浅谈电子氧化物制备实验教学的改革与实践

2019-03-02黄传威邹继兆

云南化工 2019年9期

黄传威*，邹继兆

（广东省深圳市特种功能材料重点实验室深圳大学材料学院，广东深圳 518060）

材料的晶体结构决定其性能。由于陶瓷材料设计晶面和晶界等诸多复杂的结构，在理解它们间的结构-性能之间的关联时，需要涉及较多的表征技术和测量手段。当前《材料专业综合设计实验》课程内容侧重电子陶瓷材料的制备。对四年级的本科生，该课程的设置时间较短，难于开展较系统的研究，从而限制了解和掌握材料结构-性能间的关联。随着制备技术的不断发展，电子薄膜材料在科学研究与工程应用方面越来越受到青睐。同时，相对于多晶或陶瓷材料，外延单晶薄膜在制备过程中工艺参数可控性强，晶体结构相对简单，有助于掌握其结构-性能等机理，更适合本科生的初步探索实验。笔者结合自身的科研和教学经验，对《材料专业综合设计实验》中电子氧化物材料的实验课程内容和教学方式进行改革。以单晶电子氧化物薄膜为对象，通过实验前的文献调研和实验设计，提高学生的学习主动性。同时满足当前创新人才的需求，偏重于创新和实践能力的培养[1,2]，使学生在以后的工作中具备更快独立分析解决问题的能力。实验过程中利用激光分子束外延仪等先进仪器直接观察材料的晶体结构变化，提供更直观、高效的实验方式，深入理解氧化物材料的结构-性能关联特性，由此进一步提高教学质量。

1 引导学生自行实验设计

1.1 主动文献查询

提前设置实验背景和问题情境，倡导自学。教师前期讲解相关基本知识，了解电子氧化物薄膜的基本结构和调控方式。由于学生之前选修文献检索与阅读相关课程，已掌握文献检索和管理等科研基本技能。通过小组讨论模式，积极调研主动学习，充分发挥学生的主体作用。同时有利学生了解该研究方向最新进展和提高学生创新能力。

1.2 学生设计实验与互动式教学改革

本实验的主要内容包括以下几部分：实验设计、薄膜材料制备、结构表征、及物理性能测量、数据分析与总结与报告撰写。本实验涉及材料科学基础中晶体结构知识、现代材料表征方法及材料性能测试。本实验目的拟通过薄膜材料的晶体结构变化调控其电子特性。结合文献调研与提前设置的实验目的与要求，学生自己制定制备工艺。根据文献报道，归纳、总结实验注意事项。教师及时参与和跟进，指导学生进行实验方案和步骤的设计，对可能出现的结果给予一定的预判，使之了解科学研究的过程和思维方式。同时培训学生发现与处理科学问题的能力。通过上述阶梯式的调整与改进，使学生能扩宽基础知识和实验认知的同时，提高学生分析问题、解决问题能力。

2 基于激光分子束外延仪镀膜的实验改革

就氧化物薄膜材料而言，目前包括磁控溅射、化学气相沉淀和激光脉冲沉积等方法。与传统陶瓷实验相比，我们的设计实验课程主要体现以下特点：1）教学目的方面---我们的实验不是一般传统意义上的验证性实验，而是强调锻炼学生的动手能力，同时诱导学生科学研究的潜力，注重其科研素质的培养；2）实验制备方面---该实验依托本单位重点实验室的配备反射高能电子

衍射仪（RHEED）的激光脉沉积仪，可以实现单晶薄膜的高效制备。由此可以有效避免或减少向晶粒，晶界等其他因素对材料性能的影响，从而让学生更直观理解材料结构-性能的关联。同时该先进设备可实时监测该薄膜材料的生长情况（如图1）图中清晰的衍射斑纹和震荡曲线证明制备过程中薄膜材料为共轭单晶生长。

可以根据衍射图案的大小和形状实时监控薄膜材料的生长模式和晶格大小与晶向。如果实验制备中该衍射图案消失（或者RHEED 强度震荡曲线消失），表明薄膜制备失败，我们立刻停止生长，由此可提高实验效率、避免接下来不必要的表征和测试；3）在材料结构与物理性能的预判过程中，由于影响单晶薄膜结构的参数减少，学生就少量相互独立的实验变量（比如：薄膜厚度、受应力状态、表面粗糙度）开展调控，更高效直观研究该材料的晶体结构与物理性能间的关系。

3 考核方式改革

传统的实验教学基本上都是由教师统一的教材、仪器、实验流程和实验报告要求。学生以照方抓药式被动学习，走马观花完成实验课程，其主动性和创新思维受到很大束缚[2-4]。该研究不仅改革传统的实验教学方法，更强调实验效果，要求学生对该实验的真正理解。所以在实验教学质量考核上，采用多种方式相结合的评价体系。首先，实验报告撰写体现学生对实验的基本理解，保证成绩评定的客观性和公正性。同时提倡主动、个性化教学，鼓励学生自己制定方案，提高实验课程的参与、重视程度。最后系统评价学生在整个实验中前期调研与自主性、实验操作规范性、数据处理和归纳总结能力，由此提高学生的综合设计能力，为以后走上工作岗位后上手快、动手能力强、具备独立解决问题的能力。

1）主动问题调研和独立设计：对于本实验——《材料专业综合设计实验》，强调主动学习与自行设计。这种考核方式充分发挥学生的主体作用，提高学生独立解决问题的能力。所以在教学质量评价中，强调学生在实验过程中表现，以及在实验总结的体现。

2）弹性实验流程与制备过程：进行示范性操作，帮助学生掌握制备基本的实验方法和技能。同时根据各自的实验设计，合理调整实验参数，有利于学生对实验的理解，制备技术的掌控，以及薄膜结构与性能的调控。

3）总结能力：实验报告总结实验数据和规律，这是实验基本要求。同时鼓励对整个实验流程（前期调研、实验方案设计、制备与表征测试、数据处理与总结报告）的总结，使学生具有提出-分析-解决实际问题的能力。所以，该实验最终考核更侧重考察学生对该薄膜材料的结构-性能的综合理解。