发挥专业实验室的支撑作用 培养材料本科创新人才

张兴元，严 薇，黄佳木，万朝均，覃丽禄

（重庆大学 工程材料实验教学示范中心，重庆 400045）

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》（2010—2020年）中明确提出：“牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，着力培养信念执著、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。”因此，创新人才的培养是当前高等教育的核心内容之一［1－3］。近10 年 来，大 学 生 科 研 训 练 计 划 （简 称SRTP）已经成为培养本科创新人才的重要环节，通过科学研究的初步训练，学生的科学素养和综合能力得到全面提高，同时，在实施对象、研究领域、项目来源、时机安排、情景创设、管理模式等方面也得到有效总结与思考。如何进一步完善大学生科研训练计划的形式与管理，深化大学生科研训练计划的内容与成效，成为各专业实验室培养自身专业本科创新人才不断探索的重要主题［4－16］。

材料类专业是以实验为基础的专业，在材料专业整个培养计划中只有充分发挥专业实验室在人才（各层次的研究生）、仪器设备以及科研项目方面的优势及支撑作用，设计用于SRTP训练的系列项目，并使之成为本科创新人才培养过程中的一个常态化重要环节，才会有利于SRTP项目的实施并取得实效。重庆大学功能薄膜材料实验室为此做了大量工作，在系列创新实验项目设置、SRTP项目管理等方面进行了有益的探索。

1 SRTP创新实验项目的开发

磁控溅射技术作为制备功能薄膜材料的主要手段之一，目前在薄膜制备中得到广泛应用［17］。几乎所有固体材料都能用溅射法制成薄膜，靶材可以是金属、合金、半导体。可以使用两种或两种以上的金属靶材同时溅射制造合金膜；金属靶材溅射过程中通入反应气体，可以制备各类化合物薄膜。总之，磁控溅射技术具有广阔的开发利用空间，可以在较长时间内满足实验项目不断创新的需要。基于上述特点，本实验室利用在磁控溅射制备功能薄膜材料方面积累的研究成果，开发了“磁控溅射制备功能薄膜材料”创新实验系列项目，立足功能薄膜材料的最新前沿科技成果，利用磁控溅射技术一机多用的特点，设计了如下实验内容：

（1）制备氮化物薄膜：包括氮化钛［18］、氮化硅［19］、氮化锆［20］、氮化钽［21］、氮化铝、氮化铜薄膜等；

（2）制备氧化物薄膜：包括各种单晶、多晶和非晶氧化物薄膜，如TiO［22］2、Al2O3、WO［23］3、V2O5、ZnO等；

（3）制备复合薄膜：如碳氮化钛、氮化钛铝薄膜；还设计了多层复合薄膜的制备。

上述部分实验内容的开发本身就有本科生参与其中［18，20－23］。

随着本实验室对磁控溅射技术的进一步开发利用，更多内容的创新实验正在不断地纳入SRTP项目中。

2 SRTP项目的支撑

2.1 建立掌握工艺原理的实验教学队伍

为使进入专业实验室的本科生高质量地完成所承担的SRTP项目，需要一支掌握溅射沉积基本原理、熟悉磁控溅射镀膜工艺、了解整个系统机械、电器控制原理的实验教学队伍对学生进行实验指导。多年来，我们实验室已经形成了由责任教授、工程师、技师以及研究生组成的指导SRTP的项目团队。团队成员大都经历过磁控溅射镀膜成套系统的安装、调试全过程，对设备的组成系统、工作原理、运行环境条件、安全要求、精度控制、主要技术指标等有全面、深入的了解。在SRTP项目实施过程中，教师从磁控溅射仪器的介绍、薄膜的制备工艺原理、实验的具体操作步骤、典型薄膜材料的制备案例等方面向学生进行了详细的介绍，不仅使他们学到了更多的知识，也让他们接受到扎实的创新实验的基本训练，保证了历届SRTP项目均有高质量的成果，使参加项目实验的学生切切实实受到了科学研究的基本训练。

