创新型设计性近代物理实验教学实践探索

梁少军,乐 松

(暨南大学 物理学系,广东 广州 510632)

物理学是以实验为本的学科,物理实验对物理学的发展至关重要。高校实验教学旨在培养学生创新思维能力,为国家培养具有创新科研思维能力的拔尖人才打下坚实基础[1]。物理学相关专业学生主要开设的两门重要实验课是“普通物理实验”和“近代物理实验”。近代物理实验主要是近代物理史上对物理学发展影响深远的实验,相当部分是曾获得过诺贝尔物理学奖的实验。近代物理实验具有很强的综合性和技术性,与现代科学技术紧密联系,学生通过该实验课程的学习,可掌握综合性较强的实验技巧并提升实验技能,学习如何使用实验方法探究物理现象和规律,对学生综合实践能力、专业素养以及创新能力培养意义重大[2-5]。传统实验教学主要包括课前预习并撰写预习报告,课中老师讲解理论及介绍所用仪器,学生实验操作得到数据或验证实验现象,最后处理数据并撰写实验报告。整个流程主要让学生验证和重复实验,能加深对近代物理重要理论的理解,培养学生动手能力,提高相互协作及数据处理能力,具有比较明显的教学效果[6]。但是,传统实验教学方法对于学生创新能力及运用所掌握实验方法探究新知能力培养似乎起不到明显作用。另外,传统实验教学过程中,大部分同学按照老师布置的实验任务,根据操作步骤机械式实验,缺乏对实验的思考。有少数思维活跃的同学想跳出既定枯燥实验内容,却没有平台支持,这制约了学生创造性思维的发挥和培养。

1 创新型设计性近代物理实验构想

基于传统近代物理实验局限性,本文提出一种能充分发挥学生创新思维,提高学生创新能力及实践能力的创新型设计性实验。该实验模式把传统近代物理实验与科研实验相结合,既保留本科实验教学目的又能发挥科研实验作用,充分调动学生实验积极性,也很大限度给学生提供创新空间,具有很好的教学效用。目前,高校开展的近代物理实验项目主要有:X射线衍射物相分析、真空镀膜、热电性能测试、霍尔效应、光电效应、高温超导等。近代物理实验项目较多,各高校选择开展的项目也有所不同,且各实验项目都是单独进行,基本上没有关联性。如果能把一些看似没有关联但却有内在联系的实验项目结合起来成为一个新的实验项目,不仅能提高课堂效率,且将具有传统实验模式无法达到的实验效果。基于此,本文提出的创新型设计性近代物理实验模式能把数个近代物理实验项目串联起来成为一个新的兼具科研作用的实验项目,不仅能实现传统实验教学模式培养效果,还能进一步提高学生的科学创新素质和独立自主解决问题的能力,培养学生科研兴趣,提高学生动手能力。理论与实践相结合,使得学生在整个实验过程中充分利用所学理论知识解决实际问题,同时提高学生搜集信息,探索新知能力,对学生未来发展意义重大。新的实验模式重在探究,是前提下的探索,具有前瞻性,能产生一定的科研训练效果,是本实验模式的另一个重要功能[7-10]。

2 实施方案

(1)指导老师给学生讲解实验要求:从样品制备,性能表征及结果分析三个方面进行;从既定的近代物理实验项目中选择至少两个完成整个实验。介绍搜集文献资料等信息的途径如web of sciences、中国知网、谷歌学术等。

(2)学生两人一组,搜集文献,视频等多种信息,根据实验要求及实验室现有设备条件等自主设计实验方案。

(3)提交实验方案给指导老师并与指导老师开展讨论。指导老师对实验方案提出修改意见,确保实验方案安全性,可操作性以及可行性从而确定实验方案。

(4)学生按实验方案开展实验。学生需通过阅读说明书及讲义等资料提前了解所涉及实验仪器实验原理及操作步骤,指导老师进一步讲解实验原理并指导学生实验操作,确保学生在遵守安全规则前提下正确操作。

