《薄膜物理与技术》课程教学改革的研究与实践

宋淑梅 孙珲 辛艳青 王昆仑 杨田林

摘要：《薄膜物理与技术》是微电子、光学工程、应用物理学等相关专业本科生重要的专业基础课，其教学目的是使学生掌握薄膜制备技术、薄膜形成与生长、薄膜性能表征、薄膜的性质和应用等薄膜材料与薄膜技术领域的基本知识。针对《薄膜物理与技术》的内容与特点，结合自身教学体会，从完善教学内容、改进教学方法和教学手段等方面进行课程的改革与探索，切实提高教学质量。

关键词：薄膜物理与技术；教学改革；教学内容；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）35-0139-02

一、引言

《薄膜物理与技术》课程主要介绍薄膜材料的制备技术、薄膜的生长机制、薄膜性能表征、薄膜材料及其应用等有关薄膜技术的基本知识，是微电子、光学工程、应用物理、材料物理等专业的专业基础课程。学生通过该课程的学习，掌握薄膜材料与薄膜技术的基本知识和物理原理，为毕业后从事相关领域的科研和工作打下良好的基础。我校为应用物理学专业三年级本科生开设了该课程。由于该课程具有很强的实践性、专业性和前瞻性，传统的课堂教学模式已经不能满足课程的教学要求，在综合我校师资力量和实验设备的基础上，结合自身教学体会，从完善教学内容、改进教学方法和教学手段等方面进行课程的改革与探索。

二、教学内容的选择与更新

《薄膜物理与技术》的教学目标不仅仅是要学生掌握薄膜材料制备技术的原理、薄膜的性质和应用等基本知识，更重要的是希望通过该专业基础课激发学生对科学研究的兴趣，从而关注科学研究进展，培养学生提出问题和解决问题的能力，为今后的学习、工作和研究打下良好的基础。为实现我们的教学目标，在教学内容上需要做出新的选择与更新。

1.优化教材内容。目前主要的薄膜物理方面的教材，除了清华大学出版社出版，田民波和李正操编著的《薄膜技术与薄膜材料》之外，大部分书中都没有详细介绍气体放电和等离子体的内容。我们认为学生了解气体放电和等离子体的基本内容对于学习《薄膜物理与技术》这门课程是非常必要的。另外，目前一部分教材中包含关于薄膜性能表征的内容，而另一部分书中则没有这部分内容。由于有关薄膜物理与技术各种书中内容的差别，我们从我院人才培养的目标出发，研读多部教材，结合我院实验设备的情况，从中筛选优化出真空技术、气体放电和低温等离子体、薄膜的生长、物理气相沉积、化学气相沉积、薄膜的性质、薄膜的性能表征、薄膜材料等内容作为我们的主要教学内容。

2.增加前沿知识。随着光电子和微电子技术的迅速发展，薄膜材料与薄膜制备技术也在高速发展，因此《薄膜物理与技术》课程是与科技前沿密切相关的课程，具有很强的前沿性和先进性[1]。在教学过程中紧跟科学前沿，让学生了解薄膜材料与薄膜技术的新概念、新材料和新技术，为他们日后走上工作岗位或者读研打下良好基础，是我们不懈的追求。因此在教学过程中，除了教材涉及的基本内容之外，还应该把该领域的最新研究进展和科学前沿介绍给学生。

3.引入科研成果。《薄膜物理与技术》课程是在近代科学研究不断发展和积累的基础上发展而来的一门课程，因此课程教学必须紧跟科学研究的步伐。我院从事该课程教学的教师都活跃在科研一线，因此在教学过程中我们努力把课题组的科研方向和成果介绍给学生。例如，我们课题组主要的研究方向超硬薄膜、透明导电薄膜、薄膜晶体管、彩色镀膜玻璃等涉及多类薄膜材料及其在产业中的实际應用，课程教学过程中把这些研究实例与科学的思维和方法介绍给学生，不仅丰富了课堂教学内容，更激发了学生的科研意识，起到了良好的教学效果。我们课题组的研究都需要用到我院磁控溅射、多弧离子镀等薄膜制备设备和X射线衍射、扫描电子显微镜等薄膜性能测试仪器，学生在课堂上学习了这些仪器的原理和用途，通过我们科研内容的介绍和后期在实验室中近距离接触这些仪器，学生能直观感受到从各种各样的仪器到多姿多彩的薄膜样品，这对激发学生的学习热情和兴趣起到了积极的作用。不少学生因此对薄膜材料充满兴趣，慢慢喜欢上了这门与科研、实践、应用紧密相连的课程，很多学生更是通过我校本科生科研立项活动和毕业设计参与到与薄膜制备技术和薄膜材料相关的科研实践中，这对培养学生的创新能力和解决实际问题的能力非常重要。

