真空科學與技術課程教學初探*

張東濤　岳明　劉衛強　吳瓊（北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124）

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真空科學與技術課程教學初探*

張東濤岳明劉衛強吳瓊
（北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124）

摘要：針對研究生課程“真空科學與技術”的教學特點，對現有的教學模式進行了初步改革，增加了研究生動手的實驗課部分，包括拆卸機械泵和擴散泵實驗等，即將課堂教學與實驗結合起來，力求提高教學效果，增強研究生解決實際問題的能力。

關鍵詞：真空；實驗；教學

岳明（1973，11-），男，滿族，北京市人，博士，教授，研究方向：稀土永磁材料。

劉衛強（1977，8-），男，漢族，河北省保定市人，博士，副教授，研究方向：稀土永磁材料。

吳瓊（1986，5-），男，漢族，安徽省安慶市人，博士，講師，研究方向：納米晶永磁材料。

隨著現代科學技術的發展，真空科學與技術成為一門在科學技術領域中有著重要影響的獨立學科，在幾乎所有的前沿學科和領域，如電子、計算機、傳感、能源、機械、光學等都得到廣泛應用。作為材料專業的研究生，真空科學與技術是常用的基本知識和技能，對以后從事材料及相關領域的研究和工作都非常有用。但多數研究生現有的認知結構中缺乏有關“真空”的知識，而且這門課程實用性很強，而學生們的動手能力大都不夠強。因此，本文針對材料學專業研究生的特點，結合本學院的教學、科研條件，對“真空科學與技術”這門研究生課程的教學方式進行了初步探討和改革。

面對現代社會經濟發展的需要，本著鞏固基礎、加強實踐、注重創新的宗旨，“真空科學與技術課程教學”圍繞著培養學生——基本操作能力——創新能力——實踐能力——科研能力——綜合能力的模式層層展開，提高學生的綜合素質，取得了較好的實踐教學效果。

一、現有課程教學中存在的問題和教改的必要性

“真空科學與技術”這門研究生課程主要是功能材料中的稀土永磁材料、薄膜材料、電子信息材料等方向的研究生選修的課程，以前都是教師講課為主，主要講述真空的概念和原理、真空常用設備和真空系統等，沒有真空技術的動手實驗課環節。而選修這門課程的研究生在今后的科研實驗中要用到真空泵和真空測量，有很多科研實驗在真空環境下完成，真空環境的好壞嚴重影響實驗的效果。所以，要想取得預期的實驗效果，學生必須提前掌握真空技術，獲取實驗所需要的真空條件，為順利開展實驗打下基礎。因此，除了原有的教學理論知識外，具體的實際應用和動手能力是非常重要的，不能僅靠單純的理論知識講解來全面掌握真空科學和技術。因此，通過增加本課程中實驗部分的學習，使研究生進一步深入理解和掌握真空科學與技術的基本知識，和真空獲得、測量及真空設備的工作原理，進一步培養研究生的獨立性、創新性和實際動手能力。

希望通過對本課程的全面學習，使研究生能夠了解有關真空科學的基礎知識和基本原理，熟悉真空的獲得方法、設備以及相關控制儀器、儀表的基本原理和使用方法。掌握常用真空設備的正確應用和日常維護技術，合理利用真空技術進行材料的制備與加工。

這種教學方法強調的是培養學生基本的動手能力，可以讓學生們放心大膽地去操作，不會縮手縮腳、畏首畏尾。教師會反復要求學生拆解真空設備，這對認識真空系統有極大的幫助。通過這些訓練，學生們能夠熟練掌握真空設備的操作要點，大大加強了學生們將來從事工作必須具備的基本功訓練。學生們對真空設備和儀器的直觀認識激發了學生對本門課程的興趣。總而言之，提高學生的基本動手能力和學習的主動性是實踐教學要完成的第一任務。

二、新的課程設計和教學方法

（一）課程設計

原有32學時的“真空科學與技術”課程都是課堂教學，因此我們對課程教學大綱進行了改革，精簡了課堂教學內容，課堂授課變為24學時，增加了8學時的實驗課，因此，最后本課程的課堂教學內容為：真空的基本概念、真空中的氣體遷移、真空中氣體的流動、真空中的氣固界面現象與吸附理論、荷能粒子與表面的相互作用、真空中氣體放電的物理基礎、放電理論基礎、真空的獲得與控制方法及其常用儀器設備等。同時結合課堂教學增加了8學時的實驗室動手環節，如真空系統的組成和抽氣、充氣過程；拆卸機械泵和擴散泵實驗；利用熱偶和電離真空計測試真空等，要求學生自己動手實驗，理解和掌握真空泵與真空測量儀表的工作原理、基本結構、使用條件與維護方法等。

