近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例
——石墨烯制備與性能表征實(shí)驗(yàn)

陳宜保，王合英，孫文博，王秀鳳，張留碗

(清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

近代物理實(shí)驗(yàn)是針對(duì)理工科院校本科高年級(jí)學(xué)生開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，承擔(dān)著開啟科技視野，激發(fā)科研興趣，提升實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的重要使命[1-3]，在經(jīng)過普通物理實(shí)驗(yàn)課程基本的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練之后，近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，豐富和活躍學(xué)生的物理思想，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng). 基于這樣的定位，近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容必須緊跟科學(xué)和時(shí)代的發(fā)展，將科研前沿與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，從而讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的訓(xùn)練，掌握一些基本的科研方法，順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型. 國(guó)內(nèi)各高校在此理念下不斷開展教學(xué)改革，進(jìn)行了探索與嘗試[4-7]，并取得了較好的成效，為新時(shí)代近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新和改革提供了有益的參考和指引.

清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)校提出的“三位一體”的教育理念指導(dǎo)下[8]，實(shí)施“自由實(shí)驗(yàn)、樂學(xué)創(chuàng)新”的研究性教學(xué)模式[9]，在實(shí)際教學(xué)中，積極開展獨(dú)立探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[10]. 石墨烯納米材料制備與性能表征實(shí)驗(yàn)是自主探究性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用案例，該實(shí)驗(yàn)為學(xué)生營(yíng)造了開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過自主思考和自主探索，達(dá)到激發(fā)學(xué)生潛在創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學(xué)目的.

1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

對(duì)于自主探究性教學(xué)，課題選擇是很重要的一步，必須保證所選擇的課題能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，內(nèi)容上需要具有一定的挑戰(zhàn)性. 教學(xué)內(nèi)容既需要有“留白”[11]，讓學(xué)生有足夠的探索空間，同時(shí)又必須保證具有可操作性和實(shí)現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)室能夠提供足夠的資源幫助學(xué)生在1學(xué)期內(nèi)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從而達(dá)成自主探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo).

基于這一思想，選擇石墨烯材料作為研究對(duì)象. 石墨烯作為性能優(yōu)異的二維材料，表現(xiàn)出一系列新奇的量子效應(yīng)，成為目前基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)[12]. 2013年，清華大學(xué)物理系薛其坤院士研究組首次在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)[13]，這一發(fā)生在學(xué)生身邊的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的重大發(fā)現(xiàn)，極大地激勵(lì)了學(xué)生的科研熱情，因此將探究任務(wù)定位于石墨烯材料制備及其光電性能的觀測(cè).

由于制備工藝復(fù)雜，一般的科研用樣品制備難以在教學(xué)中實(shí)施，可采用機(jī)械剝離法制備石墨烯，學(xué)生自己動(dòng)手制備石墨烯樣品. 同時(shí)實(shí)驗(yàn)室擁有顯微拉曼光譜及綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以表征石墨烯材料的性能. 此外清華大學(xué)物理系的公共科研平臺(tái)提供了光刻機(jī)等輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以保障教學(xué)任務(wù)的開展.

公布探究題目?jī)?nèi)容，采用學(xué)生自愿報(bào)名的方式. 根據(jù)清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)的通專結(jié)合的教學(xué)模式[14]，首先采用先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)——拉曼光譜和利用PPMS實(shí)驗(yàn)測(cè)量反?；魻栃?yīng)，讓學(xué)生充分了解拉曼光譜的原理和作用，掌握PPMS儀器的使用方法. 然后是文獻(xiàn)調(diào)研環(huán)節(jié)，采取研究組會(huì)制度，每周開1次組會(huì)，學(xué)生在組會(huì)上匯報(bào)調(diào)研結(jié)果，確定實(shí)驗(yàn)方案. 接著進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，采取分小組模式，每個(gè)小組完成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彼此分工合作，實(shí)驗(yàn)過程同樣采用組會(huì)制度，每周匯報(bào)1次進(jìn)展情況. 最后學(xué)期結(jié)束通過提交綜合論文報(bào)告和口頭答辯的方式進(jìn)行考核，完成1個(gè)完整的教學(xué)周期.

2 教學(xué)過程和成效

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以自上而下的單向指導(dǎo)為主，教師作為主導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的安排完成實(shí)驗(yàn). 自主探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)理念則以興趣和問題為導(dǎo)向，學(xué)生處于主導(dǎo)地位，是學(xué)習(xí)的主體. 本教學(xué)案例始終堅(jiān)持該原則，教師作為學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的伙伴，參與問題討論和方案規(guī)劃，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)人才的教學(xué)目的.

2.1 文獻(xiàn)調(diào)研

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)固定，學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)講義即可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù). 對(duì)于探究性學(xué)習(xí)，教學(xué)內(nèi)容是開放性課題，需要學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)獲取相關(guān)資料. 首先教師指導(dǎo)學(xué)生如何利用清華大學(xué)圖書館提供的科研數(shù)據(jù)庫(kù)檢索文獻(xiàn)資料，如何對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行初步篩選，掌握EndNote等文獻(xiàn)管理工具的使用方法，然后學(xué)生根據(jù)課題要求開展文獻(xiàn)調(diào)研.

