理论与实践相结合，提高学生创新能力——《薄膜科学与技术》教学改革探索

江凤仙，许小红

（1.山西师范大学 化学与材料科学学院，山西 临汾；2.山西师范大学 材料科学研究院，山西 临汾）

一 引言

材料是人类赖以生存与发展的物质基础，是人类物质文明和技术进步的重要支柱。举凡国家的工农业建设和国防建设、人民生活水平的提高，无不与材料密切相关[1]。现代科学技术的飞速发展不仅改变了世界，也改变了我们每个人的生活。我们日常生活和办公所使用的计算机、手机、平板电脑等电子设备都朝着更小、更轻、更快和更多功能的方向不断发展，而所有这些都离不开薄膜技术。薄膜技术是制作电子元器件、电子回路和集成电路的基础，是制备各种新型功能器件的有效手段，更是实现器件轻薄短小化、系统集成化和微型化最有效的技术手段。薄膜材料在微电子和数据存储等许多高技术领域中发挥着越来越重要的作用。要想获得不同性能的薄膜并使其在重要的技术领域中获得应用，首要的任务就是必须掌握与薄膜相关的基础知识与技术。

《薄膜科学与技术》课程正是建立在薄膜技术与薄膜材料不断发展的基础上而形成的一门专业课程，是很多高校和科研院所、材料物理和电子等专业的一门重要基础课[2]。该课程主要介绍薄膜制备的真空技术基础、薄膜材料的制备技术、薄膜的生长过程、薄膜材料的表征方法及其薄膜的应用等，旨在让学生通过学习了解薄膜材料与技术的基础知识和原理，掌握薄膜材料制备技术及其工艺，为毕业后从事相关领域的科研和工作打下良好基础。本文将基于作者在《薄膜科学与技术》课程中的教学经验以及长期从事薄膜材料领域的研究工作，对这门课程的理论和实践教学进行探索，以此来提高学生的创新能力。

二 《薄膜科学与技术》课程教学现状与不足之处

《薄膜科学与技术》是一门实践性较强的课程，除了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薄膜材料制备的各种技术及工艺，具有一定的动手操作能力。传统的教学主要是以教师的课堂讲授为主，这种教学模式很难调动学生学习的主动性和积极性，教学质量和教学效果较差[3]。随着现代化教育手段的不断发展，教师充分利用多媒体教学手段，在教学的过程中引入图文并茂的PPT、动画和视频等进行形象化和可视化教学[4-7]，把获得真空用的各种真空泵、薄膜制备使用的各种大型仪器的结构以及工作原理，形象生动地展示在学生面前，以此来激发学生求知的动力，加深对所学相关知识的理解，从而提高教学效果。但是，这些教学模式都忽略了对学生实践技能的训练。通过以上教学模式，学生对薄膜制备使用的各种大型设备缺乏感性的认识，他们没有接触过设备，对设备的结构、原理以及整个真空系统的运行情况不是很清楚，更谈不上独立操作。这在很大程度上限制了学生创新和科研能力的发展。出现这种现象的主要原因是由于《薄膜科学与技术》课程中学生实践技能的训练需要硬件设备支持。大多数薄膜制备需要的真空镀膜仪、磁控溅射系统、脉冲激光沉积系统等设备都很昂贵。例如，最简单的一套电阻丝加热镀膜仪都需要十几万元，而一套脉冲激光沉积设备仅激光器就一百多万元。因此一些高校由于硬件设备投入的不足，不仅制约了学生实验技能的掌握，影响了教学效果，而且在很大程度上限制了学生创新和科研能力的发展。

三 教学改革探讨

《薄膜科学与技术》是一门紧密联系实际、实践性较强的课程。我们以山西师范大学“磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室”“山西先进永磁材料与技术协同创新中心”和“新型永磁材料山西省研究生教育创新中心”为平台，在教学改革过程中，通过多种形式、多种手段充分调动学生学习主动性和积极性。一方面注重学生理论基础知识的掌握；另一方面主要培养学生的实践技能。以此来提高教学质量和效果、提升学生探索问题的能力和创新能力，以适应现代科学技术发展对高质量人才的需求。为此，我们从以下三个方面对该课程进行教学改革和探索。

（一）优化授课教师团队

《薄膜科学与技术》主要涉及各种薄膜制备技术、薄膜生长、表征及应用等。随着薄膜技术和薄膜材料的不断发展，许多新方法、新技术、新工艺等层出不穷，而每位教师的知识储备量是有限的，如果让一位教师从头到尾把课程的全部内容都讲解完的话，难免会出现部分内容讲解不全面和不透彻的现象，教学效果和教学质量较差。鉴于此，在教学过程中，我们结合课题组每位教师多年来在教学和科研方面擅长的内容进行授课。例如，课程中薄膜制备技术及工艺的内容，我们选择课题组多年来一直从事薄膜物理气相沉积、并且分管大型设备的教师进行授课，因为这些教师对薄膜制备的真空基础知识、设备的原理、制备工艺以及真空设备维护等都很熟悉；课程中薄膜表征技术的内容，我们选择课题组多年来在X 射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等方面有很深造诣的老师，从样品制备规范、测试原理以及数据分析等方面进行详细讲解，以此来提高教学效果和质量。另外，通过优化教师团队进行授课，对学生还有一个优点，那就是他们可以“博采众长”，达到提升自我的目的。

