江鳳仙，許小紅

（1.山西師范大學 化學與材料科學學院，山西 臨汾；2.山西師范大學 材料科學研究院，山西 臨汾）

一 引言

材料是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎，是人類物質(zhì)文明和技術進步的重要支柱。舉凡國家的工農(nóng)業(yè)建設和國防建設、人民生活水平的提高，無不與材料密切相關[1]?，F(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展不僅改變了世界，也改變了我們每個人的生活。我們?nèi)粘Ｉ詈娃k公所使用的計算機、手機、平板電腦等電子設備都朝著更小、更輕、更快和更多功能的方向不斷發(fā)展，而所有這些都離不開薄膜技術。薄膜技術是制作電子元器件、電子回路和集成電路的基礎，是制備各種新型功能器件的有效手段，更是實現(xiàn)器件輕薄短小化、系統(tǒng)集成化和微型化最有效的技術手段。薄膜材料在微電子和數(shù)據(jù)存儲等許多高技術領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。要想獲得不同性能的薄膜并使其在重要的技術領域中獲得應用，首要的任務就是必須掌握與薄膜相關的基礎知識與技術。

《薄膜科學與技術》課程正是建立在薄膜技術與薄膜材料不斷發(fā)展的基礎上而形成的一門專業(yè)課程，是很多高校和科研院所、材料物理和電子等專業(yè)的一門重要基礎課[2]。該課程主要介紹薄膜制備的真空技術基礎、薄膜材料的制備技術、薄膜的生長過程、薄膜材料的表征方法及其薄膜的應用等，旨在讓學生通過學習了解薄膜材料與技術的基礎知識和原理，掌握薄膜材料制備技術及其工藝，為畢業(yè)后從事相關領域的科研和工作打下良好基礎。本文將基于作者在《薄膜科學與技術》課程中的教學經(jīng)驗以及長期從事薄膜材料領域的研究工作，對這門課程的理論和實踐教學進行探索，以此來提高學生的創(chuàng)新能力。

二 《薄膜科學與技術》課程教學現(xiàn)狀與不足之處

《薄膜科學與技術》是一門實踐性較強的課程，除了要求學生掌握基本的理論知識之外，更重要的是要求學生掌握薄膜材料制備的各種技術及工藝，具有一定的動手操作能力。傳統(tǒng)的教學主要是以教師的課堂講授為主，這種教學模式很難調(diào)動學生學習的主動性和積極性，教學質(zhì)量和教學效果較差[3]。隨著現(xiàn)代化教育手段的不斷發(fā)展，教師充分利用多媒體教學手段，在教學的過程中引入圖文并茂的PPT、動畫和視頻等進行形象化和可視化教學[4-7]，把獲得真空用的各種真空泵、薄膜制備使用的各種大型儀器的結(jié)構以及工作原理，形象生動地展示在學生面前，以此來激發(fā)學生求知的動力，加深對所學相關知識的理解，從而提高教學效果。但是，這些教學模式都忽略了對學生實踐技能的訓練。通過以上教學模式，學生對薄膜制備使用的各種大型設備缺乏感性的認識，他們沒有接觸過設備，對設備的結(jié)構、原理以及整個真空系統(tǒng)的運行情況不是很清楚，更談不上獨立操作。這在很大程度上限制了學生創(chuàng)新和科研能力的發(fā)展。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于《薄膜科學與技術》課程中學生實踐技能的訓練需要硬件設備支持。大多數(shù)薄膜制備需要的真空鍍膜儀、磁控濺射系統(tǒng)、脈沖激光沉積系統(tǒng)等設備都很昂貴。例如，最簡單的一套電阻絲加熱鍍膜儀都需要十幾萬元，而一套脈沖激光沉積設備僅激光器就一百多萬元。因此一些高校由于硬件設備投入的不足，不僅制約了學生實驗技能的掌握，影響了教學效果，而且在很大程度上限制了學生創(chuàng)新和科研能力的發(fā)展。

