在实验教学中培养学生科学研究的能力

张雯 郝秋艳 解新建

摘要：针对大学生科研能力和动手能力缺乏的现状，在教授“信息材料测试与分析”课程中，借助开展“半导体材料电阻率测量”实验的机会，增加了实验内容和测量数据总量，引入了对数据进行分析研究的内容，使学生在完成一次综合性实验的同时，预演了一次科学研究过程，锻炼了学生的动手能力，培养了学生独立开展科学研究工作的能力。

关键词：科研能力；动手能力；实验；预演

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）36-0053-02

一、引言

经过大学四年的学习和锻炼，独立的科学研究能力[1]是大学生应该具备的基本技能之一。这种独立科学研究能力的培养，很多学校是在毕业设计（论文）阶段进行的，通过指导学生独立完成一次具体的科学研究活动，并取得理想的成绩来获得。但在实际教学活动中，由于学生没有先期的知识和技能的积累，一般都存在如下的一些问题：面对一个研究题目，不知如何开始，不知采用何种研究方法；面对纷繁的实验设备，不知道如何选择和使用；面对大量的实验数据和测量图表，不知道如何进行分析和研究，并得到适当的结论。而对实验过程中出现的一些意外事件，如实验偏差、操作失误、环境改变等，更不知道如何解决[2]。因此，在学生开展毕业设计（论文）工作之前，在所教授的相关专业课程中，有意识地补充相关知识，培养相关实验技能，就显得非常重要了。如果能够在专业课讲授过程中，开设综合实验课，预演部分或者全部的科研工作过程，使学生能在综合实验过程中掌握科研工作的要旨[3]，明确科研工作的真正内涵，就可以为将来的科研工作打下坚实的基础。

我们在讲授“信息材料测试与分析”课程过程中，利用进行实验“半导体材料电阻率测量”的机会，拓展介绍了热历史对半导体硅单晶中杂质行为的影响，引导同学探索热历史对硅单晶电阻率和电子寿命的影响[4]，设计了“热历史对半导体硅单晶电阻率影响”的综合实验，指导学生进行数据处理工作，使学生在实验过程中，体验并预演了一次科学研究过程[5]，锻炼培养了学生的动手能力和科研能力。

二、培养科学研究能力的切入点

在电子工业中，约80%的电子材料是硅材料，包括硅单晶和硅多晶，因此，培养学生的科学研究能力就从研究硅材料的性能开始。本文选择基础的性能参数——电阻率，作为研究的目标，开展相应的研究和教学工作。

电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，是材料最重要的电学性能。其定义是，某种材料制成的长1米、横截面积1平方毫米导线在常温下（20℃时）的电阻，叫做这种材料的电阻率。电阻率的单位是欧姆·米（Ω·m或ohmm）。

1.普通材料电阻率的测量方法。由电阻率的定义可以得知，如果能在实验中测量得到确定长度和横截面积材料的电阻，就可以得知该材料的电阻率。对于导电的金属材料确实可以用测量电阻的方法得到材料的电阻率，但对于半导体材料，使用测电阻从而获得材料电阻率的方法，却存在着极大的困难，因为材料电阻的测量通常都是使用直流电路，利用欧姆定律原理，测量出电阻两端的电势降和通过电阻的电流强度计算出材料的电阻。而当半导体材料接入电子回路时，半导体材料的表面和金属导线间存在着较大的接触电阻，该接触电阻远大于半导体材料本身的电阻，此时，通过电子回路测量得到的电阻不是半导体材料的真实电阻。通常情况下，半导体材料电阻率的测量，需要特殊设计的测量仪器。

2.半导体材料电阻率的测量方法。半导体材料电阻率的测量有三种常用的方法：单探针扩展电阻法、两探针法和四探针法。四探针法是操作简单适应性较好的测量方法[6]，得到了广泛的使用。本次实验，就采用了四探针法测量研究所有单晶硅样品的电阻率。共有11组同学进行了该项实验。

3.影响半导体材料电阻率的因素。硅单晶是由多晶硅原料经熔化结晶冷却形成的，由于单晶体在不同的温区停留了不同的时间，晶体的结晶状态、缺陷状态（包括杂质缺陷、结构缺陷、施主受主缺陷等）和最终的物理化学性质，都受到热历史的影响，因此，研究硅单晶的热历史，将硅单晶置于不同的热场条件下，可以达到去除缺陷、改善性能的目的。不同的热处理工艺是改善硅单晶性能的重要手段。