2.2 組會(huì)討論

教學(xué)過程中，采取每周召開1次研討組會(huì)的方式，組織學(xué)生就文獻(xiàn)資料、實(shí)驗(yàn)方案、技術(shù)問題等方面開展研討. 學(xué)生通過文獻(xiàn)資料閱讀，以學(xué)術(shù)報(bào)告的形式分享自己閱讀文獻(xiàn)的收獲，并提出研究性問題，互相討論，教師再給予適當(dāng)引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生確定解決方案和后續(xù)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃. 在調(diào)研了多種石墨烯材料的制備方法后，通過組會(huì)討論，確定采用機(jī)械剝離的方式制備樣品，并進(jìn)一步確定選擇制備樣品用的高定向石墨、專用膠帶和硅片等材料. 通過文獻(xiàn)調(diào)研，找到用拉曼光譜的2D峰來(lái)鑒別石墨烯層數(shù)的方法.

2.3 協(xié)作式探究學(xué)習(xí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案涉及從樣品制備到表征測(cè)量多個(gè)環(huán)節(jié)，為確保在1個(gè)學(xué)期內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排，借鑒科學(xué)研究中各個(gè)小組分工合作的模式，將參與實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生分成樣品制備、電極制作、物性測(cè)量3個(gè)小組，每個(gè)小組專攻1個(gè)課題內(nèi)容. 為了保證教學(xué)效果,學(xué)生需要在每周的交流組會(huì)上，詳細(xì)介紹本組的工作進(jìn)展和心得體會(huì)，這樣保證每個(gè)學(xué)習(xí)小組在進(jìn)行探究學(xué)習(xí)時(shí)，能同步了解其他小組的工作，互相學(xué)習(xí). 協(xié)作式研究保證了每個(gè)小組能在自己探究的方向上做得更加深入.

圖1是樣品制備小組在實(shí)驗(yàn)室工作的現(xiàn)場(chǎng). 借助拉曼光譜表征，成功得到了單層和多層的石墨烯樣品，圖2和圖3為不同層數(shù)石墨烯的顯微照片和相應(yīng)的拉曼光譜. 拉曼光譜測(cè)試條件：激光光源Cobolt Samba，波長(zhǎng)532 nm；物鏡Olympus SLMPLN50X，放大率50×，數(shù)值孔徑0.35，焦距3.6 mm；光譜儀iHR550，光柵1 800 mm-1，入射狹縫10 μm，CCD 為1 024×256. 為解決樣品測(cè)量中電極保護(hù)問題，電性能表征的學(xué)生設(shè)計(jì)并制作了專門的電性能測(cè)量轉(zhuǎn)接盒，如圖4所示.

圖1 制備石墨烯樣品時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

(a)樣品1

圖3 不同厚度石墨烯樣品的拉曼光譜

(a)內(nèi)部走線 (b)正面接口 圖4 電性能測(cè)量轉(zhuǎn)接盒

2.4 公共科研平臺(tái)支持

為了做電學(xué)表征，需要在樣品表面制作霍爾電極，其中重要的步驟是光刻，近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)不能提供這個(gè)環(huán)節(jié)所需要的儀器設(shè)備，而物理系科研平臺(tái)的光刻機(jī)屬于公共開放儀器. 學(xué)習(xí)小組的學(xué)生首先通過公共科研平臺(tái)培訓(xùn)掌握了光刻機(jī)的使用方法，然后經(jīng)預(yù)約平臺(tái)獲得使用權(quán)限. 經(jīng)過多輪次的嘗試和探索，成功地完成了在不同厚度石墨烯樣品上制作霍爾電極，最后在PPMS系統(tǒng)上完成了對(duì)樣品的電性能測(cè)量.

圖5是在石墨烯樣品上光刻和鍍膜后得到的電極以及測(cè)量樣品托上的電極引線.

(a)光刻圖

圖6為另外一個(gè)學(xué)期做探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生使用PPMS系統(tǒng)測(cè)量石墨烯樣品在T=2 K時(shí)的縱向電阻和橫向電阻隨磁場(chǎng)變化的曲線. 從圖6中可以看到有明顯的量子化平臺(tái)出現(xiàn).

圖6 T=2 K石墨烯縱向電阻和橫向電阻隨磁場(chǎng)變化

自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，一方面拓展了近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍，可以讓學(xué)生接觸到科研中常用而在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不會(huì)涉及的儀器設(shè)備;另一方面也可以使學(xué)生盡早掌握使用開放儀器的方式和流程.

