畢業設計（論文）開題階段的學習方式探討

陶志闊 薛俊俊

摘要：本科畢業設計（論文）是大學本科教學工作的最后一個環節，這一環節持續時間常且極為重要。本文以磁性材料研究相關課題為例，探討了在畢業設計（論文）開題階段，如何引導學生進入該研究領域并進行自主學習，進而完成一份合格的開題報告等相關問題。

關鍵詞：畢業設計（論文），開題報告，磁性材料

中圖分類號：G642.477 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0201-02

本科畢業設計（論文）是本科實踐教學最后一個環節，也是本科教學所有環節中極為重要的一個環節。通過這一環節，學生一方面對前三年半的大學學習進行一個綜合性的回顧，另一方面，對學生在下一步的就業、讀研等也起到了一定的指導作用。對于大部分畢業設計課題而言，其課題直接來源于指導教師的科研項目，其內容與深度與學生前三年的專業知識多少有些脫節，尤其是對于一些剛剛參加工作的青年教師而言，其所擬指導的畢業設計題目往往直接脫胎于博士階段的研究內容，與本科生所掌握的基礎知識具有一定差距。所以，這就需要一個合理的方式使學生快速理解和掌握該課題的研究背景及研究內容，順利開題，同時撰寫出一份合格的本科畢業設計開題報告。

本文就《GaN上Fe3N磁性薄膜材料的結構特性研究》畢業設計課題為例，探索在開題階段，如何使學生從一無所知達到對課題具有一定的理解深度，進而撰寫出合格的開題報告。正如畢業設計題目所述，該課題屬于新材料、新結構研究，該課題的研究目標是對不同條件下制備的Fe3N磁性薄膜基本結構進行研究，采用表征手段有X射線衍射技術（X-ray Diffraction，XRD）、透射電鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）以及原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）等，該課題的參與學生來自筆者所在專業即電子科學與技術專業。

對于該畢業設計課題，首先學生應該明確，該課題屬于自旋電子學的研究領域，而對于一名普通的電子科學與技術的本科生，其三年半的基礎、專業課程基本沒有涉及到該課題方向，所以在文獻調研階段、開題報告撰寫階段很有必要從無到有、循序漸進使學生對該課題內容進行學習。而作為指導教師，僅僅是提供參考文獻是不夠的，在關鍵概念上需要及時進行指導以及擴展閱讀。自旋電子學是一門既傳統又新穎的學科。謂之傳統，因為其脫胎于80年代的磁電子學；謂之新穎，因為伴隨一些新的概念、新的機制、新的材料不斷涌現，該學科在諸多領域都蓬勃發展。對于本專業學生，材料特性研究往往不能引起他們的學習興趣，而器件特性往往更加能夠激發其學習和探索的動力，所以在開題階段宜多多介紹和了解自旋電子學的基本器件以及器件設計發展方向。從最初的自旋閥結構、巨磁電阻效應以及諾貝爾物理學獎，到90年代自旋場效應管的提出，再到自旋轉移力矩效應的發現以及應用，逐步把自旋電子學器件的發展簡史和器件的相關特性介紹給學生，尤其是要介紹相關的器件應用對電子學尤其是微電子學、納電子學領域的推動作用。作為指導教師，在開題階段，可以從以下幾個方面循序漸進指導學生對該課題從總體上進行調研，最終掌握該課題的研究目標和內容。

一、大概念的引入

該畢業設計課題屬于自旋電子學研究領域，學生首先需要了解的就是自旋電子學的概念和研究領域。該專業的本科生在《大學物理》、《量子物理》等課程中接觸過電子自旋的概念，但對電子自旋在電子學中的應用了解很少。作為指導教師，可以簡單的介紹傳統電子學的概念和研究領域，從而引出自旋的相關概念以及自旋電子學的研究領域—自旋電子學主要研究自旋的產生、操控和探測，并著重提出，與本畢業設計密切相關的是上述第一點，即自旋極化電流的產生。

接著，繼續引入自旋極化電流的產生方式：自旋極化電流的產生主要有兩種方式-電學注入和光學注入。對于筆者所在的電子科學與技術專業，其本科生培養方向之一是光電子方向，該方向的學生在本科階段學習過《物理光學》《量子物理》《光電子學》以及《激光原理》等課程，所以對于應用光學注入產生自旋極化電流，學生完全有能力通過文獻調研掌握其相關基本概念；而對于自旋極化電流的電學注入方式，就需要學生進行相關背景專業知識的深入學習。

