近代物理实验教学中的自主探究实验教学案例——石墨烯制备与性能表征实验

陈宜保，王合英，孙文博，王秀凤，张留碗

(清华大学 物理系，北京 100084)

近代物理实验是针对理工科院校本科高年级学生开设的综合性实验课程，承担着开启科技视野，激发科研兴趣，提升实践动手能力，培养创新思维的重要使命[1-3]，在经过普通物理实验课程基本的实验技能训练之后，近代物理实验能进一步提升学生的综合实验能力，丰富和活跃学生的物理思想，培养学生严谨的科学作风. 基于这样的定位，近代物理实验的教学内容必须紧跟科学和时代的发展，将科研前沿与实验教学有机结合，从而让学生通过实验教学的训练，掌握一些基本的科研方法，顺利实现转型. 国内各高校在此理念下不断开展教学改革，进行了探索与尝试[4-7]，并取得了较好的成效，为新时代近代物理实验教学模式的创新和改革提供了有益的参考和指引.

清华大学近代物理实验课程在学校提出的“三位一体”的教育理念指导下[8]，实施“自由实验、乐学创新”的研究性教学模式[9]，在实际教学中，积极开展独立探究性实验教学[10]. 石墨烯纳米材料制备与性能表征实验是自主探究性实验的应用案例，该实验为学生营造了开放式的学习环境，通过自主思考和自主探索，达到激发学生潜在创新意识和培养创新能力的教学目的.

1 教学内容设计

对于自主探究性教学，课题选择是很重要的一步，必须保证所选择的课题能够引起学生的学习兴趣，内容上需要具有一定的挑战性. 教学内容既需要有“留白”[11]，让学生有足够的探索空间，同时又必须保证具有可操作性和实现性，实验室能够提供足够的资源帮助学生在1学期内完成学习任务，从而达成自主探究性实验教学目标.

基于这一思想，选择石墨烯材料作为研究对象. 石墨烯作为性能优异的二维材料，表现出一系列新奇的量子效应，成为目前基础科学和产业应用的研究热点[12]. 2013年，清华大学物理系薛其坤院士研究组首次在实验室观测到了量子反常霍尔效应[13]，这一发生在学生身边的诺贝尔奖级别的重大发现，极大地激励了学生的科研热情，因此将探究任务定位于石墨烯材料制备及其光电性能的观测.

由于制备工艺复杂，一般的科研用样品制备难以在教学中实施，可采用机械剥离法制备石墨烯，学生自己动手制备石墨烯样品. 同时实验室拥有显微拉曼光谱及综合物性测量系统(PPMS)等实验设备，可以表征石墨烯材料的性能. 此外清华大学物理系的公共科研平台提供了光刻机等辅助实验设备，可以保障教学任务的开展.

公布探究题目内容，采用学生自愿报名的方式. 根据清华大学近代物理实验的通专结合的教学模式[14]，首先采用先导实验——拉曼光谱和利用PPMS实验测量反常霍尔效应，让学生充分了解拉曼光谱的原理和作用，掌握PPMS仪器的使用方法. 然后是文献调研环节，采取研究组会制度，每周开1次组会，学生在组会上汇报调研结果，确定实验方案. 接着进入实验环节，采取分小组模式，每个小组完成不同的实验内容，彼此分工合作，实验过程同样采用组会制度，每周汇报1次进展情况. 最后学期结束通过提交综合论文报告和口头答辩的方式进行考核，完成1个完整的教学周期.

2 教学过程和成效

传统的物理实验教学以自上而下的单向指导为主，教师作为主导，学生根据教学内容的安排完成实验. 自主探究性实验的教学理念则以兴趣和问题为导向，学生处于主导地位，是学习的主体. 本教学案例始终坚持该原则，教师作为学生探究式学习的伙伴，参与问题讨论和方案规划，发挥学生的主观能动性，激发学生的学习潜能，达到提升学生创新能力，培养高素质人才的教学目的.

2.1 文献调研

常规的实验教学内容相对固定，学生掌握实验讲义即可完成实验任务. 对于探究性学习，教学内容是开放性课题，需要学生通过文献调研来获取相关资料. 首先教师指导学生如何利用清华大学图书馆提供的科研数据库检索文献资料，如何对文献资料进行初步筛选，掌握EndNote等文献管理工具的使用方法，然后学生根据课题要求开展文献调研.

2.2 组会讨论

教学过程中，采取每周召开1次研讨组会的方式，组织学生就文献资料、实验方案、技术问题等方面开展研讨. 学生通过文献资料阅读，以学术报告的形式分享自己阅读文献的收获，并提出研究性问题，互相讨论，教师再给予适当引导，启发学生确定解决方案和后续的实验计划. 在调研了多种石墨烯材料的制备方法后，通过组会讨论，确定采用机械剥离的方式制备样品，并进一步确定选择制备样品用的高定向石墨、专用胶带和硅片等材料. 通过文献调研，找到用拉曼光谱的2D峰来鉴别石墨烯层数的方法.

2.3 协作式探究学习

实验教学方案涉及从样品制备到表征测量多个环节，为确保在1个学期内完成教学任务，达到教学目的，根据实验内容的安排，借鉴科学研究中各个小组分工合作的模式，将参与实验课程的学生分成样品制备、电极制作、物性测量3个小组，每个小组专攻1个课题内容. 为了保证教学效果,学生需要在每周的交流组会上，详细介绍本组的工作进展和心得体会，这样保证每个学习小组在进行探究学习时，能同步了解其他小组的工作，互相学习. 协作式研究保证了每个小组能在自己探究的方向上做得更加深入.

