科研反哺教學(xué)在材料物理專業(yè)的實踐

游才印　付花睿　田娜　葛利玲

[摘要]針對材料物理專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程“固體物理”、“熱力學(xué)”及“現(xiàn)代分析測試方法”的教學(xué)內(nèi)容，遴選部分本科生參與和上述課程密切相關(guān)的磁性功能材料具體科研課題，讓學(xué)生在科研實踐中應(yīng)用所學(xué)知識，通過實踐深化和鞏固所學(xué)知識，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，實現(xiàn)教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)的目的。

[關(guān)鍵詞]科研；教學(xué)；共贏

[中圖分類號]G642.4[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2015）060064040引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（20102020）》中明確指出，要進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，即牢固確立人才培養(yǎng)在高校工作中的中心地位，著力培養(yǎng)信念執(zhí)著、品德優(yōu)良、知識豐富、本領(lǐng)過硬的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才；支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動學(xué)生積極性和主動性，提升科學(xué)研究水平[1]。

我國高等教育正處于飛速發(fā)展的大眾化時期，即高校規(guī)模的加速擴(kuò)大階段，教學(xué)與科研關(guān)系的協(xié)同發(fā)展逐漸失衡并脫節(jié)。在我國高等教育從精英化轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟊娀倪^程中，科研不僅成為大學(xué)實力和地位提升的重要策略，而且成為衡量教師職能的重要標(biāo)尺。高等院校在實踐中很大程度上呈現(xiàn)出重科研、輕教學(xué)的現(xiàn)象，雖然學(xué)校科研水平獲得了較大提高，但教學(xué)質(zhì)量明顯下滑。因此，探索科研反哺教學(xué)的新思路、新途徑是解決上述矛盾，提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

時任普魯士教育大臣的威廉·馮·洪堡首次提出了“教學(xué)與科研相統(tǒng)一”的高等教育原則[2]。教學(xué)與科研作為目前高校發(fā)展的左右兩翼，在高校的發(fā)展中，二者相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展：首先，教學(xué)是培養(yǎng)人才的有效措施，是大學(xué)的根本任務(wù)，它不僅為科研提供理論結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而且為解決科研中的問題提供一定的思維方式；其次，教師可從科研過程中發(fā)掘出新點子和新思想，并將其應(yīng)用于教學(xué)中，使教學(xué)過程更有新意和特色，學(xué)生則在參與科研的過程中發(fā)掘自己的創(chuàng)造力、加深自己對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)深度；最后，教學(xué)與科研的結(jié)合是高素質(zhì)、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要。

針對目前教學(xué)與科研厚此薄彼的關(guān)系，本次實踐探索實現(xiàn)二者共贏的操作方式。圖1所示為實踐中協(xié)調(diào)教學(xué)科研關(guān)系操作途徑的循環(huán)鏈。如何確保教學(xué)與科研之間相互促進(jìn)而形成良性互動循環(huán)，并且最終達(dá)到教學(xué)與科研的共同發(fā)展，成了關(guān)鍵所在。本次實踐，針對材料物理專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程“固體物理”、“熱力學(xué)”及“現(xiàn)代分析測試方法”的重要知識點，選取“先進(jìn)磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的制備與表征”科研課題，遴選部分本科生參與科研課題，使得學(xué)生在執(zhí)行課題研究時使用和鞏固具體所學(xué)知識，授課教師就學(xué)生使用知識過程中出現(xiàn)的問題改進(jìn)教學(xué)方法及內(nèi)容，探索出學(xué)以致用、用以助學(xué)的具體實踐方式。

