理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生創(chuàng)新能力
——《薄膜科學(xué)與技術(shù)》教學(xué)改革探索

江鳳仙，許小紅

（1.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾；2.山西師范大學(xué) 材料科學(xué)研究院，山西 臨汾）

一 引言

材料是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類物質(zhì)文明和技術(shù)進(jìn)步的重要支柱。舉凡國家的工農(nóng)業(yè)建設(shè)和國防建設(shè)、人民生活水平的提高，無不與材料密切相關(guān)[1]。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展不僅改變了世界，也改變了我們每個(gè)人的生活。我們?nèi)粘Ｉ詈娃k公所使用的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備都朝著更小、更輕、更快和更多功能的方向不斷發(fā)展，而所有這些都離不開薄膜技術(shù)。薄膜技術(shù)是制作電子元器件、電子回路和集成電路的基礎(chǔ)，是制備各種新型功能器件的有效手段，更是實(shí)現(xiàn)器件輕薄短小化、系統(tǒng)集成化和微型化最有效的技術(shù)手段。薄膜材料在微電子和數(shù)據(jù)存儲等許多高技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。要想獲得不同性能的薄膜并使其在重要的技術(shù)領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，首要的任務(wù)就是必須掌握與薄膜相關(guān)的基礎(chǔ)知識與技術(shù)。

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》課程正是建立在薄膜技術(shù)與薄膜材料不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上而形成的一門專業(yè)課程，是很多高校和科研院所、材料物理和電子等專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課[2]。該課程主要介紹薄膜制備的真空技術(shù)基礎(chǔ)、薄膜材料的制備技術(shù)、薄膜的生長過程、薄膜材料的表征方法及其薄膜的應(yīng)用等，旨在讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解薄膜材料與技術(shù)的基礎(chǔ)知識和原理，掌握薄膜材料制備技術(shù)及其工藝，為畢業(yè)后從事相關(guān)領(lǐng)域的科研和工作打下良好基礎(chǔ)。本文將基于作者在《薄膜科學(xué)與技術(shù)》課程中的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及長期從事薄膜材料領(lǐng)域的研究工作，對這門課程的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索，以此來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二 《薄膜科學(xué)與技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀與不足之處

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，除了要求學(xué)生掌握基本的理論知識之外，更重要的是要求學(xué)生掌握薄膜材料制備的各種技術(shù)及工藝，具有一定的動手操作能力。傳統(tǒng)的教學(xué)主要是以教師的課堂講授為主，這種教學(xué)模式很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果較差[3]。隨著現(xiàn)代化教育手段的不斷發(fā)展，教師充分利用多媒體教學(xué)手段，在教學(xué)的過程中引入圖文并茂的PPT、動畫和視頻等進(jìn)行形象化和可視化教學(xué)[4-7]，把獲得真空用的各種真空泵、薄膜制備使用的各種大型儀器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，形象生動地展示在學(xué)生面前，以此來激發(fā)學(xué)生求知的動力，加深對所學(xué)相關(guān)知識的理解，從而提高教學(xué)效果。但是，這些教學(xué)模式都忽略了對學(xué)生實(shí)踐技能的訓(xùn)練。通過以上教學(xué)模式，學(xué)生對薄膜制備使用的各種大型設(shè)備缺乏感性的認(rèn)識，他們沒有接觸過設(shè)備，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理以及整個(gè)真空系統(tǒng)的運(yùn)行情況不是很清楚，更談不上獨(dú)立操作。這在很大程度上限制了學(xué)生創(chuàng)新和科研能力的發(fā)展。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于《薄膜科學(xué)與技術(shù)》課程中學(xué)生實(shí)踐技能的訓(xùn)練需要硬件設(shè)備支持。大多數(shù)薄膜制備需要的真空鍍膜儀、磁控濺射系統(tǒng)、脈沖激光沉積系統(tǒng)等設(shè)備都很昂貴。例如，最簡單的一套電阻絲加熱鍍膜儀都需要十幾萬元，而一套脈沖激光沉積設(shè)備僅激光器就一百多萬元。因此一些高校由于硬件設(shè)備投入的不足，不僅制約了學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的掌握，影響了教學(xué)效果，而且在很大程度上限制了學(xué)生創(chuàng)新和科研能力的發(fā)展。