图1是样品制备小组在实验室工作的现场. 借助拉曼光谱表征，成功得到了单层和多层的石墨烯样品，图2和图3为不同层数石墨烯的显微照片和相应的拉曼光谱. 拉曼光谱测试条件：激光光源Cobolt Samba，波长532 nm；物镜Olympus SLMPLN50X，放大率50×，数值孔径0.35，焦距3.6 mm；光谱仪iHR550，光栅1 800 mm-1，入射狭缝10 μm，CCD 为1 024×256. 为解决样品测量中电极保护问题，电性能表征的学生设计并制作了专门的电性能测量转接盒，如图4所示.

图1 制备石墨烯样品时的实验现场

(a)样品1

图3 不同厚度石墨烯样品的拉曼光谱

(a)内部走线 (b)正面接口 图4 电性能测量转接盒

2.4 公共科研平台支持

为了做电学表征，需要在样品表面制作霍尔电极，其中重要的步骤是光刻，近代物理实验教学平台不能提供这个环节所需要的仪器设备，而物理系科研平台的光刻机属于公共开放仪器. 学习小组的学生首先通过公共科研平台培训掌握了光刻机的使用方法，然后经预约平台获得使用权限. 经过多轮次的尝试和探索，成功地完成了在不同厚度石墨烯样品上制作霍尔电极，最后在PPMS系统上完成了对样品的电性能测量.

图5是在石墨烯样品上光刻和镀膜后得到的电极以及测量样品托上的电极引线.

(a)光刻图

图6为另外一个学期做探究性实验项目的学生使用PPMS系统测量石墨烯样品在T=2 K时的纵向电阻和横向电阻随磁场变化的曲线. 从图6中可以看到有明显的量子化平台出现.

图6 T=2 K石墨烯纵向电阻和横向电阻随磁场变化

自主探究实验教学模式，一方面拓展了近代物理实验教学的范围，可以让学生接触到科研中常用而在常规实验教学中不会涉及的仪器设备;另一方面也可以使学生尽早掌握使用开放仪器的方式和流程.

2.5 学期总结

学期结束，进行口头答辩，每位学生除了提交研究报告外，还要在限定时间内汇报自己的实验工作，接受教师和同学的现场提问. 这种考核方式，不仅丰富了考核内容，同时也锻炼了学生做汇报和口头表达能力，使学生学会如何在规定时间内清晰地汇报工作重点和成果，以及如何抓住现场提问的要点并能准确作出回答，这对学生将来的学习和工作颇有益处.

学生在学习的过程中收获很多，部分学生的总结摘录如下：

1)这学期我在实验上投入了很多精力，从开始充满信心到中途充满困惑，我都有所经历……我认为独立性的实验更贴近真正的科研，非常值得参与到其中.

2)最深切的感受是，从理论到实验的过程中，有很多想不到的细节，看似很容易的事情，在实践中发现做成并不容易，需要经历很多尝试、很多失败、很多思考才能最终完成.

3)在短短一两个月之内经历了完整的实验流程，包括从样品的制备、显微拉曼仪的使用，到对样品进行光刻与电镀，最后在PPMS上对样品进行测量. 对于做理论研究的我而言，很庆幸能有这样的机会经历完整的凝聚态实验过程，也很高兴能有机会使用显微拉曼仪、光刻机、PPMS测量仪等高端的实验设备. 在实验过程中，通过不断地思考，对实验方法有了更深入的理解和更好的改进，也积累了宝贵的实验经验.

4)在实验中我体会到了工艺的重要性，特别是机械剥离法制备石墨烯和光刻过程中，会出现莫名其妙的现象，只有严格记录每次的操作，才能发现带来这些改变的原因，进而改进实验技术.

5)在实验过程中，理论与实验的碰撞、实验经验的积累、实验技能的提高，都能让我从中体会到实验物理的乐趣和惊喜. 在和队友合作交流的过程中，我既收获了友谊，也提高了自己的团队协作能力和沟通协调能力.

3 经验分享

石墨烯制备与性能表征实验的教学尝试，将科研探索与实验教学有机结合，对一些感兴趣且有能力的学生，在综合知识训练的基础上，开展自主探究式学习，经过多个学期的尝试，取得较好的教学成效. 对于开放性的自主探究实验教学模式，有以下经验分享：

1)项目选题和教学内容设计非常重要. 要保证所选的题目与科研前沿和热点研究相关，这样才能充分激发学生的学习兴趣和学习热情，同时又要确保所选内容的可实施性，能在1个教学周期内完成教学内容，让学生受到完整的教学训练；

2)教师和学生在教学中的定位要明确. 作为自主性探究实验，教师前期应该作为引领导师，后期作为协作者，教师为学生指明大方向，然后要充分发挥学生的自主学习和探索能力，以学生为主体，推动整个探究项目发展. 教师作为协助者在必要时要给予学生指导和帮助，保证在探究学习过程中学生的主导性和能动性；

3)分组协作式的学习模式对学生科研能力的培养有非常重要的作用，通过分工协作，既可以让学生感悟到在科学探究工作中团队合作的力量，同时也能很好地培养学生的合作意识，让学生在相互学习中共同成长.

4)利用科研公共平台仪器也是本教学案例中非常好的尝试. 随着科学技术的发展，各高校的科研院所都会建立公共开放实验平台，这些平台主要对研究生开放，但如果能在本科教学中合理应用这些平台，则有助于丰富教学内容，提升学生的学习热情，同时也为学生将来从事科研探究工作做了一定的前瞻性训练.

致谢：本文的图片和实验数据来自参与课程学习的学生实验报告，感谢清华大学物理系本科学生胡渝民、王天舒、王允冲、巫梓鹏、李杭哲、毛海宁和工程物理系本科生邬鸿伟、韩文斌在教学过程的全力配合以及在实验工作中付出的努力.