《薄膜物理与技术》课程教学改革探析

刘亲壮，陈 三，张永兴，李 兵

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

《薄膜物理与技术》课程教学改革探析

刘亲壮，陈 三，张永兴，李 兵

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

随着微电子器件及制造技术的快速发展，薄膜物理与相关制备技术逐渐成为现代理工科大学生必须掌握的一门重要知识.本文分析《薄膜物理与技术》课程教学的内容、特点，以及存在的不足，探讨该课程的教学改革方法，从更新教学内容、更新教学方法、课堂教学与实验相结合等方面给出课程教学改革的建议.

薄膜物理与技术；教学改革；教学内容；教学方法

《薄膜物理与技术》是材料物理专业一门重要的技术基础课程，也是电子器件材料与元器件专业本科专业基础课程.通过这门课程的学习，学生可以初步掌握真空及薄膜的物理基础知识，对真空蒸镀、溅射、化学气相沉积等基本工艺技术有全面的了解，同时还可以对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用有系统的认识.本文结合教学实践经验，对课程的教学内容和教学方法提出一些看法，并进行一些创新尝试和探索.

1 课程教学内容、特点及不足

1.1 课程教学内容

《薄膜物理与技术》主要涉及各种成膜技术和薄膜物理的内容，包括蒸镀、溅射、离子镀、化学气相沉积、溶液镀膜等各种制备薄膜的技术，以及薄膜形成的过程、薄膜的结构和缺陷，薄膜的电学、磁学、力学和半导体性质等.学生通过对本课程的系统学习，能够了解新颖的半导体材料和微电子、光电子高科技的迅速发展，熟悉低维、薄膜材料技术与器件相关工艺等微电子、光电子关键技术，能够掌握常用薄膜材料的制备技术及相关基础知识，使得他们以后在高科技领域学习或工作中发挥重要作用.通过这门课程的教学，不仅要求学生初步掌握真空及薄膜的物理基础，对真空获得、真空测量、气体放电、等离子体物理，离子溅射、薄膜生长等有较深入的了解.对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用有系统的了解，掌握真空蒸镀、溅射、化学气相沉积等基本工艺.而且还要求对迅速发展的薄膜技术有全面的了解，能够使用多种类型薄膜材料的设备、分析多种类型的薄膜的性能，并初步具备开发新设备、制备新材料的创新能力.

1.2 课程教学特点

本课程是一门实用型很强的课程，除要求学生掌握基本的理论知识之外，更重要的是要求学生掌握各种制备薄膜的技术，具备一定的动手操作能力.而传统的课堂教学忽略了对学生实验技能的培养和训练.在课堂上讲述每种制备薄膜技术时，以溅射镀膜为例，通常是先讲述溅射镀膜的原理，溅射镀膜的特点，溅射镀膜的类型，以及溅射镀膜的优点和缺点.由于这种讲述是依靠课堂上直白的说教，学生无法产生较直观的认识，很难调动学生的学习积极性，出现上课注意力不集中、听课不认真的现象，很难收到较好的教学效果.而且学生的动手操作能力也得不到锻炼，无法培养学生研发新设备、新材料的创新研发能力.因此，为取得更好的教学效果，本课程要做到理论课程和实验课程的同步，把实验操作方法、仪器、设备、构造等与课堂理论结合起来，重视实验教学.

1.3 课程教学不足

目前，《薄膜物理与技术》方面的教材国内比较缺乏，很难找到一本较新的优秀教材.国内很多高校使用的教材大多为杨邦朝、王文生1994年编著的《薄膜物理与技术》.薄膜物理与薄膜技术均是正在发展的学科与技术，有关薄膜的性质、薄膜的形成机理的某些内容仍处在探讨之中，薄膜技术也在不断发展与完善之中.如今距此教材的出版已20年，这期间新型材料不断被合成和制备，新的薄膜物理研究成果不断出现，新的薄膜制备技术不断产生.若在教学过程中仍按照老教材照本宣科的讲授，就会出现教学内容缺乏先进性和前沿性，缺乏具有实用性的新技术.例如脉冲激光沉积（PLD）技术，它是各种制备薄膜技术当中使用范围广泛，制膜方法简单、沉积速率较高的一种制备方法.PLD方法由于在1987年成功制备出高质量的高温超导薄膜而引起人们的广泛关注，此后薄膜制备方法得到迅速的发展和广泛的应用.然而在教材中对此种制备方法的介绍却一笔带过，这样就会导致学生所学的内容和现实很难结合起来.

2 教学改革的建议

2.1 更新教学内容

对于《薄膜物理与技术》这门课程，若在讲解过程中采用传统的教学方法，仅仅对各种制备薄膜技术系统性介绍，就会出现讲解内容比较笼统，重点不突出.因此在课程讲授的过程中，一方面增加目前正在发展中的薄膜技术，对薄膜技术的最新发展前沿加以介绍.另一方面，对当前应用广泛的几种薄膜制备加以重点讲解.例如在教学过程中增加PLD、磁控溅射、分子束外延等制备方法和课时，对最新发展动态、制备技术作重点详细地讲解.同时把最新发现的新型薄膜材料的性质，如新型铁基超导材料、多铁性材料、石墨烯等薄膜材料的性质引入到课堂教学内容当中，把薄膜形成机理的最新研究成果增加到教学内容中，从而极大地丰富薄膜物理与技术的课堂教学内容.