第6期游才印付花睿田娜葛利玲科研反哺教學(xué)在材料物理專業(yè)的實踐

教學(xué)研究2015

1課程知識點與研究課題的關(guān)聯(lián)性

“固體物理”、“熱力學(xué)”及“現(xiàn)代分析測試方法”為材料物理專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，能夠幫助學(xué)生基本理解材料獲得各種物理性能的根源，并具備分析檢測材料基本結(jié)構(gòu)與性能的技能，有助于學(xué)生成長為應(yīng)用型的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。“先進(jìn)磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的制備與表征”科研課題涉及對具體材料的基本認(rèn)識、材料生長控制、基本結(jié)構(gòu)和性能的表征、結(jié)果的分析和討論等內(nèi)容，是上述核心基礎(chǔ)課程重要知識點的全面應(yīng)用，能夠很好地體現(xiàn)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的實際理解，使學(xué)生在“用”中“學(xué)”、“學(xué)”為“用”，并且?guī)椭處煾倪M(jìn)教學(xué)方式及內(nèi)容，真正實現(xiàn)科研反哺教學(xué)的目的。以下簡要介紹相關(guān)課程的知識體系及涉及課題的關(guān)聯(lián)知識點。

圖2、圖3與圖4分別為是《固體物理》、《熱力學(xué)》及《現(xiàn)代分析與測試方法》的基本知識結(jié)構(gòu)框架。《固體物理》是凝聚態(tài)物理的主干，它是研究物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運動形態(tài)，及其相互關(guān)系的科學(xué)。它是物理學(xué)中內(nèi)容極豐富、應(yīng)用極廣泛的分支學(xué)科，也是一門建立在理論物理基礎(chǔ)上，與實際應(yīng)用密切相關(guān)的基礎(chǔ)理論課。《熱力學(xué)》主要是從能量轉(zhuǎn)化的角度研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，從內(nèi)能的角度揭示物質(zhì)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時所遵循的宏觀規(guī)律，包括兩種理論：熱力學(xué)（宏觀理論）和分子動力學(xué)理論（微觀理論）。《現(xiàn)代分析與測試方法》是材料科學(xué)以及材料應(yīng)用檢測的重要手段和方法，主要是通過表征材料結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)，從而從理論上理解材料性能優(yōu)劣的本質(zhì)原因及其和制備工藝之間的關(guān)系，并將指導(dǎo)對材料的進(jìn)一步改性。前兩門核心基礎(chǔ)主要涉及重要的基本原理及理論，而后一門核心課程涉及相關(guān)的技術(shù)及上述基本原理或理論的應(yīng)用。

“先進(jìn)磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多層膜的制備與表征”研究課題包含認(rèn)識Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5、生長相關(guān)材料的薄膜、分析薄膜的結(jié)構(gòu)和性能等三方面的主要內(nèi)容。而只有很好地掌握了《固體物理》中有關(guān)“晶體結(jié)構(gòu)、能帶理論、電子的輸運性質(zhì)”等相關(guān)內(nèi)容，才能很好地認(rèn)識Co2FeAl0.5Si0.5合金的晶體結(jié)構(gòu)類型及其特定的物理性能；合金在薄膜生長過程中可能呈現(xiàn)不同的晶體結(jié)構(gòu)，如何控制薄膜的生長或通過后續(xù)處理獲得所需要的晶體結(jié)構(gòu)，就需要從能量的角度具體分析薄膜的相變及其微觀結(jié)構(gòu)演變行為，而這主要涉及了《熱力學(xué)》的宏觀、微觀理論的相關(guān)內(nèi)容；顯然，上述理論分析均建立在具體的結(jié)構(gòu)和性能表征的基礎(chǔ)上，薄膜的相組成及微觀結(jié)構(gòu)表征涉及到《現(xiàn)代分析測試方法》中的X射線衍射分析的基本原理、透射電鏡的顯微及衍射分析等相關(guān)內(nèi)容。此外，執(zhí)行上述課題并不是孤立地應(yīng)用上述課程的主要知識點，而是相關(guān)知識點的全面綜合應(yīng)用，從而可以訓(xùn)練學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力，也對教師理論聯(lián)系實際及進(jìn)行具體案例分析的授課方式提出了更高要求。

2實踐過程及效果

筆者遴選部分本科生參與上述教學(xué)實踐，在講解實踐探索目的的基礎(chǔ)上細(xì)分科研課題內(nèi)容，也即認(rèn)識具體材料、生長薄膜及表征薄膜等三個主要環(huán)節(jié)。依據(jù)各課程教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)展安排分階段介入具體的課題實驗，通過學(xué)生的實驗結(jié)果分析報告檢驗學(xué)生對相關(guān)知識的掌握程度；并就實驗結(jié)果分析報告具體情況，開展授課教師和參與學(xué)生的具體討論，總結(jié)和改善相關(guān)課程的授課方式及內(nèi)容。教學(xué)實踐涉及的材料認(rèn)知、薄膜生長及結(jié)構(gòu)性能表征主要環(huán)節(jié)的實踐過程及效果簡介如下。

