的電子顯微鏡（Electron Microscope）再到20 世紀(jì)末的原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope），人們觀察微觀材料的廣度和深度得到極大發(fā)展，這對人們認(rèn)識世界、改造世界起到舉足輕重的作用。原子力顯微鏡利用探針與物體之間微弱的作用力，結(jié)合機(jī)械運(yùn)動和光學(xué)檢測系統(tǒng)可以觀測到物體三維表面形態(tài)影像，包括表面粗糙度、粒徑尺寸大小、粒徑間距等，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生物、醫(yī)學(xué)、能源、材料、物理等多種領(lǐng)域。學(xué)會使用原子力顯微鏡技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代理工科大學(xué)生必備的技能之一。

在傳統(tǒng)的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，大家一般利用原子力顯微鏡技術(shù)表征基本材料的表面微觀形貌，而使用該技術(shù)對前沿新材料以及磁性功能材料表面的微觀磁疇結(jié)構(gòu)分析較少，使學(xué)生對原子力顯微鏡技術(shù)的認(rèn)識受到局限，沒能充分發(fā)揮對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 新教學(xué)模式下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的做法

4.1 新教學(xué)模式改革實(shí)施方案

本教學(xué)模式的實(shí)施依托《近代物理實(shí)驗(yàn)》的開展和“設(shè)計性實(shí)驗(yàn)”的基本原理，以學(xué)生為主體，借鑒信息化平臺，在教學(xué)過程中著重考慮學(xué)生的反應(yīng)和需求，根據(jù)學(xué)生的反饋不斷改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式的探索和實(shí)踐。實(shí)施方案具體內(nèi)容包括：

（1）授課老師提前布置近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)題目，如利用原子力顯微鏡觀察高熵合金表面形態(tài)及磁性非晶合金絲磁疇結(jié)構(gòu)。

（2）學(xué)生利用信息化平臺收集相關(guān)資料，討論原子力顯微鏡發(fā)展過程，了解高熵合金和非晶合金的基本概念以及發(fā)展現(xiàn)狀。

（3）課堂上由教師為引導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生先建立起利用原子力顯微技術(shù)分析物體表面相貌和磁性樣品磁疇結(jié)構(gòu)的理論模型。

（4）將傳統(tǒng)的探針改為磁性探針并用其來表征磁性材料樣品的表面微觀磁疇結(jié)構(gòu)，發(fā)揮和調(diào)動學(xué)生的動手能力，利用磁性探針對不同結(jié)構(gòu)的磁性材料樣品進(jìn)行表面檢測。

（5）在教師幫助下，構(gòu)建出不同實(shí)驗(yàn)樣品的表面磁疇結(jié)構(gòu)模型，撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

以上幾個教學(xué)環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，但又存在有機(jī)的關(guān)聯(lián)，不可分割，構(gòu)成了本文的整體實(shí)施方案。

4.2 利用原子力顯微鏡觀察高熵合金表面形態(tài)

近年來，高熵合金是基于“化學(xué)無序”提出的新型金屬材料[15]，具有優(yōu)異的綜合性能和廣闊的發(fā)展前景，是金屬材料發(fā)展的一個全新的領(lǐng)域。使用高熵合金和作為原子力顯微鏡的測試對象可以增加學(xué)生對于材料科學(xué)前沿的了解，達(dá)到一舉兩得的作用。在以往的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中我們利用光盤，作為研究對象進(jìn)行觀察，如圖1（a）和（b）所示，這種單一的材料來源限制了學(xué)生對原子力顯微鏡應(yīng)用范圍的想象。在本文中我們選擇磁控濺射制備的高熵合金薄膜作為研究對象，如圖1（c）為用磁控濺射方法制備的高熵合金薄膜，圖1（d）為利用原子力顯微鏡測量高熵合金表面形貌，從圖中可以清晰的得到高熵合金薄膜的表面生長形態(tài)和粗糙度等信息，可以看出采用磁控濺射技術(shù)制備高熵合金薄膜，其表面存在許多的納米“島狀”結(jié)構(gòu)，可以為高熵合金薄膜的研究和開發(fā)提供一定的技術(shù)引導(dǎo)。

圖1 （a）原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)用光盤；（b）原子力顯微鏡下的光盤表面形貌；（c）磁控濺射制備的高熵合金薄膜；（d）原子力顯微鏡下的高熵合金薄膜表面形態(tài)。

4.3 利用原子力顯微鏡觀察非晶合金絲磁疇結(jié)構(gòu)