三 教學(xué)改革探討

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》是一門緊密聯(lián)系實(shí)際、實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。我們以山西師范大學(xué)“磁性分子與磁信息材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“山西先進(jìn)永磁材料與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”和“新型永磁材料山西省研究生教育創(chuàng)新中心”為平臺，在教學(xué)改革過程中，通過多種形式、多種手段充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性。一方面注重學(xué)生理論基礎(chǔ)知識的掌握；另一方面主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能。以此來提高教學(xué)質(zhì)量和效果、提升學(xué)生探索問題的能力和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展對高質(zhì)量人才的需求。為此，我們從以下三個(gè)方面對該課程進(jìn)行教學(xué)改革和探索。

（一）優(yōu)化授課教師團(tuán)隊(duì)

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》主要涉及各種薄膜制備技術(shù)、薄膜生長、表征及應(yīng)用等。隨著薄膜技術(shù)和薄膜材料的不斷發(fā)展，許多新方法、新技術(shù)、新工藝等層出不窮，而每位教師的知識儲備量是有限的，如果讓一位教師從頭到尾把課程的全部內(nèi)容都講解完的話，難免會出現(xiàn)部分內(nèi)容講解不全面和不透徹的現(xiàn)象，教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量較差。鑒于此，在教學(xué)過程中，我們結(jié)合課題組每位教師多年來在教學(xué)和科研方面擅長的內(nèi)容進(jìn)行授課。例如，課程中薄膜制備技術(shù)及工藝的內(nèi)容，我們選擇課題組多年來一直從事薄膜物理氣相沉積、并且分管大型設(shè)備的教師進(jìn)行授課，因?yàn)檫@些教師對薄膜制備的真空基礎(chǔ)知識、設(shè)備的原理、制備工藝以及真空設(shè)備維護(hù)等都很熟悉；課程中薄膜表征技術(shù)的內(nèi)容，我們選擇課題組多年來在X 射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等方面有很深造詣的老師，從樣品制備規(guī)范、測試原理以及數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行詳細(xì)講解，以此來提高教學(xué)效果和質(zhì)量。另外，通過優(yōu)化教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行授課，對學(xué)生還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是他們可以“博采眾長”，達(dá)到提升自我的目的。

（二）課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》是為我校材料物理化學(xué)專業(yè)的研究生開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課程，為保證理論與實(shí)踐有效的結(jié)合，我們將課程教學(xué)分為課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)兩部分，其中實(shí)踐教學(xué)以山西師范大學(xué)“磁性分子與磁信息材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“山西先進(jìn)永磁材料與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”擁有的多種薄膜制備以及表征和測試設(shè)備（例如，電阻式蒸發(fā)鍍膜機(jī)、560 型三室磁控濺射沉積系統(tǒng)、450 型脈沖激光沉積系統(tǒng)、X 射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和激光拉曼光譜儀等）為支撐。在教學(xué)改革和探索中，我們實(shí)行“理論和實(shí)踐結(jié)合三步走”的教學(xué)模式。首先，教師在課堂上運(yùn)用多種教學(xué)手段和方式將課程內(nèi)容形象、生動地講給學(xué)生，增加學(xué)生的理性認(rèn)知；其次，讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，近距離地接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教師在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)地講解設(shè)備的構(gòu)造、原理、功能及其具體操作，且親自示范實(shí)驗(yàn)過程，增加學(xué)生的感性認(rèn)知，以此來加深學(xué)生對課堂上所學(xué)知識的認(rèn)識和理解。“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”；最后，在學(xué)生對設(shè)備、制膜原理及工藝等知識全面理解和掌握的情況下進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐技能，每個(gè)小組自己討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并親自動手實(shí)施。例如，一個(gè)小組設(shè)計(jì)了“用磁控濺射方法制備ZnO 薄膜”的實(shí)驗(yàn)。過程中，組內(nèi)同學(xué)充分發(fā)揮每個(gè)人的優(yōu)點(diǎn)，團(tuán)結(jié)合作，從基片清洗、ZnO 靶材的安裝、真空獲得和測量、輝光放電、工藝參數(shù)的設(shè)定以及濺射成膜等一系列環(huán)節(jié)，都是學(xué)生自己獨(dú)立完成。待每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)都完成后，實(shí)行“以學(xué)生為中心”的課堂討論，選擇幾個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生互相點(diǎn)評，這樣他們可以從中發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)方案，與此同時(shí)，教師對課堂中所講的重點(diǎn)和難點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)過程中存在的共性疑難問題進(jìn)行集中解答。在實(shí)驗(yàn)過程中延伸出的其他實(shí)際問題，可以采用讓學(xué)生先討論教師后講授的方式解決。例如，在用磁控濺射技術(shù)制備ZnO 薄膜的時(shí)候，學(xué)生也可以選擇純度高的金屬Zn靶作為濺射靶材（選擇金屬靶材，一方面可以降低制造成本，另一方面還可以提高薄膜的純度），同時(shí)在工作氣體Ar 中通入適量的活性反應(yīng)氣體O2，這就涉及到一個(gè)常見的實(shí)際問題：靶材中毒。教師可以結(jié)合這一問題，將磁控濺射技術(shù)中靶材的選擇、靶材中毒的原理以及預(yù)防措施等問題進(jìn)行講解，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，而且能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。再如，薄膜制備與技術(shù)中有一個(gè)重要的實(shí)際問題就是真空的維護(hù)，針對這一實(shí)際問題，教師從真空系統(tǒng)中材料的選擇、連接與密封以及提高真空度的方法等方面進(jìn)行講解，可進(jìn)一步拓寬學(xué)生的思維。