（二）课堂教学与实践教学相结合

《薄膜科学与技术》是为我校材料物理化学专业的研究生开设的一门重要基础课程，为保证理论与实践有效的结合，我们将课程教学分为课堂理论教学和实验室实践教学两部分，其中实践教学以山西师范大学“磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室”和“山西先进永磁材料与技术协同创新中心”拥有的多种薄膜制备以及表征和测试设备（例如，电阻式蒸发镀膜机、560 型三室磁控溅射沉积系统、450 型脉冲激光沉积系统、X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪等）为支撑。在教学改革和探索中，我们实行“理论和实践结合三步走”的教学模式。首先，教师在课堂上运用多种教学手段和方式将课程内容形象、生动地讲给学生，增加学生的理性认知；其次，让学生走进实验室，近距离地接触实验设备，教师在实验室进行实地讲解设备的构造、原理、功能及其具体操作，且亲自示范实验过程，增加学生的感性认知，以此来加深学生对课堂上所学知识的认识和理解。“实践是检验真理的唯一标准”；最后，在学生对设备、制膜原理及工艺等知识全面理解和掌握的情况下进行分组实验，训练学生实践技能，每个小组自己讨论设计实验方案，并亲自动手实施。例如，一个小组设计了“用磁控溅射方法制备ZnO 薄膜”的实验。过程中，组内同学充分发挥每个人的优点，团结合作，从基片清洗、ZnO 靶材的安装、真空获得和测量、辉光放电、工艺参数的设定以及溅射成膜等一系列环节，都是学生自己独立完成。待每个小组的实验都完成后，实行“以学生为中心”的课堂讨论，选择几个有代表性的实验，让学生互相点评，这样他们可以从中发现问题并改进自己的实验方案，与此同时，教师对课堂中所讲的重点和难点以及实验过程中存在的共性疑难问题进行集中解答。在实验过程中延伸出的其他实际问题，可以采用让学生先讨论教师后讲授的方式解决。例如，在用磁控溅射技术制备ZnO 薄膜的时候，学生也可以选择纯度高的金属Zn靶作为溅射靶材（选择金属靶材，一方面可以降低制造成本，另一方面还可以提高薄膜的纯度），同时在工作气体Ar 中通入适量的活性反应气体O2，这就涉及到一个常见的实际问题：靶材中毒。教师可以结合这一问题，将磁控溅射技术中靶材的选择、靶材中毒的原理以及预防措施等问题进行讲解，不仅有助于培养学生解决实际问题的能力，而且能激发学生的创新意识。再如，薄膜制备与技术中有一个重要的实际问题就是真空的维护，针对这一实际问题，教师从真空系统中材料的选择、连接与密封以及提高真空度的方法等方面进行讲解，可进一步拓宽学生的思维。

采用“课堂理论学习—实验室实践训练—课堂讨论”相结合的教学模式，一方面加深了学生对课堂所学知识的理解，另一方面培养了学生的动手能力、发现问题和解决问题的能力以及科研创新能力。

（三）科研成果融入课堂

教学和科研是高校培养人才的两个重要途径，教学是根本，科研是教学的“源头活水”。长期从事科学研究的教师对教学内容的理解和思考更透彻，思维更缜密，教学很容易做到“深入浅出”，非常有助于学生的理解。随着薄膜技术与薄膜材料的飞速发展，许多创新性的成果大量涌现，只有将科学研究的最新成果和动态融入到课堂教学中，才能紧跟科学研究的步伐[8-10]。我们课题组的主要研究方向包括：磁记录薄膜材料、氧化物薄膜自旋电子学材料、多功能阻变材料、复杂氧化物薄膜材料以及二维材料等涉及多种薄膜材料在现代信息技术领域的应用。授课团队教师多年来一直活跃在科研一线，因此，在教学过程中我们不仅把与教学内容相关的科研成果带入到课堂教学中、更把科学研究的思维方式和方法传授给学生，这不仅大大丰富了课堂教学内容，使学生增长了知识，拓宽了视野，更激发了学生的创新热情和对新知识的探索。

二维材料因其独特的电子、光学和机械性能，已成为材料领域的研究热点。目前，二维材料的制备方法有：机械剥离法、超声波液相剥离法、离子插层/电化学剥离法、热溶液合成法以及化学气相沉积（CVD）法等。基于课题组近年来在二维材料方面的科研成果，我们在讲授CVD 法制备薄膜的时候，将课题组及国内外利用CVD 法制备二维材料的最新科研成果和动态引入课堂。薄膜材料作为材料科学中的一个重要分支，不仅种类繁多，应用领域也非常广泛，涉及薄膜的光学、电学、磁学、力学等多种性质。磁记录薄膜材料就是薄膜磁学性质的典型应用。课题组多年来一直从事磁记录薄膜材料方面的研究，采用磁控溅射技术制备了垂直取向生长的L10-FePt 和CoPt 薄膜材料，主要对其结构和磁学性能进行了研究，针对垂直磁记录介质面临的“三难”问题，提出了较好的解决方案。我们在讲授薄膜材料的应用时，结合国内外研究进展，将课题组在磁记录薄膜材料方面取得的代表性研究成果讲授给学生，让学生意识到科学的发展永无止境，有很多未知的领域等待他们去探索。

将科研成果融入课堂的教学模式，对学生和教师都大有益处。这种教学模式，大大促进了学生的学习兴趣，学生对基本理论知识的掌握和理解得到了很大提高，教学质量和教学效果也卓有成效，而且对培养学生的科研创新能力也非常重要。同时，通过这种模式，授课教师团队的整体素质也得到了提高。

四 结语

《薄膜科学与技术》是一门理论与实际紧密联系的专业基础课程，通过开展理论与实践相融、教学与科研相结合的教学改革探索，提高了学生学习的主动性和积极性，培养了学生的实际动手能力、发现问题和解决问题的能力以及科研创新能力，希望为薄膜技术领域培养出高素质的优秀创新人才。