二、小方向的切入

對自旋電子學以及自旋極化電流相關概念有了一定的了解之后，就可以從鐵磁金屬/半導體（FM/SC）結構這一小方向切入，對課題研究內容進行更加深入的梳理。如果要把鐵磁金屬/半導體這一結構相關概念、相關特性弄清楚，首先必須了解磁性材料相關概念。對于本專業的學生，磁電子學尤其是磁性材料相關內容在專業課程中鮮有涉及，所以指導老師可以略加詳細的進行展開介紹。比如從介紹離子磁性和巡游電子磁性入手，進而介紹磁性材料的分類、磁疇的概念、磁化和退磁化的過程，矯頑力的概念等。

了解了磁性材料基本特性，進而指導學生對自旋極化電流的產生進行學習。這里涉及到兩個重要的概念—自旋極化率和自旋擴散長度。筆者所在專業學生在大二下學期學習了《量子物理》課程，在大三上學期學習了《固體物理》課程，所以可以直接從能帶結構、態密度計算的角度引入自旋極化率的概念、半金屬的概念，并指導學生自行文獻調研一些主要磁性材料的自旋極化率具體數值。而對于第二個概念—自旋擴散長度，學生在大三下學習了《半導體物理與器件》課程，所以可以從半導體中的散射機制入手，直接引入自旋相關散射的概念和內容。有了這幾個相關概念，就可以比較順利的引入鐵磁金屬/半導體這一新型的異質結結構。

三、研究目標的明確

在對自旋極化電流、自旋注入以及磁性材料的基本概念掌握之后，下面可以明確了研究目標—磁性材料的結構特性。本畢業設計課題研究的是Fe3N這一新型磁性材料，其結構比較復雜，需要學生下一定工夫才能搞懂。首先，對于本專業學生，在大三上學期學習了《固體電子導論》這門課程。該課程在開篇即先講授了晶體基本結構、晶格特性等相關內容。Fe3N屬于六角晶系，N原子占據八面體空位，但同時仍存有大量的八面體空位，這對于僅僅接觸過書本知識的學生來講理解起來比較吃力。當然，雖然Fe3N材料的晶體結構比較復雜，但可以從Fe的基本結構、八面體基本單元結構、替位間隙位等概念入手，使學生逐漸對其空間結構建立清晰的圖像。

其次，本畢業設計研究課題需要使用XRD等表征手段對Fe3N材料的晶體結構進行表征，這就需要學生在開題階段對這些表征手段具有一定的了解，同時，在對表征手段進行調研的階段也可以通過對表征手段原理的學習加深對材料晶體結構的理解。對于本畢業設計課題需要用到的幾種表征手段，在學生研究生階段會深入且廣泛的接觸以及使用，但在本科階段對學生來講還是比較陌生。盡管如此，指導教師在此可以在學生結合書本知識進行自我學習的同時，帶領學生去相關的分析測試機構進行參觀學習，使學生在開題階段即對需要使用的分析測試手段有一個比較直觀的理解，這對開題報告研究方案的可行性撰寫、研究內容的充實將會很有幫助。

四、研究內容的細化

在畢業設計開題階段，尤其是在開題報告撰寫過程當中，研究內容的細化這一部分尤其重要。一方面，它反映了學生在開題階段對研究課題研究目標、研究方法的理解。另一方面，也直接影響著學生下一步具體的工作計劃以及實施中具體遇到的問題。對于沒有經過系統科學研究訓練的本科生，對研究目標、研究方法的理解有可能比較片面，所以擬定的研究內容有可能比較膚淺且導致很容易得到預期結果，同時又有可能不切實際導致研究無法進行下去。不管如何，這都能反映了學生在開題階段對研究課題的理解。

所以，作為大學本科教學工作的最后一個環節，本科畢業設計環節的順利進行尤其需要指導老師有效的引導。通過有效引導，學生可以很快進入一個比較陌生甚至從沒有接觸過的研究領域，同時積極的進行自主學習，進而能夠完成一份合格的開題報告。