三、教学方法的改革和创新

1.理论与实验相结合。实验教学是物理教学的重要形式和方法，《薄膜物理与技术》是我院应用物理专业实践性非常强的一门课程。为保证理论与实验的结合，我院根据实验室已有设备，开设《专业实验》课程，针对理论课中涉及的制备方法和表征技术设置实验项目，比如：射频磁控溅射、电子束蒸发、多弧离子镀等薄膜制备实验，台阶仪测量薄膜厚度、X射线衍射分析物质结构、扫描电子显微镜测试薄膜表面形貌、电输运系统测试电学性能、紫外-可见光分光光度计和傅里叶红外光谱仪测试薄膜光学性质、纳米压痕仪测试硬度等薄膜性能表征实验等。通过这些实验的开展，学生对物理气相沉积中的三种主要制备技术蒸发、溅射和离子镀有了更加具体感性的认识，对薄膜的电学、光学、力学等性能和薄膜应用有了深刻的理解。课堂理论教学与实验教学相结合，不仅加深了学生对知识的理解，而且培养了学生的动手能力、科学实验素质和解决实际问题的能力[2]。

2.充分利用多媒体手段。《薄膜物理与技术》课程涉及真空技术、气体放电、薄膜制备方法、薄膜材料和薄膜性能表征等，内容复杂多样，各部分内容之间相对独立，课程缺乏系统性。授课过程中如果仅限于传统教学，学生很容易缺乏兴趣和主动性，只是死记硬背知识点，学习效果欠佳。我们在课堂上充分利用多媒体教学手段，播放相关内容的图片、动画或者视频等，将学习内容简单化、形象化、具体化，不仅有利于学生理解学习内容，而且充分激发了学生的学习热情。为了形象生动地说明各种制备技术的原理，我们的教学PPT中包含了大量的仪器实物图片、仪器原理图片和薄膜制备视频等。在磁控溅射的教学过程中，首先给学生播放我们课题组磁控溅射制备薄膜的视频，展示我们制备的各种各样的薄膜材料，学生对三维的立体材料变为二维的薄膜材料充满好奇，随后教师开始讲授磁控溅射的原理、特点等内容，有效地提高了课堂教学效果。

3.培养学生自主学习能力。现代教育理论认为，学生是受教育的主体，一切教育活动都要服务和服从于主体。在《薄膜物理与技术》的教学过程中，我们会布置2—3个大作业，作业内容涉及薄膜制备技术、薄膜材料及其应用、薄膜性能表征等内容。在大作业完成的过程中，充分体现学生的学习主体地位，发挥学生的主动性和积极性。学生充分利用学校图书馆的电子数据库，查阅国内外文献，最后大作业以PPT或者word文档的形式提交，我们把大作业完成情况记入学生的平时成绩，最终平时成绩记入课程成绩。

四、总结

最近，在2018—2022年教育部高等学校教学指导委员会成立大会上，教育部部长强调，聚焦培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人这一根本使命，要抓住振兴本科教育这一核心，加快构建高水平人才培养体系，全面提高人才培养能力。教育部要求各高校打造有深度、有挑战的“金课”，合理提升课程挑战度和高阶性，切实提高教学质量。通过学习《薄膜物理与技术》这门课程，学生不仅可以掌握薄膜技术及其物理基础，而且可以看到科学的发展永无止境，有更多未知的领域需要他们去探索，从而激发学生的科研兴趣、使命感和责任感，为将来的学习和工作打下坚实的基础。

参考文献：

[1]叶志镇，张银珠，黄靖云，汪雷.以科研促进《薄膜材料技术与物理》专业课程的教学改革[J].材料科学与工程学报，2010，28（3）：474-476.

[2]许波，陈晓平，姬伟，毛彦欣.“信号与系统”课程教学改革思考与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：8-10.