(5)学生完成实验后,处理数据并用oringin软件画数据图,撰写实验报告。

(6)对实验结果进行分析总结,归纳并反思如何进一步改进实验,获得更好结果。

3 实施过程

3.1 确定实验方案

本文以采用磁控溅射法制备热电薄膜材料,并对其进行热电性能表征及物相分析为例进行说明。整个实验过程将近代物理实验中的真空镀膜,X射线衍射物相分析,热电性能测试三个原本分离的实验项目有机结合,使得实验过程更加系统化。学生通过查找文献并与指导老师讨论决定实验方案:因Bi0.5Sb1.5Te3具有优异的常温热电性能并能用于制作热电器件,故本实验采用磁控溅射法制备Bi0.5Sb1.5Te3基热电薄膜,通过掺杂Fe调控薄膜的热电性能。为了确定制备出来的薄膜样品是否纯相热电薄膜材料,对其进行X射线衍射物相分析。热电转换效率用无量纲热电优值ZT来衡量:ZT=S2σT/K,其中S是Seebeck系数,σ是电导率,T是绝对温度,K是热导率;其中功率因子PF=S2σ反映材料的电学性能,热电性能测试主要测定材料电导率,赛贝克系数及功率因子[11-14]。学生在确定实验方案前通过多种渠道查阅相关文献资料,锻炼了学生查找整合信息资源能力,使学生初步了解材料结构以及相关物理知识,并激发学生尽快开展实验探究的兴趣。

3.2 实验材料及器材

表1为所用靶材参数,采用1 cm×1 cm石英玻璃作为衬底。本实验采用磁控溅射系统(JGP-450)制备热电薄膜,该设备能双靶溅射,溅射效率高,稳定且可批量制备薄膜样品;采用红外快速退火炉对样品进行退火,该装置可快速升温,全方位均匀加热,控温准;台阶仪(Kla-Tencor XP-2)测量薄膜厚度;采用热电测试系统(MRS JouleYacht China)测量薄膜电导率、赛贝克系数和功率因子;采用X射线衍射仪(Rigaku Miniflex 600 x)对样品进行物相分析。

表1 靶材名称及规格

3.3 实验步骤

(1)学生提前准备好1 cm×1 cm的石英片,用乙醇、去离子水在超声清洗仪中清洗10 min,用氮气枪吹干备用;

(2)装上靶材,把石英片装到基片架上,放入腔体中抽真空;

(3)当真空度优于9.9×10-4后开始溅射,用射频溅射Bi0.5Sb1.5Te3靶,溅射功率120 W,,基片温度控制在200 ℃,溅射时间2 h,溅射时间分别为0、6和12 min,得到三组样品。

(4)开腔取样并将制备好的样品进行300 ℃,1 h退火处理。

(5)数据表征分析

在开展实验前,学生须自己先去了解实验原理及操作步骤,对实验流程有初步认识。学生在实验过程中,指导老师先给学生介绍设备构造,讲解实验原理和涉及的物理知识,对学生前期遇到的问题给予解答,再指导学生实验操作,确保学生正确操作,安全操作。学生在完成整个实验流程后,同时理解了真空镀膜,热电性能及X射线衍射三个近代物理实验项目的仪器构造、实验原理和操作,在学习相关理论知识的同时锻炼了动手操作能力,还增强了学生学习兴趣。对比传统实验,新实验更加有趣且更具挑战性,但并不超出学生能力范围,达到一加一大于二的效果。

3.4 实验结果

数据处理分析也是近代物理实验课程非常重要的一环,Origin具有绘图和数据分析两大功能,且操作简单方便。学会Origin软件画图的基本方法及技巧,可提升学生处理数据的能力,提高作图效率,从而将更多时间精力放在数据分析及物理内涵探究上,同时也为以后的科研工作奠定坚实基础[15]。

如图1为Fe掺杂Bi0.5Sb1.5Te3薄膜X射线衍射物相定性分析图(XRD),所有薄膜样品特征峰基本上与Bi0.5Sb1.5Te3标准PDF卡片图相一致,表明采用磁控溅射法成功制备出目标样品,成功完成了真空镀膜实验及X射线衍射实验。

