發揮專業實驗室的支撐作用 培養材料本科創新人才

張興元，嚴 薇，黃佳木，萬朝均，覃麗祿

（重慶大學 工程材料實驗教學示范中心，重慶 400045）

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》（2010—2020年）中明確提出：“牢固確立人才培養在高校工作中的中心地位，著力培養信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才。”因此，創新人才的培養是當前高等教育的核心內容之一［1－3］。近10 年 來，大 學 生 科 研 訓 練 計 劃 （簡 稱SRTP）已經成為培養本科創新人才的重要環節，通過科學研究的初步訓練，學生的科學素養和綜合能力得到全面提高，同時，在實施對象、研究領域、項目來源、時機安排、情景創設、管理模式等方面也得到有效總結與思考。如何進一步完善大學生科研訓練計劃的形式與管理，深化大學生科研訓練計劃的內容與成效，成為各專業實驗室培養自身專業本科創新人才不斷探索的重要主題［4－16］。

材料類專業是以實驗為基礎的專業，在材料專業整個培養計劃中只有充分發揮專業實驗室在人才（各層次的研究生）、儀器設備以及科研項目方面的優勢及支撐作用，設計用于SRTP訓練的系列項目，并使之成為本科創新人才培養過程中的一個常態化重要環節，才會有利于SRTP項目的實施并取得實效。重慶大學功能薄膜材料實驗室為此做了大量工作，在系列創新實驗項目設置、SRTP項目管理等方面進行了有益的探索。

1 SRTP創新實驗項目的開發

磁控濺射技術作為制備功能薄膜材料的主要手段之一，目前在薄膜制備中得到廣泛應用［17］。幾乎所有固體材料都能用濺射法制成薄膜，靶材可以是金屬、合金、半導體。可以使用兩種或兩種以上的金屬靶材同時濺射制造合金膜；金屬靶材濺射過程中通入反應氣體，可以制備各類化合物薄膜。總之，磁控濺射技術具有廣闊的開發利用空間，可以在較長時間內滿足實驗項目不斷創新的需要。基于上述特點，本實驗室利用在磁控濺射制備功能薄膜材料方面積累的研究成果，開發了“磁控濺射制備功能薄膜材料”創新實驗系列項目，立足功能薄膜材料的最新前沿科技成果，利用磁控濺射技術一機多用的特點，設計了如下實驗內容：

（1）制備氮化物薄膜：包括氮化鈦［18］、氮化硅［19］、氮化鋯［20］、氮化鉭［21］、氮化鋁、氮化銅薄膜等；

（2）制備氧化物薄膜：包括各種單晶、多晶和非晶氧化物薄膜，如TiO［22］2、Al2O3、WO［23］3、V2O5、ZnO等；

（3）制備復合薄膜：如碳氮化鈦、氮化鈦鋁薄膜；還設計了多層復合薄膜的制備。

上述部分實驗內容的開發本身就有本科生參與其中［18，20－23］。

隨著本實驗室對磁控濺射技術的進一步開發利用，更多內容的創新實驗正在不斷地納入SRTP項目中。

2 SRTP項目的支撐

2.1 建立掌握工藝原理的實驗教學隊伍

為使進入專業實驗室的本科生高質量地完成所承擔的SRTP項目，需要一支掌握濺射沉積基本原理、熟悉磁控濺射鍍膜工藝、了解整個系統機械、電器控制原理的實驗教學隊伍對學生進行實驗指導。多年來，我們實驗室已經形成了由責任教授、工程師、技師以及研究生組成的指導SRTP的項目團隊。團隊成員大都經歷過磁控濺射鍍膜成套系統的安裝、調試全過程，對設備的組成系統、工作原理、運行環境條件、安全要求、精度控制、主要技術指標等有全面、深入的了解。在SRTP項目實施過程中，教師從磁控濺射儀器的介紹、薄膜的制備工藝原理、實驗的具體操作步驟、典型薄膜材料的制備案例等方面向學生進行了詳細的介紹，不僅使他們學到了更多的知識，也讓他們接受到扎實的創新實驗的基本訓練，保證了歷屆SRTP項目均有高質量的成果，使參加項目實驗的學生切切實實受到了科學研究的基本訓練。

