等离子体增强化学气相沉积设备教学模式探究

林圳旭

（韩山师范学院 材料科学与工程学院，广东 潮州 521041）

随着国家创新驱动发展战略纲要、“中国制造2025”、“互联网+”、“一带一路”等重大战略的提出和不断深入实施，以互联网和工业智能为核心的新型经济产业正在蓬勃发展，未来新兴产业的发展需要一大批实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才，因此，新型工程技术人才的培养显得尤为重要。从2011年起，教育部已同意将国内高校新增140个新专业（如新能源材料与器件、功能材料、纳米材料与技术等）确定为国家战略性新兴产业相关本科专业，着手为国家战略性新兴产业发展培养所需高素质专门人才。材料科学与工程专业作为材料学科的重要组成部分，与新能源材料与器件、功能材料、纳米材料与技术等新工科专业有着密切的联系，担负着培养材料工程科技人才的重要任务。地方院校作为培养区域性材料工程科技人才的主阵地，对促进地方经济发展和产业转型升级有重要的支撑作用，因此，深化材料工程教育模式改革创新具有重要的研究意义。本文以等离子体增强化学气相沉积设备教学设计为例，探讨改革等离子体增强化学气相沉积设备实验教学模式和方法，积极寻求和实践创新型材料工程科技人才综合能力培养的新路径和新方法。

等离子体增强化学气相沉积镀膜机是硅基太阳能光伏产业、微电子产业等领域的关键设备，也是目前国内高校在光电功能材料专业方向开设的功能薄膜生长实验的必备仪器，广泛应用于大专院校、科研院所的薄膜材料的科研与小批量薄膜制备。等离子体增强化学气相沉积技术是利用等离子体激活反应前驱气体，采用平板电容式结构，下极板连接温控加热电源用以控制衬底温度，上极板连接射频电源，上下极板之间加有射频电压，使得两极之间产生辉光放电，促使反应气体电离，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应，所形成的等离子体在衬底表面沉积形成薄膜，其设备结构如图1所示。等离子体增强化学气相沉积镀膜机主要由三个模块组成：进气系统、薄膜沉积系统和真空抽气系统。其中，进气系统一般由多个气源和相应的气体流量控制系统组成，针对不同的薄膜材料制备而选择相应的反应气源，例如制备硅基PN结太阳能电池一般选择硼烷/磷烷、硅烷和氢气等作为反应气源，而生长石墨烯材料一般选择甲烷和氢气作为反应气源；薄膜沉积系统一般由反应腔、平板电容式极板、加热系统和射频电源构成；真空抽气系统一般由机械泵和二级真空泵（如罗兹泵，分子泵等）构成。

图1 等离子体增强化学气相沉积设备结构图

由于等离子体增强化学气相沉积镀膜机的设备结构较为复杂，其昂贵的设备价格决定实验室的设备数量必然有限，指导教师人数不多，在教学中，大部分学生只能观察设备，甚至没有机会动手操作仪器，导致学生在该门课程的学习中重理论轻操作，在该门课程中发现大部分学生对仪器的基本结构不熟悉，对操作步骤较为生疏，甚至部分学生只知设备可以干什么却对设备的结构和操作一窍不通，该门课程的教学效果较不理想，此种情况也存在于其他结构复杂大型、数量少的科研实验仪器的教学中，因此，合理安排教学内容和设计实验教学新模式，有助于让学生真正地了解大型科研仪器的基本结构，熟练掌握操作步骤，从而提高其综合专业素养。

针对上述问题，在实际的实验教学中，首先应采用分组教学模式，通过增加实验教学分组减少每次教学人数，让学生能够有充分时间接触镀膜机，能够深入地研究和掌握仪器的构造和操作，避免由于设备数量少造成学生无法动手操作仪器的尴尬情景。由于等离子体增强化学气相沉积镀膜机复杂的设备构造，学生很难在短时间掌握镀膜机的相关知识，为了进一步提高教学的效果和增强教学的专业性，视频教学模式也是一种不错的方法。通过视频拍摄录制教师讲解和操作等离子体增强化学气相沉积镀膜机的整个过程，在课前让学生观看教学视频进行预习或者课后进行复习总结，有助于学生提高对镀膜机原理构造和操作的理解和掌握，进而改善实验训练的效果，同时，该方法也能够减少教师的教学工作量。

此外，由于等离子体增强化学气相沉积系统的真空抽气系统的各个零部件较为精密，对工作环境有严格要求，操作不当容易造成设备损坏；其进气系统存在多组气路，且涉及的气路气体存在易燃易爆的危险性，贸然安排学生操作镀膜机也存在较大的安全隐患。随着计算机教育的普及，虚拟仿真实验教学被广泛地应用于涉及高危或大型科研设备实验教学领域中，虚拟仿真实验教学能够提高学生学习的效率和对学习内容的掌握。在镀膜机的实验教学中引入镀膜机真空实验虚拟仿真系统，虚拟实验环境的各个操作单元，学生登录系统可以独立的操作每个单位并记录实验进程，实时监测记录学生的每一个操作，假如学生出现操作不规范能够及时提醒警示学生进行改正，让学生掌握镀膜机的操作流程和如何通过监测镀膜机的各个仪表及时发现错误操作，线下教学与线上教学相结合，可以避免因为学生操作不当而不及时纠正导致镀膜机的部件损坏，也能够动态地记录分析学生在学习过程遇到的困难，做到因材施教，让学生真正地了解仪器的基本结构和熟练掌握镀膜机的操作步骤。

在此基础上，可以进一步改革该门课程的期末考核方案，改变传统以笔试加实验报告的考试模式，传统的考核模式并不能准确地把握学生对仪器的熟悉掌握程度；结合镀膜机真空实验虚拟仿真系统实时的检测记录学生学习效果，可采用多元化考核评价模式，包括线上学习、实验报告、平时学习成绩和期末上机操作考核，全方位地考核学生对该门课程的掌握程度。通过改革期末考核方案促使学生重视实验课的整个学习过程，做到课前预习、课中思考和课后复习的好习惯，从而提高学生的学习兴趣和积极性。