科研反哺教学在材料物理专业的实践

游才印　付花睿　田娜　葛利玲

[摘要]针对材料物理专业的专业基础课程“固体物理”、“热力学”及“现代分析测试方法”的教学内容，遴选部分本科生参与和上述课程密切相关的磁性功能材料具体科研课题，让学生在科研实践中应用所学知识，通过实践深化和巩固所学知识，为后续专业课的学习打下良好基础，实现教学促进科研，科研反哺教学的目的。

[关键词]科研；教学；共赢

[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]10054634（2015）060064040引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（20102020）》中明确指出，要进一步提高人才培养质量，即牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，着力培养信念执着、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才；支持学生参与科学研究，强化实践教学环节，充分调动学生积极性和主动性，提升科学研究水平[1]。

我国高等教育正处于飞速发展的大众化时期，即高校规模的加速扩大阶段，教学与科研关系的协同发展逐渐失衡并脱节。在我国高等教育从精英化转变为大众化的过程中，科研不仅成为大学实力和地位提升的重要策略，而且成为衡量教师职能的重要标尺。高等院校在实践中很大程度上呈现出重科研、轻教学的现象，虽然学校科研水平获得了较大提高，但教学质量明显下滑。因此，探索科研反哺教学的新思路、新途径是解决上述矛盾，提升教学质量的关键。

时任普鲁士教育大臣的威廉·冯·洪堡首次提出了“教学与科研相统一”的高等教育原则[2]。教学与科研作为目前高校发展的左右两翼，在高校的发展中，二者相互促进、协调发展：首先，教学是培养人才的有效措施，是大学的根本任务，它不仅为科研提供理论结构基础，而且为解决科研中的问题提供一定的思维方式；其次，教师可从科研过程中发掘出新点子和新思想，并将其应用于教学中，使教学过程更有新意和特色，学生则在参与科研的过程中发掘自己的创造力、加深自己对专业知识的学习深度；最后，教学与科研的结合是高素质、创新性人才培养的需要。

针对目前教学与科研厚此薄彼的关系，本次实践探索实现二者共赢的操作方式。图1所示为实践中协调教学科研关系操作途径的循环链。如何确保教学与科研之间相互促进而形成良性互动循环，并且最终达到教学与科研的共同发展，成了关键所在。本次实践，针对材料物理专业的核心基础课程“固体物理”、“热力学”及“现代分析测试方法”的重要知识点，选取“先进磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的制备与表征”科研课题，遴选部分本科生参与科研课题，使得学生在执行课题研究时使用和巩固具体所学知识，授课教师就学生使用知识过程中出现的问题改进教学方法及内容，探索出学以致用、用以助学的具体实践方式。

第6期游才印付花睿田娜葛利玲科研反哺教学在材料物理专业的实践

教学研究2015

1课程知识点与研究课题的关联性

“固体物理”、“热力学”及“现代分析测试方法”为材料物理专业的核心基础课程，能够帮助学生基本理解材料获得各种物理性能的根源，并具备分析检测材料基本结构与性能的技能，有助于学生成长为应用型的创新型工程技术人才。“先进磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的制备与表征”科研课题涉及对具体材料的基本认识、材料生长控制、基本结构和性能的表征、结果的分析和讨论等内容，是上述核心基础课程重要知识点的全面应用，能够很好地体现学生对教学内容的实际理解，使学生在“用”中“学”、“学”为“用”，并且帮助教师改进教学方式及内容，真正实现科研反哺教学的目的。以下简要介绍相关课程的知识体系及涉及课题的关联知识点。

图2、图3与图4分别为是《固体物理》、《热力学》及《现代分析与测试方法》的基本知识结构框架。《固体物理》是凝聚态物理的主干，它是研究物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科，也是一门建立在理论物理基础上，与实际应用密切相关的基础理论课。《热力学》主要是从能量转化的角度研究物质的热性质，从内能的角度揭示物质从一种形式转换为另一种形式时所遵循的宏观规律，包括两种理论：热力学（宏观理论）和分子动力学理论（微观理论）。《现代分析与测试方法》是材料科学以及材料应用检测的重要手段和方法，主要是通过表征材料结构、物理化学性质，从而从理论上理解材料性能优劣的本质原因及其和制备工艺之间的关系，并将指导对材料的进一步改性。前两门核心基础主要涉及重要的基本原理及理论，而后一门核心课程涉及相关的技术及上述基本原理或理论的应用。

“先进磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多层膜的制备与表征”研究课题包含认识Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5、生长相关材料的薄膜、分析薄膜的结构和性能等三方面的主要内容。而只有很好地掌握了《固体物理》中有关“晶体结构、能带理论、电子的输运性质”等相关内容，才能很好地认识Co2FeAl0.5Si0.5合金的晶体结构类型及其特定的物理性能；合金在薄膜生长过程中可能呈现不同的晶体结构，如何控制薄膜的生长或通过后续处理获得所需要的晶体结构，就需要从能量的角度具体分析薄膜的相变及其微观结构演变行为，而这主要涉及了《热力学》的宏观、微观理论的相关内容；显然，上述理论分析均建立在具体的结构和性能表征的基础上，薄膜的相组成及微观结构表征涉及到《现代分析测试方法》中的X射线衍射分析的基本原理、透射电镜的显微及衍射分析等相关内容。此外，执行上述课题并不是孤立地应用上述课程的主要知识点，而是相关知识点的全面综合应用，从而可以训练学生灵活应用所学知识的能力，也对教师理论联系实际及进行具体案例分析的授课方式提出了更高要求。