三 教學改革探討

《薄膜科學與技術》是一門緊密聯(lián)系實際、實踐性較強的課程。我們以山西師范大學“磁性分子與磁信息材料教育部重點實驗室”“山西先進永磁材料與技術協(xié)同創(chuàng)新中心”和“新型永磁材料山西省研究生教育創(chuàng)新中心”為平臺，在教學改革過程中，通過多種形式、多種手段充分調(diào)動學生學習主動性和積極性。一方面注重學生理論基礎知識的掌握；另一方面主要培養(yǎng)學生的實踐技能。以此來提高教學質(zhì)量和效果、提升學生探索問題的能力和創(chuàng)新能力，以適應現(xiàn)代科學技術發(fā)展對高質(zhì)量人才的需求。為此，我們從以下三個方面對該課程進行教學改革和探索。

（一）優(yōu)化授課教師團隊

《薄膜科學與技術》主要涉及各種薄膜制備技術、薄膜生長、表征及應用等。隨著薄膜技術和薄膜材料的不斷發(fā)展，許多新方法、新技術、新工藝等層出不窮，而每位教師的知識儲備量是有限的，如果讓一位教師從頭到尾把課程的全部內(nèi)容都講解完的話，難免會出現(xiàn)部分內(nèi)容講解不全面和不透徹的現(xiàn)象，教學效果和教學質(zhì)量較差。鑒于此，在教學過程中，我們結(jié)合課題組每位教師多年來在教學和科研方面擅長的內(nèi)容進行授課。例如，課程中薄膜制備技術及工藝的內(nèi)容，我們選擇課題組多年來一直從事薄膜物理氣相沉積、并且分管大型設備的教師進行授課，因為這些教師對薄膜制備的真空基礎知識、設備的原理、制備工藝以及真空設備維護等都很熟悉；課程中薄膜表征技術的內(nèi)容，我們選擇課題組多年來在X 射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等方面有很深造詣的老師，從樣品制備規(guī)范、測試原理以及數(shù)據(jù)分析等方面進行詳細講解，以此來提高教學效果和質(zhì)量。另外，通過優(yōu)化教師團隊進行授課，對學生還有一個優(yōu)點，那就是他們可以“博采眾長”，達到提升自我的目的。

（二）課堂教學與實踐教學相結(jié)合

《薄膜科學與技術》是為我校材料物理化學專業(yè)的研究生開設的一門重要基礎課程，為保證理論與實踐有效的結(jié)合，我們將課程教學分為課堂理論教學和實驗室實踐教學兩部分，其中實踐教學以山西師范大學“磁性分子與磁信息材料教育部重點實驗室”和“山西先進永磁材料與技術協(xié)同創(chuàng)新中心”擁有的多種薄膜制備以及表征和測試設備（例如，電阻式蒸發(fā)鍍膜機、560 型三室磁控濺射沉積系統(tǒng)、450 型脈沖激光沉積系統(tǒng)、X 射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和激光拉曼光譜儀等）為支撐。在教學改革和探索中，我們實行“理論和實踐結(jié)合三步走”的教學模式。首先，教師在課堂上運用多種教學手段和方式將課程內(nèi)容形象、生動地講給學生，增加學生的理性認知；其次，讓學生走進實驗室，近距離地接觸實驗設備，教師在實驗室進行實地講解設備的構造、原理、功能及其具體操作，且親自示范實驗過程，增加學生的感性認知，以此來加深學生對課堂上所學知識的認識和理解?！皩嵺`是檢驗真理的唯一標準”；最后，在學生對設備、制膜原理及工藝等知識全面理解和掌握的情況下進行分組實驗，訓練學生實踐技能，每個小組自己討論設計實驗方案，并親自動手實施。例如，一個小組設計了“用磁控濺射方法制備ZnO 薄膜”的實驗。過程中，組內(nèi)同學充分發(fā)揮每個人的優(yōu)點，團結(jié)合作，從基片清洗、ZnO 靶材的安裝、真空獲得和測量、輝光放電、工藝參數(shù)的設定以及濺射成膜等一系列環(huán)節(jié)，都是學生自己獨立完成。待每個小組的實驗都完成后，實行“以學生為中心”的課堂討論，選擇幾個有代表性的實驗，讓學生互相點評，這樣他們可以從中發(fā)現(xiàn)問題并改進自己的實驗方案，與此同時，教師對課堂中所講的重點和難點以及實驗過程中存在的共性疑難問題進行集中解答。在實驗過程中延伸出的其他實際問題，可以采用讓學生先討論教師后講授的方式解決。例如，在用磁控濺射技術制備ZnO 薄膜的時候，學生也可以選擇純度高的金屬Zn靶作為濺射靶材（選擇金屬靶材，一方面可以降低制造成本，另一方面還可以提高薄膜的純度），同時在工作氣體Ar 中通入適量的活性反應氣體O2，這就涉及到一個常見的實際問題：靶材中毒。教師可以結(jié)合這一問題，將磁控濺射技術中靶材的選擇、靶材中毒的原理以及預防措施等問題進行講解，不僅有助于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，而且能激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。再如，薄膜制備與技術中有一個重要的實際問題就是真空的維護，針對這一實際問題，教師從真空系統(tǒng)中材料的選擇、連接與密封以及提高真空度的方法等方面進行講解，可進一步拓寬學生的思維。

