浅谈工业等离子体原理理论教学与实践结合的重要性

赵洪阳　付秋明　陶洪　马志斌

摘 要 针对工业等离子体原理课程所需要的理论与实践的紧密结合，从教学手段、教学模式和实践教学方面，让学生从被动学习变成主动学习，取得了较好的教学成果。

关键词 工业等离子体原理 教学模式 实践教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.050

Talking about the Importance of Integrating Theory Teaching and

Practice of "Industrial Plasma Principle"

ZHAO Hongyang， FU Qiuming， TAO Hong， MA Zhibin

（College of Materials Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）

Abstract Aiming at the combination of theory and practice required for the industrial plasma principle course， from the aspects of teaching methods， teaching modes， and practical teaching， students can turn from passive learning to active learning and achieve better teaching results.

Keywords industrial plasma principle； teaching mode； practice teaching

0 引言

1808年，Sir Humphry Davy發明了弧光放电，开始了人类对等离子体在科学领域中的研究。1879年，Sir william Crookes把等离子体定义为物质的第四态，即固态、液态、气态、等离子体态。当我们加热一个固体时，在一定温度固态物体变成液态，继续升高温度变为气态，如果我们继续加热升温，单个原子将分裂成许多电子和带正电的离子，形成了物质的第四态——等离子体态。等离子体这个术语是Irving Langmuir在1928年提出的，最原始的定义为离子和电子群的近似电中性的集合体，并且能够对电场和磁场做出响应。工业等离子体中，认为等离子体是由正、负带电粒子组成的、几乎电中性的集合体，并且强烈地与本底中性气体相互作用。因为正负带电粒子的存在，在等离子体的教学中，需要复习电磁场的相关内容，研究带电粒子在电磁场中的行为，以便更好地解释等离子体的整体特性。另外，等离子体是没有任何本证张力或者压力的一种介质，其行为与固体、液体、气体都有本质的区别。不能够用这些常识来解释等离子体中的现象，不能让学生产生思维定式，这样就更难以理解等离子体中的基本现象和原理。

1工业等离子体教学遇到的难点

与等离子体相关的研究和发展具有很大的挑战性，因为等离子体的特性受到大量参量的控制，导致成为一个多变量的问题。另外，由于高动力学温度和能量密度，使得等离子体的实时诊断也变得非常困难。等离子体是一个庞大的科学体系，包括等离子体物理、等离子体化学、等离子体科学或者工程。其中，等离子体物理是物理学科的一个分支，包括支配等离子体行为的基本定律和物理过程，研究分支包括磁流体动力学和电流体动力学；等离子体化学是化学学科的一个分支，研究当存在等离子体时发生的化学反应；等离子体科学或者等离子体工程研究等离子在重要工业装置中的应用，等离子体工程包括等离子体材料加工、等离子体装置的设计和应用等。在工业等离子体中，产生等离子体很容易做到，然而，能够控制等离子体的状态和实时调制等离子体参数，以便将等离子体更好地应用于工业生产中，这是一个重要的课题和工业等离子体领域的难点问题。另外，不同于凝聚态物理研究等离子体的方法，工业等离子体原理的教学中，需要重点让学生掌握等离子体在实际工业生产中的应用，这需要理论和实践的互相结合。记得刚开始上等离子体课程的时候，为了调动同学们的积极性，我告诉大家我们生活中的等离子体，包括闪电、日光灯管、空间电离层，等等。我也让大家踊跃发言，其中一个同学问：“老师，我们能像把空气抓到手中那样，把等离子体握在手中吗？”同学们非常好奇等离子体到底长什么样子，大家的好奇心，也让我觉得授课是一门学问更是一门艺术，大家共同探讨有趣的话题，生动的课程师生都受益匪浅。

等离子体技术与材料的结合是本校材料物理专业人才培养的一个特色。工业等离子体原理讲述等离子体基础知识、工业等离子体工程的原理及物理过程和等离子体在材料合成与加工中的应用，通过该课程的学习，有利于学生掌握等离子体技术在材料学中的应用等知识，对工业等离子体的原理、设计与应用有比较全面的掌握。了解等离子体技术在国内外的发展状况，等离子体工程的社会作用，等离子体的基本定义以及各种等离子体的产生方法，等离子体在材料领域的主要应用等。要求学生理解带电粒子在电磁场中的运动，气体放电的原理，射频、微波与等离子体的相互作用机理，等离子体化学气相沉积、刻蚀、表面改性的原理。课程要求通过学习，能结合实际掌握等离子体的工程应用设计方法。

2教学方法的改革

在课堂教学中，传授的比较局限，往往更多的是原理性的内容，已经在教学改革中，加入了适量的视频，更加生动地讲授工业生产中等离子体发挥的具体作用，以及如何设计等离子体使其更好地应用于工业实践中。结合课程的内容，在课程结束后进行等离子体实验的课程，具体实验包括：微波等离子体化学气相沉积实验、直流电气击穿放电实验——放电原理理解、等离子体参数的测定及帕郉定律的验证。通过该实验课程的训练，对理论课上所学的知识加深认识，培养学生从事科学研究等方面的综合能力，特别是能了解等离子体的产生技术，能利用等离子体技术在材料合成、表面改性、材料加工等方面进行初步的应用。

