創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索

梁少軍,樂 松

(暨南大學(xué) 物理學(xué)系,廣東 廣州 510632)

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的學(xué)科,物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力,為國(guó)家培養(yǎng)具有創(chuàng)新科研思維能力的拔尖人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。物理學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生主要開設(shè)的兩門重要實(shí)驗(yàn)課是“普通物理實(shí)驗(yàn)”和“近代物理實(shí)驗(yàn)”。近代物理實(shí)驗(yàn)主要是近代物理史上對(duì)物理學(xué)發(fā)展影響深遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn),相當(dāng)部分是曾獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)。近代物理實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的綜合性和技術(shù)性,與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系,學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí),可掌握綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技巧并提升實(shí)驗(yàn)技能,學(xué)習(xí)如何使用實(shí)驗(yàn)方法探究物理現(xiàn)象和規(guī)律,對(duì)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、專業(yè)素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)意義重大[2-5]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括課前預(yù)習(xí)并撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告,課中老師講解理論及介紹所用儀器,學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作得到數(shù)據(jù)或驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,最后處理數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)流程主要讓學(xué)生驗(yàn)證和重復(fù)實(shí)驗(yàn),能加深對(duì)近代物理重要理論的理解,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力,提高相互協(xié)作及數(shù)據(jù)處理能力,具有比較明顯的教學(xué)效果[6]。但是,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力及運(yùn)用所掌握實(shí)驗(yàn)方法探究新知能力培養(yǎng)似乎起不到明顯作用。另外,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,大部分同學(xué)按照老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù),根據(jù)操作步驟機(jī)械式實(shí)驗(yàn),缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考。有少數(shù)思維活躍的同學(xué)想跳出既定枯燥實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,卻沒有平臺(tái)支持,這制約了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮和培養(yǎng)。

1 創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)構(gòu)想

基于傳統(tǒng)近代物理實(shí)驗(yàn)局限性,本文提出一種能充分發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新思維,提高學(xué)生創(chuàng)新能力及實(shí)踐能力的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨褌鹘y(tǒng)近代物理實(shí)驗(yàn)與科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,既保留本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的又能發(fā)揮科研實(shí)驗(yàn)作用,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性,也很大限度給學(xué)生提供創(chuàng)新空間,具有很好的教學(xué)效用。目前,高校開展的近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有:X射線衍射物相分析、真空鍍膜、熱電性能測(cè)試、霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)、高溫超導(dǎo)等。近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多,各高校選擇開展的項(xiàng)目也有所不同,且各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是單獨(dú)進(jìn)行,基本上沒有關(guān)聯(lián)性。如果能把一些看似沒有關(guān)聯(lián)但卻有內(nèi)在聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合起來成為一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不僅能提高課堂效率,且將具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o法達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果。基于此,本文提出的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥馨褦?shù)個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目串聯(lián)起來成為一個(gè)新的兼具科研作用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式培養(yǎng)效果,還能進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新素質(zhì)和獨(dú)立自主解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生科研興趣,提高學(xué)生動(dòng)手能力。理論與實(shí)踐相結(jié)合,使得學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中充分利用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題,同時(shí)提高學(xué)生搜集信息,探索新知能力,對(duì)學(xué)生未來發(fā)展意義重大。新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街卦谔骄?是前提下的探索,具有前瞻性,能產(chǎn)生一定的科研訓(xùn)練效果,是本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牧硪粋€(gè)重要功能[7-10]。

2 實(shí)施方案

(1)指導(dǎo)老師給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)要求:從樣品制備,性能表征及結(jié)果分析三個(gè)方面進(jìn)行;從既定的近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選擇至少兩個(gè)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。介紹搜集文獻(xiàn)資料等信息的途徑如web of sciences、中國(guó)知網(wǎng)、谷歌學(xué)術(shù)等。

(2)學(xué)生兩人一組,搜集文獻(xiàn),視頻等多種信息,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備條件等自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

(3)提交實(shí)驗(yàn)方案給指導(dǎo)老師并與指導(dǎo)老師開展討論。指導(dǎo)老師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案提出修改意見,確保實(shí)驗(yàn)方案安全性,可操作性以及可行性從而確定實(shí)驗(yàn)方案。

(4)學(xué)生按實(shí)驗(yàn)方案開展實(shí)驗(yàn)。學(xué)生需通過閱讀說明書及講義等資料提前了解所涉及實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟,指導(dǎo)老師進(jìn)一步講解實(shí)驗(yàn)原理并指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作,確保學(xué)生在遵守安全規(guī)則前提下正確操作。

(5)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后,處理數(shù)據(jù)并用oringin軟件畫數(shù)據(jù)圖,撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

(6)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),歸納并反思如何進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn),獲得更好結(jié)果。