采用“課堂理論學習—實驗室實踐訓練—課堂討論”相結(jié)合的教學模式，一方面加深了學生對課堂所學知識的理解，另一方面培養(yǎng)了學生的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力。

（三）科研成果融入課堂

教學和科研是高校培養(yǎng)人才的兩個重要途徑，教學是根本，科研是教學的“源頭活水”。長期從事科學研究的教師對教學內(nèi)容的理解和思考更透徹，思維更縝密，教學很容易做到“深入淺出”，非常有助于學生的理解。隨著薄膜技術與薄膜材料的飛速發(fā)展，許多創(chuàng)新性的成果大量涌現(xiàn)，只有將科學研究的最新成果和動態(tài)融入到課堂教學中，才能緊跟科學研究的步伐[8-10]。我們課題組的主要研究方向包括：磁記錄薄膜材料、氧化物薄膜自旋電子學材料、多功能阻變材料、復雜氧化物薄膜材料以及二維材料等涉及多種薄膜材料在現(xiàn)代信息技術領域的應用。授課團隊教師多年來一直活躍在科研一線，因此，在教學過程中我們不僅把與教學內(nèi)容相關的科研成果帶入到課堂教學中、更把科學研究的思維方式和方法傳授給學生，這不僅大大豐富了課堂教學內(nèi)容，使學生增長了知識，拓寬了視野，更激發(fā)了學生的創(chuàng)新熱情和對新知識的探索。

二維材料因其獨特的電子、光學和機械性能，已成為材料領域的研究熱點。目前，二維材料的制備方法有：機械剝離法、超聲波液相剝離法、離子插層/電化學剝離法、熱溶液合成法以及化學氣相沉積（CVD）法等?；谡n題組近年來在二維材料方面的科研成果，我們在講授CVD 法制備薄膜的時候，將課題組及國內(nèi)外利用CVD 法制備二維材料的最新科研成果和動態(tài)引入課堂。薄膜材料作為材料科學中的一個重要分支，不僅種類繁多，應用領域也非常廣泛，涉及薄膜的光學、電學、磁學、力學等多種性質(zhì)。磁記錄薄膜材料就是薄膜磁學性質(zhì)的典型應用。課題組多年來一直從事磁記錄薄膜材料方面的研究，采用磁控濺射技術制備了垂直取向生長的L10-FePt 和CoPt 薄膜材料，主要對其結(jié)構和磁學性能進行了研究，針對垂直磁記錄介質(zhì)面臨的“三難”問題，提出了較好的解決方案。我們在講授薄膜材料的應用時，結(jié)合國內(nèi)外研究進展，將課題組在磁記錄薄膜材料方面取得的代表性研究成果講授給學生，讓學生意識到科學的發(fā)展永無止境，有很多未知的領域等待他們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

將科研成果融入課堂的教學模式，對學生和教師都大有益處。這種教學模式，大大促進了學生的學習興趣，學生對基本理論知識的掌握和理解得到了很大提高，教學質(zhì)量和教學效果也卓有成效，而且對培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力也非常重要。同時，通過這種模式，授課教師團隊的整體素質(zhì)也得到了提高。

四 結(jié)語

《薄膜科學與技術》是一門理論與實際緊密聯(lián)系的專業(yè)基礎課程，通過開展理論與實踐相融、教學與科研相結(jié)合的教學改革探索，提高了學生學習的主動性和積極性，培養(yǎng)了學生的實際動手能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力，希望為薄膜技術領域培養(yǎng)出高素質(zhì)的優(yōu)秀創(chuàng)新人才。