2.2 實驗步驟設計與操作規程的制定

實驗步驟是實驗教學的重要環節。指導教師將磁控濺射制備功能薄膜材料的復雜過程凝練為3大關鍵步驟，即：基片預處理、真空室抽真空和靶材的起輝與濺射。

磁控濺射技術制備功能薄膜材料的實驗流程如圖1所示。

圖1 磁控濺射制備薄膜的實驗流程圖

為了使上述實驗步驟在實驗教學中具有良好的規范性和標準性，各位教師又根據磁控濺射制備功能薄膜材料的工藝流程制定了詳細的操作手冊，包括JPGF－480磁控濺射鍍膜機的開、關機手冊，JGP－560B型磁控濺射沉積系統的開、關機手冊等。在手冊里，嚴格規定了每一步需操作的按鈕，需檢查的水電氣線路、儀表、指示燈，需控制的位置、壓力、時間、流量、溫度、功率等，并根據操作經驗，列出了18條注意事項。同時，根據上述設備條件、設計的實驗步驟、操作規程、實驗內容等，編寫了《磁控濺射制備功能薄膜材料創新實驗指導書》，為“磁控濺射制備功能薄膜材料”創新實驗的順利開展奠定了重要的制度基礎。

3 SRTP項目管理

3.1 實驗室基礎訓練程序

為使學生在SRTP項目中受到嚴格的訓練，對于每個項目初進實驗室的學生需要進行以下系統的培訓：

（1）實驗室安全教育。磁控濺射實驗室有各種高壓氣瓶，準備室有各種化學試劑，對氣瓶擺放及閥門開關操作要領、火種控制、化學試劑等有嚴格的要求，使學生意識到實驗室安全的重要性，養成良好的習慣是保證整個實驗安全、順利進行的必要條件。多年來，我們一直將實驗室安全放在第一位，沒有發生一例哪怕微小的實驗室安全事故。

（2）設備工作原理及操作規程培訓。主要包括真空系統工作原理、濺射鍍膜原理、磁控濺射鍍膜機的控制系統、各類儀表指示含義、詳細的設備操作步驟等。承擔SRTP項目進入本實驗室的學生，在項目實驗完成后，得到的不僅僅是與課題有關的理論及實驗方面收獲，而且每個人都成為了掌握磁控濺射真空鍍膜的工藝原理，熟知整個實驗系統操作規程的好手。

（3）典型制膜案例示范講解。主要包括單層膜和復合膜的制備及其制膜過程中相關工藝參數對膜層質量的影響。

通過嚴格執行上述3個環節的基本教學，可以給學生打下很好的實驗操作基礎，使其在獨立的實驗工作中得心應手地完成項目實驗任務。

3.2 科學研究過程訓練

作為科學研究的基本訓練，承擔SRTP項目的學生必須按嚴格的程序完成文獻檢索、文獻綜述、與項目相關的外文翻譯、開題報告以及項目研究結題報告等任務。指導教師須根據項目任務書節點，多次組織學生以PPT陳述項目的階段完成情況。其中文獻綜述和開題報告是關鍵，前者通常一周一次報告，最后在文獻綜述中闡明本課題的國內外研究現狀、已經取得的成果、存在問題以及發展趨勢；在開題報告中，學生重點針對技術路線、實驗方案進行闡述，學生須經過反復的前期實驗方得到合理的實驗方案。通過SRTP項目正規訓練的本科生，其口頭表達能力、寫作能力、實驗動手能力、與人交往能力以及團隊協作能力等方面都得到很大提升，學生的科學素養和創新思維在訓練前后的差別非常明顯，其成效在畢業論文階段得到充分的體現。

4 結束語

“磁控濺射制備功能薄膜材料”創新實驗項目自2007年開始建設實施以來，每學期均面向本科生開設了相關的實驗教學內容。共承擔完成國家大學生創新實驗項目、重慶大學大學生科研訓練計劃（含新型建筑材料與工程重點實驗室開放基金項目）項目10項（其中6項被評為優秀項目），先后有包括優異生、重慶大學材料創新實驗班學員等20余名本科生受到了“磁控濺射制備功能薄膜材料”創新實驗的嚴格訓練，學生在校期間公開發表學術論文12篇（其中SCI 1篇，EI 3篇，CSCD 8篇），申請發明專利3項（已獲權1項），取得了很好的本科創新實驗教學效果。

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