2.5 學(xué)期總結(jié)

學(xué)期結(jié)束，進(jìn)行口頭答辯，每位學(xué)生除了提交研究報(bào)告外，還要在限定時(shí)間內(nèi)匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)工作，接受教師和同學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)提問. 這種考核方式，不僅豐富了考核內(nèi)容，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生做匯報(bào)和口頭表達(dá)能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)如何在規(guī)定時(shí)間內(nèi)清晰地匯報(bào)工作重點(diǎn)和成果，以及如何抓住現(xiàn)場(chǎng)提問的要點(diǎn)并能準(zhǔn)確作出回答，這對(duì)學(xué)生將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作頗有益處.

學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中收獲很多，部分學(xué)生的總結(jié)摘錄如下：

1)這學(xué)期我在實(shí)驗(yàn)上投入了很多精力，從開始充滿信心到中途充滿困惑，我都有所經(jīng)歷……我認(rèn)為獨(dú)立性的實(shí)驗(yàn)更貼近真正的科研，非常值得參與到其中.

2)最深切的感受是，從理論到實(shí)驗(yàn)的過程中，有很多想不到的細(xì)節(jié)，看似很容易的事情，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)做成并不容易，需要經(jīng)歷很多嘗試、很多失敗、很多思考才能最終完成.

3)在短短一兩個(gè)月之內(nèi)經(jīng)歷了完整的實(shí)驗(yàn)流程，包括從樣品的制備、顯微拉曼儀的使用，到對(duì)樣品進(jìn)行光刻與電鍍，最后在PPMS上對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量. 對(duì)于做理論研究的我而言，很慶幸能有這樣的機(jī)會(huì)經(jīng)歷完整的凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)過程，也很高興能有機(jī)會(huì)使用顯微拉曼儀、光刻機(jī)、PPMS測(cè)量?jī)x等高端的實(shí)驗(yàn)設(shè)備. 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過不斷地思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)方法有了更深入的理解和更好的改進(jìn)，也積累了寶貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn).

4)在實(shí)驗(yàn)中我體會(huì)到了工藝的重要性，特別是機(jī)械剝離法制備石墨烯和光刻過程中，會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的現(xiàn)象，只有嚴(yán)格記錄每次的操作，才能發(fā)現(xiàn)帶來(lái)這些改變的原因，進(jìn)而改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù).

5)在實(shí)驗(yàn)過程中，理論與實(shí)驗(yàn)的碰撞、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累、實(shí)驗(yàn)技能的提高，都能讓我從中體會(huì)到實(shí)驗(yàn)物理的樂趣和驚喜. 在和隊(duì)友合作交流的過程中，我既收獲了友誼，也提高了自己的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通協(xié)調(diào)能力.

3 經(jīng)驗(yàn)分享

石墨烯制備與性能表征實(shí)驗(yàn)的教學(xué)嘗試，將科研探索與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，對(duì)一些感興趣且有能力的學(xué)生，在綜合知識(shí)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，開展自主探究式學(xué)習(xí)，經(jīng)過多個(gè)學(xué)期的嘗試，取得較好的教學(xué)成效. 對(duì)于開放性的自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有以下經(jīng)驗(yàn)分享：

1)項(xiàng)目選題和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)非常重要. 要保證所選的題目與科研前沿和熱點(diǎn)研究相關(guān)，這樣才能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)又要確保所選內(nèi)容的可實(shí)施性，能在1個(gè)教學(xué)周期內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生受到完整的教學(xué)訓(xùn)練；

2)教師和學(xué)生在教學(xué)中的定位要明確. 作為自主性探究實(shí)驗(yàn)，教師前期應(yīng)該作為引領(lǐng)導(dǎo)師，后期作為協(xié)作者，教師為學(xué)生指明大方向，然后要充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探索能力，以學(xué)生為主體，推動(dòng)整個(gè)探究項(xiàng)目發(fā)展. 教師作為協(xié)助者在必要時(shí)要給予學(xué)生指導(dǎo)和幫助，保證在探究學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的主導(dǎo)性和能動(dòng)性；

3)分組協(xié)作式的學(xué)習(xí)模式對(duì)學(xué)生科研能力的培養(yǎng)有非常重要的作用，通過分工協(xié)作，既可以讓學(xué)生感悟到在科學(xué)探究工作中團(tuán)隊(duì)合作的力量，同時(shí)也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)，讓學(xué)生在相互學(xué)習(xí)中共同成長(zhǎng).

4)利用科研公共平臺(tái)儀器也是本教學(xué)案例中非常好的嘗試. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各高校的科研院所都會(huì)建立公共開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這些平臺(tái)主要對(duì)研究生開放，但如果能在本科教學(xué)中合理應(yīng)用這些平臺(tái)，則有助于豐富教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也為學(xué)生將來(lái)從事科研探究工作做了一定的前瞻性訓(xùn)練.

致謝：本文的圖片和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自參與課程學(xué)習(xí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，感謝清華大學(xué)物理系本科學(xué)生胡渝民、王天舒、王允沖、巫梓鵬、李杭哲、毛海寧和工程物理系本科生鄔鴻偉、韓文斌在教學(xué)過程的全力配合以及在實(shí)驗(yàn)工作中付出的努力.