本課程新的課程設計更重視研究生在實驗中實際運用真空技術的能力。傳統的教學方法的弊端是不利于培養學生解決實際問題的能力，從而導致學生缺少創造性應用的能力。設計配套課程教學的創新性實驗，并要求學生自己查資料了解真空系統。教師在這些實驗中不僅對實驗過程負責，對基本操作技能負責，還應加強對實驗設計的引導，使學生關注實驗設計，激發學生的創新思維，提高運用知識解決問題的能力。這些都是需要學生認真設計和創新的關鍵環節。整個實驗涉及知識面廣，動手環節多，思考和討論的問題多，要求學生大膽認真、細心耐心地做好每一個環節。實踐證明，綜合性的創新性實驗確實能培養學生的動手能力、創新精神和創新能力，增強學生的好奇心，提高他們分析問題和解決問題的能力，為今后的學習和工作打下了良好的基礎。

（二）教學方法

研究生課程都是每周一次4學時的課程，共8周，合計32學時。第一次上課時，前兩節課首先和選課的研究生認識，介紹本課程的內容和安排，講述了真空的基本概念和氣體等相關知識，然后三、四節課帶領全體學生來到實驗室，先初步認識真空系統和設備，為后面的真空知識的講解打下認識基礎。由于研究生們原來基本沒有接觸過真空知識和真空設備等，因此，教改以前上課的時候，學生對這些真空知識理解起來比較困難。對此，我在第一次課的三、四節課，就提前安排學生們來到實驗室先認識接觸真空設備和進行基本操作，結果證明是非常有效的，這樣在課堂講解真空知識時，研究生們很容易將一些知識點和在實驗室看到的真空知識結合起來，理解起來就容易些了。

在上完第四周的課程后，根據課程安排，這時候研究生們已經對真空知識了解了較多了，我安排了一次4學時的實驗課，主要進行拆卸機械泵和擴散泵實驗。由于本課程有15名研究生選課，因此，我將學生分成5個小組，每組3名學生。每個組各一臺機械泵和擴散泵進行拆卸、清理和重新裝配。實驗開始前，我首先檢查學生們這4周課堂學習的情況。向學生提出問題，了解他們對課程掌握的情況，然后講解實驗課涉及的理論知識，并進行示范操作，最后安排5組學生分別拆卸機械泵和擴散泵。在實驗過程中我全程參加實驗，隨時指導學生操作。當學生遇到困難時，通過引導使其自行獨立解決問題，以培養學生的獨立思考能力和實驗操作能力。實驗結束后，我與學生一起就實驗過程中出現的問題進行討論、分析和總結，培養學生嚴謹的科學態度。并對表現出色的同學進行了表揚。

在經過二周課堂教學后，在最后一次課時，我首先安排頭兩節課為實驗課，帶領所有學生來到實驗室，對真空系統組成和操作、真空儀表測量、真空系統的漏氣和檢漏等重要的真空知識點進行現場講解，并讓研究生們自己動手操作，繼續加強學生們對真空系統的實際動手能力。然后在3、4節課回到教室，我對本課程進行全面回顧和總結，幫助學生們加深印象，并提出本課程結課報告的要求，要求所有同學在我給出的10個結課題目中任選一個，比如機械泵、擴散泵、分子泵、真空測量儀、真空系統組成的各自介紹等，要求學生自己查找資料，寫成word文檔在結課兩周內交給我。

（三）考核方法

真空科學與技術的研究生課程，主要考核研究生對真空知識的了解，以及對真空系統的基本操作技能和解決實際問題的能力。考核成績中平時成績占20%，實驗操作成績占40%，結課報告成績占40%。這樣的成績比例分配，能夠一方面保證學生的出勤率，保證課堂教學知識的理解和掌握，又能夠使學生重視實驗動手能力，最終達到課堂教學與實驗教學相結合，培養研究生最終具備較好的真空知識和實際動手操作真空設備的能力。

三、教改效果和總結

進行了兩年的教改后，上過這門課的研究生已經成長為研三的學生了，他們所在研究組的指導老師反映這些學生比以前的研究生具有更好的真空知識和動手能力，有時候組里的真空泵壞了，這些研究生自己就動手進行修理了，不必再等待廠家來人，節省了時間和費用，同時研究生的實驗效果得到了更好的保證。而研究生們自己也反映說，上過這門課程以后，對真空了解更多了，因此，在使用真空設備的時候，心里更踏實和自信，能夠更好的發揮設備的能力，同時當真空出現問題時，不再一頭霧水不知道如何處理了，能夠根據所學知識有針對性的進行嘗試解決，這樣下來，也提高了自己解決實際問題的能力。

目前，很多課程只重視課堂授課，不重視實驗教學，因而教學效果并不好。增強學生實驗課程比例，將理論和實踐相結合，不但能讓學生全面掌握真空技術的基本知識和技能，還能提高學生的實驗操作能力，培養學生的創新精神。本課程進行了有益的教學改革嘗試，取得了較好的實際效果。

參考文獻

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Abstract:We reform the original teaching methods of Vacuum Science and Technology course for graduated students after analyzing the course characteristics. Student's practical experiment part is added，including how to disassembly mechanical pump and diffusion pump and so on. The combination of classroom and experiment teaching can both increase teaching effect and improve student's ability of resolving practical questions.

Keywords:vacuum；experiment；teaching

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）11-0072-02

*基金項目：2013.01-2016.12國家自然科學基金項目（項目編號51271005）

作者簡介：張東濤（1970，10-），男，漢族，湖北省襄陽市人，博士，副教授，研究方向：稀土永磁材料。