淺談電子氧化物制備實驗教學的改革與實踐

黃傳威*，鄒繼兆

（廣東省深圳市特種功能材料重點實驗室 深圳大學材料學院，廣東 深圳 518060）

材料的晶體結構決定其性能。由于陶瓷材料設計晶面和晶界等諸多復雜的結構，在理解它們間的結構-性能之間的關聯時，需要涉及較多的表征技術和測量手段。當前《材料專業綜合設計實驗》課程內容側重電子陶瓷材料的制備。對四年級的本科生，該課程的設置時間較短，難于開展較系統的研究，從而限制了解和掌握材料結構-性能間的關聯。隨著制備技術的不斷發展，電子薄膜材料在科學研究與工程應用方面越來越受到青睞。同時，相對于多晶或陶瓷材料，外延單晶薄膜在制備過程中工藝參數可控性強，晶體結構相對簡單，有助于掌握其結構-性能等機理，更適合本科生的初步探索實驗。筆者結合自身的科研和教學經驗，對《材料專業綜合設計實驗》中電子氧化物材料的實驗課程內容和教學方式進行改革。以單晶電子氧化物薄膜為對象，通過實驗前的文獻調研和實驗設計，提高學生的學習主動性。同時滿足當前創新人才的需求，偏重于創新和實踐能力的培養[1,2]，使學生在以后的工作中具備更快獨立分析解決問題的能力。實驗過程中利用激光分子束外延儀等先進儀器直接觀察材料的晶體結構變化，提供更直觀、高效的實驗方式，深入理解氧化物材料的結構-性能關聯特性，由此進一步提高教學質量。

1 引導學生自行實驗設計

1.1 主動文獻查詢

提前設置實驗背景和問題情境，倡導自學。教師前期講解相關基本知識，了解電子氧化物薄膜的基本結構和調控方式。由于學生之前選修文獻檢索與閱讀相關課程，已掌握文獻檢索和管理等科研基本技能。通過小組討論模式，積極調研主動學習，充分發揮學生的主體作用。同時有利學生了解該研究方向最新進展和提高學生創新能力。

1.2 學生設計實驗與互動式教學改革

本實驗的主要內容包括以下幾部分：實驗設計、薄膜材料制備、結構表征、及物理性能測量、數據分析與總結與報告撰寫。本實驗涉及材料科學基礎中晶體結構知識、現代材料表征方法及材料性能測試。本實驗目的擬通過薄膜材料的晶體結構變化調控其電子特性。結合文獻調研與提前設置的實驗目的與要求，學生自己制定制備工藝。根據文獻報道，歸納、總結實驗注意事項。教師及時參與和跟進，指導學生進行實驗方案和步驟的設計，對可能出現的結果給予一定的預判，使之了解科學研究的過程和思維方式。同時培訓學生發現與處理科學問題的能力。通過上述階梯式的調整與改進，使學生能擴寬基礎知識和實驗認知的同時，提高學生分析問題、解決問題能力。

2 基于激光分子束外延儀鍍膜的實驗改革

就氧化物薄膜材料而言，目前包括磁控濺射、化學氣相沉淀和激光脈沖沉積等方法。與傳統陶瓷實驗相比，我們的設計實驗課程主要體現以下特點：1） 教學目的方面---我們的實驗不是一般傳統意義上的驗證性實驗，而是強調鍛煉學生的動手能力，同時誘導學生科學研究的潛力，注重其科研素質的培養；2） 實驗制備方面---該實驗依托本單位重點實驗室的配備反射高能電子

衍射儀（RHEED） 的激光脈沉積儀，可以實現單晶薄膜的高效制備。由此可以有效避免或減少向晶粒，晶界等其他因素對材料性能的影響，從而讓學生更直觀理解材料結構-性能的關聯。同時該先進設備可實時監測該薄膜材料的生長情況（如圖1） 圖中清晰的衍射斑紋和震蕩曲線證明制備過程中薄膜材料為共軛單晶生長。

可以根據衍射圖案的大小和形狀實時監控薄膜材料的生長模式和晶格大小與晶向。如果實驗制備中該衍射圖案消失（或者RHEED 強度震蕩曲線消失），表明薄膜制備失敗，我們立刻停止生長，由此可提高實驗效率、避免接下來不必要的表征和測試；3） 在材料結構與物理性能的預判過程中，由于影響單晶薄膜結構的參數減少，學生就少量相互獨立的實驗變量（比如：薄膜厚度、受應力狀態、表面粗糙度） 開展調控，更高效直觀研究該材料的晶體結構與物理性能間的關系。

3 考核方式改革

傳統的實驗教學基本上都是由教師統一的教材、儀器、實驗流程和實驗報告要求。學生以照方抓藥式被動學習，走馬觀花完成實驗課程，其主動性和創新思維受到很大束縛[2-4]。該研究不僅改革傳統的實驗教學方法，更強調實驗效果，要求學生對該實驗的真正理解。所以在實驗教學質量考核上，采用多種方式相結合的評價體系。首先，實驗報告撰寫體現學生對實驗的基本理解，保證成績評定的客觀性和公正性。同時提倡主動、個性化教學，鼓勵學生自己制定方案，提高實驗課程的參與、重視程度。最后系統評價學生在整個實驗中前期調研與自主性、實驗操作規范性、數據處理和歸納總結能力，由此提高學生的綜合設計能力，為以后走上工作崗位后上手快、動手能力強、具備獨立解決問題的能力。

1） 主動問題調研和獨立設計：對于本實驗——《材料專業綜合設計實驗》，強調主動學習與自行設計。這種考核方式充分發揮學生的主體作用，提高學生獨立解決問題的能力。所以在教學質量評價中，強調學生在實驗過程中表現，以及在實驗總結的體現。

2） 彈性實驗流程與制備過程：進行示范性操作，幫助學生掌握制備基本的實驗方法和技能。同時根據各自的實驗設計，合理調整實驗參數，有利于學生對實驗的理解，制備技術的掌控，以及薄膜結構與性能的調控。

3） 總結能力：實驗報告總結實驗數據和規律，這是實驗基本要求。同時鼓勵對整個實驗流程（前期調研、實驗方案設計、制備與表征測試、數據處理與總結報告） 的總結，使學生具有提出-分析-解決實際問題的能力。所以，該實驗最終考核更側重考察學生對該薄膜材料的結構-性能的綜合理解。

4 結語

通過上述實驗改革，將有效提高學生從實驗設計、數據分析到歸納總結等方面的綜合素質。具體如下：

1） 通過提前設置科學背景和問題，根據文獻調研與閱讀，培養學生獲取前沿知識和問題調研的能力；

2） 通過自行設計實驗內容和步驟，培養學生在實驗過程中解決問題的能力；

3） 通過整個實驗流程的總結，不僅鍛煉撰寫實驗結果的能力，同時考察學生對該實驗的理解能力，培養他們的科研意識和能力。