3 實(shí)施過程

3.1 確定實(shí)驗(yàn)方案

本文以采用磁控濺射法制備熱電薄膜材料,并對(duì)其進(jìn)行熱電性能表征及物相分析為例進(jìn)行說明。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程將近代物理實(shí)驗(yàn)中的真空鍍膜,X射線衍射物相分析,熱電性能測(cè)試三個(gè)原本分離的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合,使得實(shí)驗(yàn)過程更加系統(tǒng)化。學(xué)生通過查找文獻(xiàn)并與指導(dǎo)老師討論決定實(shí)驗(yàn)方案:因Bi0.5Sb1.5Te3具有優(yōu)異的常溫?zé)犭娦阅懿⒛苡糜谥谱鳠犭娖骷?故本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法制備Bi0.5Sb1.5Te3基熱電薄膜,通過摻雜Fe調(diào)控薄膜的熱電性能。為了確定制備出來的薄膜樣品是否純相熱電薄膜材料,對(duì)其進(jìn)行X射線衍射物相分析。熱電轉(zhuǎn)換效率用無量綱熱電優(yōu)值ZT來衡量:ZT=S2σT/K,其中S是Seebeck系數(shù),σ是電導(dǎo)率,T是絕對(duì)溫度,K是熱導(dǎo)率;其中功率因子PF=S2σ反映材料的電學(xué)性能,熱電性能測(cè)試主要測(cè)定材料電導(dǎo)率,賽貝克系數(shù)及功率因子[11-14]。學(xué)生在確定實(shí)驗(yàn)方案前通過多種渠道查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,鍛煉了學(xué)生查找整合信息資源能力,使學(xué)生初步了解材料結(jié)構(gòu)以及相關(guān)物理知識(shí),并激發(fā)學(xué)生盡快開展實(shí)驗(yàn)探究的興趣。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料及器材

表1為所用靶材參數(shù),采用1 cm×1 cm石英玻璃作為襯底。本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射系統(tǒng)(JGP-450)制備熱電薄膜,該設(shè)備能雙靶濺射,濺射效率高,穩(wěn)定且可批量制備薄膜樣品;采用紅外快速退火爐對(duì)樣品進(jìn)行退火,該裝置可快速升溫,全方位均勻加熱,控溫準(zhǔn);臺(tái)階儀(Kla-Tencor XP-2)測(cè)量薄膜厚度;采用熱電測(cè)試系統(tǒng)(MRS JouleYacht China)測(cè)量薄膜電導(dǎo)率、賽貝克系數(shù)和功率因子;采用X射線衍射儀(Rigaku Miniflex 600 x)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。

表1 靶材名稱及規(guī)格

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)學(xué)生提前準(zhǔn)備好1 cm×1 cm的石英片,用乙醇、去離子水在超聲清洗儀中清洗10 min,用氮?dú)鈽尨蹈蓚溆?

(2)裝上靶材,把石英片裝到基片架上,放入腔體中抽真空;

(3)當(dāng)真空度優(yōu)于9.9×10-4后開始濺射,用射頻濺射Bi0.5Sb1.5Te3靶,濺射功率120 W,,基片溫度控制在200 ℃,濺射時(shí)間2 h,濺射時(shí)間分別為0、6和12 min,得到三組樣品。

(4)開腔取樣并將制備好的樣品進(jìn)行300 ℃,1 h退火處理。

(5)數(shù)據(jù)表征分析

在開展實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生須自己先去了解實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟,對(duì)實(shí)驗(yàn)流程有初步認(rèn)識(shí)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,指導(dǎo)老師先給學(xué)生介紹設(shè)備構(gòu)造,講解實(shí)驗(yàn)原理和涉及的物理知識(shí),對(duì)學(xué)生前期遇到的問題給予解答,再指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作,確保學(xué)生正確操作,安全操作。學(xué)生在完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程后,同時(shí)理解了真空鍍膜,熱電性能及X射線衍射三個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的儀器構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)原理和操作,在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)的同時(shí)鍛煉了動(dòng)手操作能力,還增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),新實(shí)驗(yàn)更加有趣且更具挑戰(zhàn)性,但并不超出學(xué)生能力范圍,達(dá)到一加一大于二的效果。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)處理分析也是近代物理實(shí)驗(yàn)課程非常重要的一環(huán),Origin具有繪圖和數(shù)據(jù)分析兩大功能,且操作簡(jiǎn)單方便。學(xué)會(huì)Origin軟件畫圖的基本方法及技巧,可提升學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力,提高作圖效率,從而將更多時(shí)間精力放在數(shù)據(jù)分析及物理內(nèi)涵探究上,同時(shí)也為以后的科研工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[15]。

如圖1為Fe摻雜Bi0.5Sb1.5Te3薄膜X射線衍射物相定性分析圖(XRD),所有薄膜樣品特征峰基本上與Bi0.5Sb1.5Te3標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片圖相一致,表明采用磁控濺射法成功制備出目標(biāo)樣品,成功完成了真空鍍膜實(shí)驗(yàn)及X射線衍射實(shí)驗(yàn)。