2.1材料認(rèn)知

在開始“先進(jìn)磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多層膜的制備與表征”課題前，首先對Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料應(yīng)該有最基本的了解，就物質(zhì)三種形態(tài)之一的固體而言，了解其物理和化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)是充分掌握固體中電子的狀態(tài)和行為。對于學(xué)生，Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料是一種新型材料，通過有關(guān)文獻(xiàn)可知，對Heusler合金采用第一性原理理論計算，而第一性原理計算是基于密度泛函理論的一種理論計算方法，密度泛函理論計算主要研究體系幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)和磁性能，其基礎(chǔ)是固體物理學(xué)。故在實踐初，教師結(jié)合《固體物理》第五章晶體中電子的能帶理論中的電子的態(tài)函數(shù)相關(guān)知識，使學(xué)生總體了解Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)以及相關(guān)磁性能。另外，學(xué)生在《固體物理》的學(xué)習(xí)中接觸到自由電子論和電子的運輸性質(zhì)。課堂上，由于該知識點抽象難理解，教師一般采取略講模式，但在實際磁性材料的研究中，其相當(dāng)重要，因為電子的自旋和磁矩以及電子在晶體中的軌道運動決定了晶體的磁學(xué)性質(zhì)。所以，在研究Co2FeAl0.5Si0.5材料的磁性能時，教師結(jié)合實際的實驗過程，較為深入的融入這部分內(nèi)容，達(dá)到化抽象為具體，為學(xué)生后期學(xué)習(xí)奠定更好的基礎(chǔ)。

2.2薄膜生長

采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5的多層膜沉積狀態(tài)和平衡相圖對應(yīng)的結(jié)構(gòu)明顯不同，而解釋此種結(jié)構(gòu)差異涉及到《熱力學(xué)》課程的核心內(nèi)容。學(xué)生通過《薄膜的制備工藝》課程學(xué)習(xí)，了解磁控濺射法作為一種物理氣相沉積的基本工作原理為：電子與Ar氣原子碰撞，電離出Ar+，Ar+在電場作用下轟擊靶材，發(fā)生濺射，濺射離子沉積在基片上形成薄膜。但對于材料物理專業(yè)學(xué)生要求不僅僅限于其工作原理，更應(yīng)該清楚其機(jī)理，其本質(zhì)是一種能量交換及傳遞的過程，是《熱力學(xué)》中熱運動與機(jī)械運動轉(zhuǎn)化知識的體現(xiàn)。故在學(xué)生參與本項目研究實踐時，一方面，教師將《熱力學(xué)》中最基本的熱運動作為項目研究的引子，為后續(xù)過程做準(zhǔn)備；另一方面，教師將磁控濺射鍍膜技術(shù)作為一個例子融入到《熱力學(xué)》授課過程中。再者，在研究Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的磁各向異性時，學(xué)生對于磁各向異性的理解僅限于《材料物理性能》教材中“磁體在不同方向具有不同的磁性”，而對其本質(zhì)卻不得而知，其實質(zhì)是磁體在不同方向磁化時所需能量的差異。教師通過將熱力學(xué)中能量轉(zhuǎn)換的知識滲入其中，學(xué)生不僅可以更好的理解磁性薄膜的磁各向異性能，而且鍛煉了知識的鏈接能力，拓展了思維，即在課本理論知識的學(xué)習(xí)當(dāng)中，不再單純的將各個科目明顯的單列出來理解接受，而是會在某一科目學(xué)習(xí)的同時，發(fā)散思維，聯(lián)系到其他科目，最終使學(xué)生接受到的知識更為緊湊，形成一個體系完整、層次清晰的知識網(wǎng)。