采用“課堂理論學(xué)習(xí)—實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐訓(xùn)練—課堂討論”相結(jié)合的教學(xué)模式，一方面加深了學(xué)生對課堂所學(xué)知識的理解，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力。

（三）科研成果融入課堂

教學(xué)和科研是高校培養(yǎng)人才的兩個(gè)重要途徑，教學(xué)是根本，科研是教學(xué)的“源頭活水”。長期從事科學(xué)研究的教師對教學(xué)內(nèi)容的理解和思考更透徹，思維更縝密，教學(xué)很容易做到“深入淺出”，非常有助于學(xué)生的理解。隨著薄膜技術(shù)與薄膜材料的飛速發(fā)展，許多創(chuàng)新性的成果大量涌現(xiàn)，只有將科學(xué)研究的最新成果和動態(tài)融入到課堂教學(xué)中，才能緊跟科學(xué)研究的步伐[8-10]。我們課題組的主要研究方向包括：磁記錄薄膜材料、氧化物薄膜自旋電子學(xué)材料、多功能阻變材料、復(fù)雜氧化物薄膜材料以及二維材料等涉及多種薄膜材料在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。授課團(tuán)隊(duì)教師多年來一直活躍在科研一線，因此，在教學(xué)過程中我們不僅把與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科研成果帶入到課堂教學(xué)中、更把科學(xué)研究的思維方式和方法傳授給學(xué)生，這不僅大大豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生增長了知識，拓寬了視野，更激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情和對新知識的探索。

二維材料因其獨(dú)特的電子、光學(xué)和機(jī)械性能，已成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，二維材料的制備方法有：機(jī)械剝離法、超聲波液相剝離法、離子插層/電化學(xué)剝離法、熱溶液合成法以及化學(xué)氣相沉積（CVD）法等。基于課題組近年來在二維材料方面的科研成果，我們在講授CVD 法制備薄膜的時(shí)候，將課題組及國內(nèi)外利用CVD 法制備二維材料的最新科研成果和動態(tài)引入課堂。薄膜材料作為材料科學(xué)中的一個(gè)重要分支，不僅種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，涉及薄膜的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等多種性質(zhì)。磁記錄薄膜材料就是薄膜磁學(xué)性質(zhì)的典型應(yīng)用。課題組多年來一直從事磁記錄薄膜材料方面的研究，采用磁控濺射技術(shù)制備了垂直取向生長的L10-FePt 和CoPt 薄膜材料，主要對其結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能進(jìn)行了研究，針對垂直磁記錄介質(zhì)面臨的“三難”問題，提出了較好的解決方案。我們在講授薄膜材料的應(yīng)用時(shí)，結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展，將課題組在磁記錄薄膜材料方面取得的代表性研究成果講授給學(xué)生，讓學(xué)生意識到科學(xué)的發(fā)展永無止境，有很多未知的領(lǐng)域等待他們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

將科研成果融入課堂的教學(xué)模式，對學(xué)生和教師都大有益處。這種教學(xué)模式，大大促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對基本理論知識的掌握和理解得到了很大提高，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果也卓有成效，而且對培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力也非常重要。同時(shí)，通過這種模式，授課教師團(tuán)隊(duì)的整體素質(zhì)也得到了提高。

四 結(jié)語

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》是一門理論與實(shí)際緊密聯(lián)系的專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過開展理論與實(shí)踐相融、教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)改革探索，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力，希望為薄膜技術(shù)領(lǐng)域培養(yǎng)出高素質(zhì)的優(yōu)秀創(chuàng)新人才。