2.1 学生参与到教学中

一方面，理论的教学内容较为空洞，换位思考，让学生认真听完50分钟的课程，并且全神贯注、思维活跃，这是非常困难的事情。因为等离子体是多时空尺度、多自由度的多粒子体系，所以存在着大量的运动模式，等离子体中存在的可以激发这些模式的自由能是有限的。如果这些自由能集中驱动某一个快尺度模式，则这个模式会很快增长起来，这些模式都可能被激发但是都长不大，我们可以看到一个具有一定宽度的谱带。如果这个谱带很窄，则我们可以用波包或者准线性理论来处理。如果谱的分布很宽，那么就成为湍流。等离子体的一个最重要特性是不稳定性。微小的扰动就能在等离子体中激起各种等离子体波（或称为等离子体激元）。所以，需要很多的原理和假设来理解等离子体的状态，针对理论教学的枯燥性，设计了一种“小老师”的模式，在课程讲授一半以后，尤其在学生学完了第四章“等离子体的特性”之后，对等离子體的基本原理已经掌握，书中剩下的内容，重点在于理论和实践的结合。所以，让学生组成团队，进行幻灯片的制作和课堂教学，让学生投入到实际教学中，在制作幻灯片的同时，学生可以更深刻地理解相关的内容，并且在调研的过程中，对等离子体的相关知识有了更全面更广泛的了解。在知道我们学习的理论知识是可以投入到工业生产中，是可以成为武汉支柱产业时，是可以自主创业时，是某些高新技术产业的技术革新核心力量时，我认为学生的积极性将会被调动，从被动学习变成主动学习。在听到有些师兄已经利用学到的等离子体知识进行创业，学生们非常振奋，专业基础课程对于我们今后的工作选择和考研专业的选择非常重要，身处一个有前途有发展的行业，对学生的积极性调动起到非常重要的作用。

2.2 课堂理论教学与企业实践相结合的重要性

为了让同学们更加透彻地理解工业等离子体的原理和应用，实践起到重要支撑作用。武汉工程大学的等离子体省重点实验室和北京泰克诺基团一直保持着良好的合作，我们的毕业生进入泰克诺基团工作，成为技术骨干。在工业等离子体原理课程讲授完成以后，带领学生进入泰克诺集团进行生产实践，让同学们看到、操作到、参与到工业等离子体的工业生产和实践中来，学生对书本中学到的理论有了更深层次的理解。例如，工业等离子体的应用，大家想到的往往是等离子体显示器，这当然是等离子体非常重要的应用。但是，在普通的工业生产和高新技术产业中，等离子体也发挥了重要的作用。

从我们经常看到的电弧谈起，电气放电的电弧状态也是等离子体态，电弧是由Sir Humphrey Davy在1808年报道的，他是用皇家研究所大电池组所做的电化学实验中观测到的，根据这个发现，我给同学们讲了一些故事，讲授欧洲和亚洲的不同，欧洲的建筑大都是石头，我国喜欢木制，而Davy的父亲就是一位爱好木艺的工匠，引出Davy做出重大发明的前后过程和巨大付出，Davy从小性格活泼，是发明化学元素最多的科学家，而且都是活泼的元素；他做实验用的就是伏特电堆，其实准确的说是伏特堆，因为那时候还没有电的概念。Davy曾经经常以表演的形式做科学传播，当年，闻“笑气”成为一种时尚。Davy在地下室做实验，他将许多当个的电池以串-并联形式连接起来，第一次容许在适中的高电压下同时产生大电流，这就是最早期的电弧实验，电弧水平的运行，其灼热气体的浮力引着电弧向上弯曲，所以得名：弧。因为电弧的高能量高亮度，Davy的眼睛也受伤了。另外，讲授了Davy当时的崇拜者和助手法拉第，讲授性格如何决定人生，就像材料物理专业，材料物理是研究材料的本质，例如金刚石具有很大的硬度和折射率，为什么？结构和原子堆积决定了材料的性质。所以同学们的日积月累，性格和好的学习习惯的养成至关重要。

在我们实验室中，等离子体技术可以用来制备金刚石晶体，金刚石多晶可应用于磨具、钻头等，具有诸多用途，金刚石单晶被誉为第四代半导体以及终极半导体，是国家重要的战略材料。在我们痛恨的“萨德”系统中，用到了第一代、第二代、第三代半导体材料，所以高质量的金刚石单晶是对国家重要的国防战略材料。国际上售卖的金刚石制备装置，往往受到很多制约，或者已经是淘汰的旧的装置，或者是根本不告知工艺参数，无法得到高质量大尺寸的金刚石晶体。我们实验室的特色就是微波等离子体装置制备金刚石晶体，学生们懂得了等离子体的重要应用，也有了更多的兴趣学习等离子体这门课程。另外，在工业生产中，可以利用等离子体镀膜、材料后处理，在科学研究中，中科院化学所、北京理工大学、广州工业大学等等诸多大学都采用等离子体技术进行新材料的探索。让同学们实际参与设计这些设备，亲手操作这些设备，看到从等离子体产生、材料镀膜成功、新材料制备成功等一系列等离子体的重要应用，再结合课堂中学到的内容：辉光放电、弧光放电。在理论和实践中，将等离子体的原理理解到更深的层次。

3结语

通过近年来教学经验的总结，形成了理论和实践紧密结合的教学模式，该模式教学效果良好。在近几年的本科生就业和研究生入学考试中，更多比例的学生选择到等离子体领域进行深造，说明对于同学们起到了积极的引导作用。

参考文献

[1] J.R.Roth，工业等离子体原理[M].科学出版社，1998.