非晶合金絲的原子結(jié)構(gòu)為無序態(tài)，具有優(yōu)異的軟磁性能[16]，如鐵基和鈷基非晶合金絲具有大的巨磁阻抗和應(yīng)力阻抗效應(yīng)，在科學(xué)上具有重要的理論研究意義，且在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景，已被應(yīng)用于一些微機(jī)電系統(tǒng)中。然而，對于非晶合金絲的磁疇微結(jié)構(gòu)和不同磁化方向的研究較少，其中存在的問題還有待解決。為了深入體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，我們將原子力顯微鏡的探針更換為磁性掃描探針，采用磁力模式來觀察非晶合金絲的表面磁學(xué)結(jié)構(gòu)，從而拓展學(xué)生對于原子力顯微鏡的認(rèn)識和技術(shù)創(chuàng)新。

根據(jù)原子力顯微鏡探測非晶合金絲的表面磁疇分布，我們提出了分布在鐵基非晶合金絲中的磁疇結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。鐵基非晶合金絲的磁疇具有“核-殼”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由大的具有沿著光纖軸的磁化性質(zhì)的內(nèi)部區(qū)域組成，外部被具有徑向磁化疇的疇結(jié)構(gòu)覆蓋。磁疇在磁芯和殼層之間的差異導(dǎo)致了非晶合金絲的磁各向異性。鑒于鐵基非晶合金絲這些獨(dú)特的疇結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，將為作用于電感元件的新工程和功能材料（例如高性能磁傳感器，電磁干擾屏蔽等）帶來廣泛應(yīng)用。

圖2 金屬玻璃絲的結(jié)構(gòu)原理圖

利用原子力顯微鏡測量高熵合金表面形貌以及磁性材料表面磁疇結(jié)構(gòu)分布，構(gòu)建不同磁性材料樣品的表面微觀磁疇結(jié)構(gòu)模型，從而達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的，同時也可以在實(shí)踐中促進(jìn)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革。在教學(xué)探索和項(xiàng)目實(shí)施過程中，擬解決技術(shù)上的和科學(xué)上兩個方面的關(guān)鍵問題。技術(shù)上，擬解決的關(guān)鍵問題是探針離樣品表面的距離需要精確控制好；科學(xué)上，如何構(gòu)建不同磁性材料的微觀磁疇結(jié)構(gòu)模型，需要結(jié)合相應(yīng)的材料科學(xué)基礎(chǔ)。這些問題的解決一方面有助于教學(xué)內(nèi)容的豐富和教學(xué)模式的建立，另一方面也有助于增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

4.4 新教學(xué)模式改革特色

本教學(xué)模式將教學(xué)理論和實(shí)踐更加緊密地結(jié)合起來，更好地實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化，并且更加直觀地反映出教學(xué)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力之間的關(guān)系，主要表現(xiàn)在：

(1) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)

本教學(xué)模式以本科生課程《近代物理實(shí)驗(yàn)（2）》為依托，擬在利用傳統(tǒng)原子力顯微鏡技術(shù)觀察材料表面微觀形貌的基礎(chǔ)上，結(jié)合前沿金屬材料高熵合金薄膜來表征其表面納米結(jié)構(gòu)形貌，拓展出表征磁性材料表面的微觀磁疇結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加豐富，有助于增加學(xué)生對原子力顯微技術(shù)的系統(tǒng)了解和掌握。表1 為教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新點(diǎn)。

表1 利用原子力顯微鏡新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新點(diǎn)

(2) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的提升

實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，結(jié)合高熵合金薄膜和非晶合金絲，建立起用原子力顯微鏡分析磁性材料樣品的理論模型，結(jié)合“設(shè)計性實(shí)驗(yàn)”的基本原理和“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，提出一種新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。與以往教學(xué)模式不同的是，將新材料作為實(shí)驗(yàn)對象為教學(xué)過程增添了新鮮活力，用原子力顯微鏡觀察磁疇結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)原子力顯微鏡觀察樣品表面形貌的思維限制，激發(fā)了學(xué)生探討其工作原理的興趣，同時又使得學(xué)生們了解到新材料的發(fā)展現(xiàn)狀，達(dá)到一箭雙雕的效果。

5 結(jié)論

本文通過利用原子力顯微鏡來表征高熵合金薄膜表面微觀形態(tài)和非晶合金絲磁性材料表面的微觀磁疇結(jié)構(gòu)，并建立起不同非晶磁性材料的微觀磁疇模型，結(jié)合當(dāng)前學(xué)術(shù)熱點(diǎn)構(gòu)建出一種針對近代物理實(shí)驗(yàn)新的教學(xué)模式和實(shí)踐。這種新模式可以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展學(xué)生對學(xué)術(shù)前沿的了解，與時俱進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。