热历史的研究，一般可以分成两种：一是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行急冷处理，保持硅单晶在该温度点时的状态，研究硅单晶在不同温度点的性能。二是当硅单晶处于不同的温度时，对硅单晶进行缓冷处理，研究硅單晶从某一温度点冷却到室温时，性能的变化情况。急冷可以研究硅单晶的高温状态，但高温状态下对硅单晶进行急冷操作，需要较高的实验技能，需要严格的保护措施，适合由专业的人员进行操作，不适合无经验的学生。缓冷研究，可以考察硅单晶在低于某一温区的条件下性能的变化，因为是常温下的操作，比较容易进行，所以，本课程选择常温缓冷条件，研究热历史对硅单晶性能的影响。

三、综合实验的设计

1.总体思想。根据硅单晶在450℃温度停留较长时间后，会产生热施主效应这一事实，考虑新生施主会影响硅单晶中载流子的种类和数量，另外，硅单晶在空气环境中的热处理，会导致单晶内部氧杂质的状态发生改变，也会影响到单晶表面的羊杂质状态，因此，当硅单晶在450℃停留较长时间后，随着热施主的出现和氧杂质状态的变换，单晶硅的导电能力会发生变化，表现为材料电阻率的变化。据此，我们设计了本次综合实验。

2.实验过程。具体目标是：考察450℃条件下热施主效应，此效应可以通过硅单晶电阻率的变化得到验证。具体工艺是：将测量过电阻率（ρ0）的单晶硅片水洗醇洗烘干后，放在石英舟上，放入电阻炉，快速升温（600℃/h）到450℃，保温4小时，断电，自然冷却到室温，测量样品的电阻率。将测过电阻率的样品表面一层（约10微米）研磨掉，再测电阻率。

3.数据研究。选择典型的实验数据，指导学生对四个样品的四组电阻率数据进行分析研究，找出或推测影响材料电阻率变化的可能因素。确定实验数据产生误差的原因，判断实验技能对实验结果影响的程度。

四、结果与讨论

共有11组同学进行了实验，根据对实验过程的监测和实验结果的研究，笔者选择了四组典型的实验数据汇总。然后，按照这些电阻率测量数据，对学生开展科学研究工作进行了指导。

首先让学生根据各自的实验数据，对数据进行描述，热处理前、热处理后和热处理再研磨掉表层后，样品电阻率的变化情况，只进行客观的描述，再将数据汇总。其次，启发学生回忆与450℃阈值相关的载流子的状态，尤其是热施主的相关知识，什么是热施主，热施主产生的物理基础是什么，硅单晶在450℃热处理为什么会产生热施主，热施主的电学效应，等等。第三，选择四组典型数据进行形象化处理，制成图形，再请同学们分析研究这几组数据的异同点。为什么同样的实验条件，实验结果却不完全一致呢？提示他们，影响电阻率的因素，例如样品本身氧含量、样品的清洁程度、样品的厚度（形状因子）、四探针测量仪的适用范围和产生误差的原因等。第四，根据同学们的讨论和推测，进行归纳总结。经过一系列启发、演示和引导后，学生终于理清了实验数据并进行了研究分析，给出了适当的结论，最终完成了实验，达到了本次實验预期的目的。

五、成果

在此次综合实验中，经过一系列的启发、讲解和逻辑推理过程的演示，使学生掌握了科学研究的初步知识，可以对实验数据进行多角度的分析研究，还可以设计进一步的实验，采取多种研究手段对问题进行研究，对结果进行推理和猜测，在反复验证的基础上，才能获得确实的结论，完成科学研究工作，达到科研的目的。

综合实验取得了较明显的效果。第一，让学生复习了相关的载流子、电阻率、电阻率测量、误差分析等知识，从而在理论知识上有了提高。第二，让学生进行了样品制备、清洁处理、电阻率测量、热处理炉操作等实验工作，掌握并提高了实验技能。第三，对实验数据进行的示范性处理和分析，教会了学生如何进行科学研究工作，明白了测试的目的和对测试结果的分析研究方法，为将来的科学研究工作打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]马元魁.培养大学生科研创新能力的数学实验课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2015，（12）：95-96.

[2]王明权.加强高职学生科研能力的研究与实践[J].中国科技信息，2010，（19）：265-267.

[3]戴波，纪文刚，刘建东，张立新，刘娜.以工程能力培养为主线建构专业人才培养模式[J].高等工程教育研究，2011，（6）：136-140，168.

[4]刘沛津，张俊利，徐英鸽.面向工程型人才培养的电工与电子学课程体系研究[J].教育教学论坛，2013，（25）：206-207.

[5]刘翠红，陈秉岩，王建永.基于学生实践和创新能力培养的实验教学改革[J].科技创新导报，2011，（1）：151-152.

[6]杨德仁，等.半导体材料测试与分析[M].北京：科学出版社，2010.