2实践过程及效果

笔者遴选部分本科生参与上述教学实践，在讲解实践探索目的的基础上细分科研课题内容，也即认识具体材料、生长薄膜及表征薄膜等三个主要环节。依据各课程教学内容的进展安排分阶段介入具体的课题实验，通过学生的实验结果分析报告检验学生对相关知识的掌握程度；并就实验结果分析报告具体情况，开展授课教师和参与学生的具体讨论，总结和改善相关课程的授课方式及内容。教学实践涉及的材料认知、薄膜生长及结构性能表征主要环节的实践过程及效果简介如下。

2.1材料认知

在开始“先进磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多层膜的制备与表征”课题前，首先对Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料应该有最基本的了解，就物质三种形态之一的固体而言，了解其物理和化学性质的基础是充分掌握固体中电子的状态和行为。对于学生，Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料是一种新型材料，通过有关文献可知，对Heusler合金采用第一性原理理论计算，而第一性原理计算是基于密度泛函理论的一种理论计算方法，密度泛函理论计算主要研究体系几何构型、电子结构和磁性能，其基础是固体物理学。故在实践初，教师结合《固体物理》第五章晶体中电子的能带理论中的电子的态函数相关知识，使学生总体了解Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5材料的晶体结构和电子结构以及相关磁性能。另外，学生在《固体物理》的学习中接触到自由电子论和电子的运输性质。课堂上，由于该知识点抽象难理解，教师一般采取略讲模式，但在实际磁性材料的研究中，其相当重要，因为电子的自旋和磁矩以及电子在晶体中的轨道运动决定了晶体的磁学性质。所以，在研究Co2FeAl0.5Si0.5材料的磁性能时，教师结合实际的实验过程，较为深入的融入这部分内容，达到化抽象为具体，为学生后期学习奠定更好的基础。

2.2薄膜生长

采用磁控溅射镀膜技术制备Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5的多层膜沉积状态和平衡相图对应的结构明显不同，而解释此种结构差异涉及到《热力学》课程的核心内容。学生通过《薄膜的制备工艺》课程学习，了解磁控溅射法作为一种物理气相沉积的基本工作原理为：电子与Ar气原子碰撞，电离出Ar+，Ar+在电场作用下轰击靶材，发生溅射，溅射离子沉积在基片上形成薄膜。但对于材料物理专业学生要求不仅仅限于其工作原理，更应该清楚其机理，其本质是一种能量交换及传递的过程，是《热力学》中热运动与机械运动转化知识的体现。故在学生参与本项目研究实践时，一方面，教师将《热力学》中最基本的热运动作为项目研究的引子，为后续过程做准备；另一方面，教师将磁控溅射镀膜技术作为一个例子融入到《热力学》授课过程中。再者，在研究Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5薄膜的磁各向异性时，学生对于磁各向异性的理解仅限于《材料物理性能》教材中“磁体在不同方向具有不同的磁性”，而对其本质却不得而知，其实质是磁体在不同方向磁化时所需能量的差异。教师通过将热力学中能量转换的知识渗入其中，学生不仅可以更好的理解磁性薄膜的磁各向异性能，而且锻炼了知识的链接能力，拓展了思维，即在课本理论知识的学习当中，不再单纯的将各个科目明显的单列出来理解接受，而是会在某一科目学习的同时，发散思维，联系到其他科目，最终使学生接受到的知识更为紧凑，形成一个体系完整、层次清晰的知识网。

2.3结构性能表征

分析测试是学习材料的人所必须必备的基础技能，《现代分析测试方法》是材料学科必修的公共基础课之一，是一门试验方法课，主要讲授X射线衍射分析的基本原理、试验方法及应用，透射电镜、扫描电镜、电子探针显微分析的基本原理与方法及应用。课本上的知识再怎么讲解都是抽象的，只有将课本知识和实践相结合，才能使学生真正掌握课本中的知识。因而，本课程不应局限于就方法而讲方法，要注重培养学生用应用分析方法解决具体问题的能力，并在解决实际问题的实践中逐渐掌握常用的分析方法。

学生参与教师的科研项目，就可以达到知识和实践相结合的目的。对磁性材料Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5多层膜的微观结构表征时，利用XRD分析其晶体结构，教材中讲解了XRD的基本原理、试验方法及应用，但这些都是仅存在于课本上的二维平面知识，学生并不能将这些平面知识有效地和实际相结合。让学生参与科研项目就可以达到应用知识的目的。学生可以从认识XRD设备开始，仪器不再是理论课本中的一张图，而是真实存在的实物，其结构组成直观的呈现在学生的眼前；测得的XRD数据也需要学生根据所学知识自己作图分析和标定等，从而得出样品的结构成分等信息，而不是课堂中单纯的老师传授；再者，在使用XRD时，教师引导学生联系《固体物理》中的晶体结构章节，使学生更好的了解XRD是用以研究晶体的点阵结构为基础的分析方法，加强了学生所学科目之间的衔接与关联。

3结束语

学生参与教师科研项目，就学生而言，在将自主选课所学知识进行实际应用的过程中，知识就不再是平面的，而是以实践为Z轴的三维立体的知识，通过实践深化和巩固所学知识，为后续专业课的学习打下良好基础。同时，教师既可以检验学生的学习效果，又能根据学生实践后所反映的问题，进一步完善专业课的教学方法和内容，从而实现教学促科研、科研反哺教学，达到二者共赢的目的。参考文献

[1] 国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要 （20102020）[EB/OL]. （20100301）[20141128].http：//www.china.com.cn/policy/txt/201003/01/content_19492625_3.htm

[2] 威廉·冯·洪堡.论柏林高等学术机构的内部和外部组织[M].陈洪捷，德国古典大学观及其对中国的影响（修订版）.北京：北京大学出版社，2006：200202.

Practice of scientific research fuelling teaching in major of

materials physics

YOU Caiyin，FU 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