2θ/(degree)

如圖2為Fe摻雜Bi0.5Sb1.5Te3薄膜電導(dǎo)率隨溫度變化曲線,電導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高,摻12 min Fe后電導(dǎo)率大幅提升;圖3為其賽貝克系數(shù)隨溫度變化曲線圖,430 ℃前,賽貝克系數(shù)隨溫度上升而上升。當(dāng)溫度超過430 ℃,賽貝克系數(shù)隨溫度上升而下降。圖4是薄膜功率因子隨溫度變化曲線圖,隨溫度變化規(guī)律與電導(dǎo)率一致,最終摻雜12 min,Fe明顯提高了功率因子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常成功,讓學(xué)生在動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到提升的前提下大受鼓舞,體會(huì)到成功的喜悅,同時(shí)增強(qiáng)了近代物理實(shí)驗(yàn)興趣以及科研興趣,也加深了學(xué)生對(duì)三個(gè)熱電參數(shù)測(cè)試原理及相互關(guān)系的理解。

T/K

T/K

T/K

3.5 教學(xué)模式深化

第二組同學(xué)可以根據(jù)第一組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步調(diào)整Fe摻雜量進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn),操作流程完全一樣,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一樣,深化了Fe摻雜對(duì)Bi0.5Sb1.5Te3薄膜性能影響探究。第三組同學(xué)可改用Sn進(jìn)行摻雜,實(shí)驗(yàn)操作和前面兩組同學(xué)也相一致,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前面的形成對(duì)比,以此類推……這樣,把原本相互割裂的真空鍍膜,X射線衍射和熱電性能測(cè)試三個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)非常緊密地結(jié)合起來,實(shí)驗(yàn)效果比傳統(tǒng)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單獨(dú)進(jìn)行得更好,更重要的是學(xué)生在進(jìn)行近代物理實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也是在開展科研實(shí)驗(yàn),又有別于具有一定心理壓力的科研,實(shí)現(xiàn)樂學(xué)效果。在充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維前提下,還有可能做出科研成果,可謂一舉多得。

本次創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)把真空鍍膜,X射線衍射和熱電性能測(cè)試三個(gè)實(shí)驗(yàn)合成為一個(gè)實(shí)驗(yàn),包括樣品制備、性能表征和數(shù)據(jù)處理。突破了傳統(tǒng)近代物理實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主的局限,綜合性和探究性較強(qiáng),學(xué)生體驗(yàn)感非常好,提高了學(xué)生對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)的興趣。此外,本實(shí)驗(yàn)還具有科研訓(xùn)練效果,隨著后面實(shí)驗(yàn)的積累,相信可以小有成果。后續(xù)在本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,把其他近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也有機(jī)結(jié)合起來,例如相變分析,X射線衍射、霍爾效應(yīng)、高溫超導(dǎo)等,形成系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)思路,教師不作太多限制,但會(huì)確定大的實(shí)驗(yàn)方向及所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在條件允許確保實(shí)驗(yàn)安全的情況下,學(xué)生都可以多做嘗試,最大限度發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞,教師不過分關(guān)心,但要仔細(xì)分析有哪些是具有積極指導(dǎo)意義的,作為以后深入研究的經(jīng)驗(yàn)積累。重點(diǎn)關(guān)注的是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,并作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整,從中能切切實(shí)實(shí)培養(yǎng)學(xué)生興趣,促進(jìn)學(xué)生思考問題并尋求方法解決問題。更重要的是,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中還能有所產(chǎn)出,有所成就,這過程正是學(xué)生以后步入社會(huì)需要面對(duì)的,對(duì)于學(xué)生將來職業(yè)及人生發(fā)展起到非常積極的作用,這正是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)所追求的。

4 結(jié) 論

本文提出的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)涵蓋真空鍍膜,熱電性能測(cè)試和X射線衍射測(cè)試三個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,能在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,而不是直接替換傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,一舉兩得,非常值得探討和采用,本文提出的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲⒉恢卦趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣,重點(diǎn)在整個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)分析等過程,重心而在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)上,但同時(shí)也達(dá)到科研訓(xùn)練的效果,但這種不以結(jié)果好壞論成敗的科研實(shí)驗(yàn)并不會(huì)給學(xué)生帶來過多壓力,反而能令學(xué)生在比較輕松的氛圍下發(fā)揮創(chuàng)造性思維。創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶寣W(xué)生擺脫枯燥無味的物理實(shí)驗(yàn),提升了實(shí)驗(yàn)興趣,在快樂中學(xué)習(xí)物理知識(shí),并提高創(chuàng)新思維能力。此外,如果前期有這種創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性近代物理實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷,將能把積累到的經(jīng)驗(yàn)及技巧應(yīng)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)及后續(xù)深造和工作中去,將會(huì)事半功倍,取得更好成果。那么將更受益于本創(chuàng)新近代物理實(shí)驗(yàn)。