2θ/(degree)

如图2为Fe掺杂Bi0.5Sb1.5Te3薄膜电导率随温度变化曲线,电导率随着温度的升高而升高,掺12 min Fe后电导率大幅提升;图3为其赛贝克系数随温度变化曲线图,430 ℃前,赛贝克系数随温度上升而上升。当温度超过430 ℃,赛贝克系数随温度上升而下降。图4是薄膜功率因子随温度变化曲线图,随温度变化规律与电导率一致,最终掺杂12 min,Fe明显提高了功率因子。这个实验结果非常成功,让学生在动手能力和创新能力得到提升的前提下大受鼓舞,体会到成功的喜悦,同时增强了近代物理实验兴趣以及科研兴趣,也加深了学生对三个热电参数测试原理及相互关系的理解。

T/K

T/K

T/K

3.5 教学模式深化

第二组同学可以根据第一组同学的实验结果,进一步调整Fe掺杂量进行同样实验,操作流程完全一样,但实验结果不一样,深化了Fe掺杂对Bi0.5Sb1.5Te3薄膜性能影响探究。第三组同学可改用Sn进行掺杂,实验操作和前面两组同学也相一致,但实验结果和前面的形成对比,以此类推……这样,把原本相互割裂的真空镀膜,X射线衍射和热电性能测试三个近代物理实验非常紧密地结合起来,实验效果比传统各实验项目单独进行得更好,更重要的是学生在进行近代物理实验的同时也是在开展科研实验,又有别于具有一定心理压力的科研,实现乐学效果。在充分发挥学生的创新思维前提下,还有可能做出科研成果,可谓一举多得。

本次创新型设计性近代物理实验把真空镀膜,X射线衍射和热电性能测试三个实验合成为一个实验,包括样品制备、性能表征和数据处理。突破了传统近代物理实验以验证性为主的局限,综合性和探究性较强,学生体验感非常好,提高了学生对近代物理实验的兴趣。此外,本实验还具有科研训练效果,随着后面实验的积累,相信可以小有成果。后续在本实验基础上,把其他近代物理实验项目也有机结合起来,例如相变分析,X射线衍射、霍尔效应、高温超导等,形成系列创新实验。对于实验方案,实验思路,教师不作太多限制,但会确定大的实验方向及所涉及的实验项目。在条件允许确保实验安全的情况下,学生都可以多做尝试,最大限度发挥学生的创造性思维。对于实验结果的好坏,教师不过分关心,但要仔细分析有哪些是具有积极指导意义的,作为以后深入研究的经验积累。重点关注的是学生在实验过程中能自己设计实验方案,对实验结果进行分析,并作进一步实验方案调整,从中能切切实实培养学生兴趣,促进学生思考问题并寻求方法解决问题。更重要的是,学生在实验过程中还能有所产出,有所成就,这过程正是学生以后步入社会需要面对的,对于学生将来职业及人生发展起到非常积极的作用,这正是我们实验教学所追求的。

4 结 论

本文提出的创新型设计性近代物理实验涵盖真空镀膜,热电性能测试和X射线衍射测试三个近代物理实验项目,能在传统实验教学模式的基础上实现创新,而不是直接替换传统实验教学模式,一举两得,非常值得探讨和采用,本文提出的创新型设计性近代物理实验模式并不重在实验数据的优劣,重点在整个创新设计、实验过程、数据分析等过程,重心而在近代物理实验教学上,但同时也达到科研训练的效果,但这种不以结果好坏论成败的科研实验并不会给学生带来过多压力,反而能令学生在比较轻松的氛围下发挥创造性思维。创新型设计性近代物理实验模式让学生摆脱枯燥无味的物理实验,提升了实验兴趣,在快乐中学习物理知识,并提高创新思维能力。此外,如果前期有这种创新型设计性近代物理实验经历,将能把积累到的经验及技巧应用到毕业设计及后续深造和工作中去,将会事半功倍,取得更好成果。那么将更受益于本创新近代物理实验。