2.3結(jié)構(gòu)性能表征

分析測試是學(xué)習(xí)材料的人所必須必備的基礎(chǔ)技能，《現(xiàn)代分析測試方法》是材料學(xué)科必修的公共基礎(chǔ)課之一，是一門試驗方法課，主要講授X射線衍射分析的基本原理、試驗方法及應(yīng)用，透射電鏡、掃描電鏡、電子探針顯微分析的基本原理與方法及應(yīng)用。課本上的知識再怎么講解都是抽象的，只有將課本知識和實踐相結(jié)合，才能使學(xué)生真正掌握課本中的知識。因而，本課程不應(yīng)局限于就方法而講方法，要注重培養(yǎng)學(xué)生用應(yīng)用分析方法解決具體問題的能力，并在解決實際問題的實踐中逐漸掌握常用的分析方法。

學(xué)生參與教師的科研項目，就可以達(dá)到知識和實踐相結(jié)合的目的。對磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多層膜的微觀結(jié)構(gòu)表征時，利用XRD分析其晶體結(jié)構(gòu)，教材中講解了XRD的基本原理、試驗方法及應(yīng)用，但這些都是僅存在于課本上的二維平面知識，學(xué)生并不能將這些平面知識有效地和實際相結(jié)合。讓學(xué)生參與科研項目就可以達(dá)到應(yīng)用知識的目的。學(xué)生可以從認(rèn)識XRD設(shè)備開始，儀器不再是理論課本中的一張圖，而是真實存在的實物，其結(jié)構(gòu)組成直觀的呈現(xiàn)在學(xué)生的眼前；測得的XRD數(shù)據(jù)也需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識自己作圖分析和標(biāo)定等，從而得出樣品的結(jié)構(gòu)成分等信息，而不是課堂中單純的老師傳授；再者，在使用XRD時，教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系《固體物理》中的晶體結(jié)構(gòu)章節(jié)，使學(xué)生更好的了解XRD是用以研究晶體的點陣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分析方法，加強了學(xué)生所學(xué)科目之間的銜接與關(guān)聯(lián)。

3結(jié)束語

學(xué)生參與教師科研項目，就學(xué)生而言，在將自主選課所學(xué)知識進(jìn)行實際應(yīng)用的過程中，知識就不再是平面的，而是以實踐為Z軸的三維立體的知識，通過實踐深化和鞏固所學(xué)知識，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。同時，教師既可以檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，又能根據(jù)學(xué)生實踐后所反映的問題，進(jìn)一步完善專業(yè)課的教學(xué)方法和內(nèi)容，從而實現(xiàn)教學(xué)促科研、科研反哺教學(xué)，達(dá)到二者共贏的目的。參考文獻(xiàn)

[1] 國務(wù)院.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （20102020）[EB/OL]. （20100301）[20141128].http：//www.china.com.cn/policy/txt/201003/01/content_19492625_3.htm

[2] 威廉·馮·洪堡.論柏林高等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部和外部組織[M].陳洪捷，德國古典大學(xué)觀及其對中國的影響（修訂版）.北京：北京大學(xué)出版社，2006：200202.

Practice of scientific research fuelling teaching in major of

materials physics

YOU Caiyin，F(xiàn)U Huarui，TIAN Na，GE Liling

（School of Materials Science and Engineering， Xi′an University of Technology，Xi′an，Shananxi710048，China）

AbstractTeaching and research are the two main functions of universities. In order to cultivate the innovative highquality student， it is significant for teachers in university to explore the practical ways which are helpful for the complementary relations between the teaching and research.This study focuses on the teaching content of the core curriculums in materials physics major， such as “solid state physics"， "thermodynamics" and "modern analytical test methods”.Several undergraduate students of materials physics were invited to carry out the projects of specifically magnetic functional materials. What the students learned from previous teaching could be used in their researches， and the researches help the students to deepen and consolidate the knowledge. The teachers could find the lacks and issues of teaching method and content based on the performance of students during their researches and then accordingly improve the teaching process. It is that the teaching promotes the scientific research and the research fuels the teaching.The ultimate goal of a winwin situation for teaching and research has been achieved.

Key wordsscientific research；teaching；winwin situation