2.2 更新教学方法，丰富教学模式

目前被广泛使用的教学模式为黑板板书或者PPT进行授课，很难调动学生的思考积极性，无法激起学生的学习积极性.因而可以利用计算机、多媒体进行形象化、可视化教学，采用不同的颜色、立体的视图，结合大量的图片、视频和动画等资料，把各种复杂的制备薄膜设备的结构以及工作原理，更加生动、形象、逼真地展示在学生面前，可以将抽象的内容形象化，极大地增加学生的学习注意力，提升学生的学习兴趣，加深对所学相关知识的理解和记忆，极大地提高教学效果和教学质量［1］.同时，充分利用我们拥有的优秀教师资源和科研资源，邀请教师通过专题报告的形式把他们的最新研究课题、最新研究成果讲授给学生，使得学生能够接触到薄膜材料科学的前沿理论、最新成果以及最新薄膜制备技术和工艺，拓宽学生的视野，扩大知识面.由于薄膜材料和薄膜制备技术的发展日新月异，除在课堂上讲授新知识外，可以给学生布置一些课外作业，让他们去查阅国内外的文献资料，调研一些新材料的薄膜制备方法，去调研新近发展起来的薄膜制备技术，去分析比较它们的特点，以及制备薄膜材料结构和性质的差异.这样不仅锻炼学生的查阅文献的自学能力和思考能力，而且调动学生们学习的积极性和主动性.

2.3 课堂教学与实验相结合

实验是教学的重要组成部分，对于《薄膜物理与技术》这门课程，在教学讲解的过程中所涉及到的真空蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶等制备薄膜技术，一方面通过开放镀膜实验室，把学生带到实验室，去实地讲解设备的构造，各个部件的功能，并观看薄膜的整个制备过程，可以增加学生的感性认知.另一方面，还可以通过开放实验课题、本科生科研项目、课程设计等实践的形式让学生参与到使用薄膜技术制备薄膜的过程当中来.学生通过查阅相关文献，了解国内外薄膜材料的研究发展现状及存在的问题，结合实验室现有的实验条件，制定出可行的研究方案，并动手实验，对薄膜材料及制备技术产生更深刻的认识［2］.例如，每学期在本科生实验教学中，推行开放性设计实验，在教师的指导下，让学生进行资料收集和实验设计，并独立完成整个实验课题.还对学生开设《材料科学基础》实验课，开设了“磁控溅射制备半导体材料”和“脉冲激光沉积法制备功能氧化物薄膜”实验课，通过实验课中镀膜设备的操作，对薄膜的制备过程有了全面的了解，并且对真空设备具有感观的认识，加深对课堂上所学的薄膜技术基础知识的理解；对于开设的“X射线衍射仪原理与应用”和“扫描电子显微镜的原理及应用”实验课，通过对外延薄膜样品的线性扫面、摇摆曲线和Φ扫描，以及表面形貌等操作，学生不仅能够掌握所制备薄膜的结构表征，还可以加深薄膜生长机理以及薄膜结构缺陷的理解；对于所开设的“稳态/瞬态荧光光谱仪原理与使用”和“材料低温输运性质测试系统的构造与测试”实验课，通过对所制备薄膜的物性测试，可以加深学生对薄膜材料光学、电学、磁学等物理性质的理解.课堂教学与实验相结合不仅可以帮助学生巩固课堂上所学的理论知识，熟悉各种制模技术，而且培养学生的动手能力和科研创新能力.

3 结束语

随着科学技术的快速发展，尤其是微电子器件及制造技术的发展，薄膜材料和薄膜制备技术在当今材料及器件领域占据越来越重要的地位和作用.《薄膜物理与技术》是材料学、物理电子学本科专业一门重要的基础课程，通过对薄膜物理与技术课程多年教学经验积累，结合课程的内容、特点和性质，从教学内容，教学方法和模式，教学与实验相结合等方面进行分析研究和尝试，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解，增强学生的专业素质，培养学生的动手能力和科研创新能力.

［1］武红磊，郭媛.“薄膜物理与技术”课程教学改革的思考［A］.第5届教育教学改革与管理工程学术年会论文集，2012.

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

Exploration of Teaching Reform in Physics and Technology of Thin Films

LIU Qin-zhuang，CHEN San，ZHANG Yong-xing，LI Bing
（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

With the rapid development of microelectronic devices and manufacturing techniques，thin film physics and the preparation techniques are gradually becoming an important course for college students of science and engineering.In this article，the teaching contents，teaching characteristics，and deficiencies of the course of the physics and technology of thin films were analyzed.The teaching reform of this course was ex⁃plored.The suggestions of updating the teaching content，renewing teaching method，and combination of class⁃room teaching and experiment teaching were given.

physics and technology of thin films；teaching reform；teaching contents；teaching methods

G 642.0

C

2095-0691（2015）01-0090-03

2014-09-10

国家自然科学基金项目（11004071）；安徽省教育厅教学研究项目（2012jyxm261）；淮北师范大学教学研究项目（jy14139）

刘亲壮（1981- ），男，安徽萧县人，副教授，主要从事氧化物薄膜材料的教学与科研工作.