2.2 实验步骤设计与操作规程的制定

实验步骤是实验教学的重要环节。指导教师将磁控溅射制备功能薄膜材料的复杂过程凝练为3大关键步骤，即：基片预处理、真空室抽真空和靶材的起辉与溅射。

磁控溅射技术制备功能薄膜材料的实验流程如图1所示。

图1 磁控溅射制备薄膜的实验流程图

为了使上述实验步骤在实验教学中具有良好的规范性和标准性，各位教师又根据磁控溅射制备功能薄膜材料的工艺流程制定了详细的操作手册，包括JPGF－480磁控溅射镀膜机的开、关机手册，JGP－560B型磁控溅射沉积系统的开、关机手册等。在手册里，严格规定了每一步需操作的按钮，需检查的水电气线路、仪表、指示灯，需控制的位置、压力、时间、流量、温度、功率等，并根据操作经验，列出了18条注意事项。同时，根据上述设备条件、设计的实验步骤、操作规程、实验内容等，编写了《磁控溅射制备功能薄膜材料创新实验指导书》，为“磁控溅射制备功能薄膜材料”创新实验的顺利开展奠定了重要的制度基础。

3 SRTP项目管理

3.1 实验室基础训练程序

为使学生在SRTP项目中受到严格的训练，对于每个项目初进实验室的学生需要进行以下系统的培训：

（1）实验室安全教育。磁控溅射实验室有各种高压气瓶，准备室有各种化学试剂，对气瓶摆放及阀门开关操作要领、火种控制、化学试剂等有严格的要求，使学生意识到实验室安全的重要性，养成良好的习惯是保证整个实验安全、顺利进行的必要条件。多年来，我们一直将实验室安全放在第一位，没有发生一例哪怕微小的实验室安全事故。

（2）设备工作原理及操作规程培训。主要包括真空系统工作原理、溅射镀膜原理、磁控溅射镀膜机的控制系统、各类仪表指示含义、详细的设备操作步骤等。承担SRTP项目进入本实验室的学生，在项目实验完成后，得到的不仅仅是与课题有关的理论及实验方面收获，而且每个人都成为了掌握磁控溅射真空镀膜的工艺原理，熟知整个实验系统操作规程的好手。

（3）典型制膜案例示范讲解。主要包括单层膜和复合膜的制备及其制膜过程中相关工艺参数对膜层质量的影响。

通过严格执行上述3个环节的基本教学，可以给学生打下很好的实验操作基础，使其在独立的实验工作中得心应手地完成项目实验任务。

3.2 科学研究过程训练

作为科学研究的基本训练，承担SRTP项目的学生必须按严格的程序完成文献检索、文献综述、与项目相关的外文翻译、开题报告以及项目研究结题报告等任务。指导教师须根据项目任务书节点，多次组织学生以PPT陈述项目的阶段完成情况。其中文献综述和开题报告是关键，前者通常一周一次报告，最后在文献综述中阐明本课题的国内外研究现状、已经取得的成果、存在问题以及发展趋势；在开题报告中，学生重点针对技术路线、实验方案进行阐述，学生须经过反复的前期实验方得到合理的实验方案。通过SRTP项目正规训练的本科生，其口头表达能力、写作能力、实验动手能力、与人交往能力以及团队协作能力等方面都得到很大提升，学生的科学素养和创新思维在训练前后的差别非常明显，其成效在毕业论文阶段得到充分的体现。

4 结束语

“磁控溅射制备功能薄膜材料”创新实验项目自2007年开始建设实施以来，每学期均面向本科生开设了相关的实验教学内容。共承担完成国家大学生创新实验项目、重庆大学大学生科研训练计划（含新型建筑材料与工程重点实验室开放基金项目）项目10项（其中6项被评为优秀项目），先后有包括优异生、重庆大学材料创新实验班学员等20余名本科生受到了“磁控溅射制备功能薄膜材料”创新实验的严格训练，学生在校期间公开发表学术论文12篇（其中SCI 1篇，EI 3篇，CSCD 8篇），申请发明专利3项（已获权1项），取得了很好的本科创新实验教学效果。

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