研究型綜合實驗設計與實踐教學模式探究

郝蘭眾， 劉云杰， 張亞萍， 劉偉華

(中國石油大學(華東) 材料科學與工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

實驗教學是提高學生實踐能力、培養(yǎng)學生敏銳思維的重要途徑，而創(chuàng)新研究性綜合性實驗教學更是在培養(yǎng)學生綜合能力方面起著非常重要的作用[1-2]。大學生在大學4年學到了很多的理論知識，但是當畢業(yè)步入社會后，由于一部分人存在著動手能力差、自主創(chuàng)新能力和探索能力不強等缺點，不能適應社會的需求[3-5]。

我校非常重視學生的實踐能力的培養(yǎng)，認真貫徹教育部的《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》，大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐[6-7]。大一對全校學生(部分文科除外)開設了工科大學物理實驗，經(jīng)過1年兩個層次的工科實驗訓練，學生具備了基本的實驗技能，動手操作能力和主動思考問題得到了一定程度的提高。但這還遠遠達不到培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)新型和實踐性人才的目標要求。為了讓學生能更好地鞏固理論知識，掌握大型儀器的操作技能和方法，建立現(xiàn)代科學實驗的基本思維方式，培養(yǎng)學生科研探索能力，還應該開設研究型綜合性實驗[8-9]。實驗包括大型儀器的使用，獨立設計實驗方案以及測試方法的訓練等。通過一系列綜合性實驗的訓練，提高學生運用現(xiàn)代科學技術解決實際工程問題的綜合素質和創(chuàng)新能力，使學生成為具有綜合性思維和科研探索能力的應用型人才，為以后的工作和進一步的深造打下良好的實踐基礎[10-13]。

MoS2薄膜的H2氣敏性是一個典型的專業(yè)性綜合實驗，實驗中包括利用磁控濺射儀器制備MoS2薄膜；利用多種分析技術對薄膜的微結構進行表征；通過性能測試，學生分組討論MoS2薄膜的H2敏感性機理。實驗涵蓋了物理學、化學以及材料學等方面的知識，實驗所涉及的知識面廣，能綜合應用已學過的理論與實驗知識。通過跨學科的培養(yǎng)體系研究，不但能拓寬學生的思維和視野，提高實驗綜合能力以及新材料研制的科研探索能力，而且對當今高水平大學的學科協(xié)同發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制的完善都具有重要的意義[14-16]。

1 綜合性實驗內(nèi)容設計

1.1 MoS2/Si異質薄膜制備

利用壓片機將MoS2粉末壓制成圓柱狀MoS2濺射靶材。選取單晶p-Si作為薄膜生長用襯底。在薄膜沉積之前，Si基片分別用酒精、丙酮、去離子水、氫氟酸溶液超聲清洗，清除襯底表面的附著物和表面的本征氧化層。

將清洗過的Si基片放入磁控濺射儀的濺射室內(nèi)，采用直流濺射的方法對MoS2靶材進行濺射，從而在Si基片表面獲得MoS2薄膜。實驗過程中，可以通過改變基片溫度、濺射功率、氣壓等參數(shù)獲得不同條件下的樣品。

通過薄膜制備過程，學生掌握了實驗材料準備的清洗步驟和使用磁控濺射儀器的方法，熟練掌握了對大型儀器的操作，從而具備了從事科學研究的基本素養(yǎng)。

1.2 MoS2薄膜結構表征

制備出MoS2薄膜后，首先對其微結構進行表征。在實驗過程中，通過查閱文獻，學生互相討論，老師指導等方式，采用X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和原子力顯微鏡(AFM)等技術，分別對所制備薄膜的成分、晶格結構和表面結構等進行分析。

圖1所示是MoS2薄膜中Mo和S元素的XPS圖譜。從圖中可以得到，Mo元素的3d5/2和3d3/2的譜峰分別處于229.2 eV和232.4 eV，S元素的2p3/2和2p1/2的譜峰分別位于162.3 eV和163.4 eV。在結果表征和分析過程中，引導學生查閱文獻，將實驗結果與其他已報道結果進行對比，理解圖譜上各種特征所代表的物理含義。通過比較差異性，如峰位和峰強等，分析所制備薄膜材料的微結構特征，如組分結構和缺陷等。

(a)Mo

(b) S

圖1 MoS2薄膜XPS圖譜

圖2所示為MoS2薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出，制備的MoS2薄膜在2θ=33.9°和69.1°附近有兩個強衍射峰出現(xiàn)，分別對應的是(100)和(200)晶面取向。從圖中可以看出沉積的MoS2薄膜在硅襯底上具有擇優(yōu)晶向生長。指導學生查閱標準圖譜，確認MoS2薄膜的晶格取向，并根據(jù)所學固體物理或晶體學等理論，理解MoS2薄膜的晶體結構。

圖2 MoS2薄膜的XRD圖譜

圖3所示是室溫條件下制備的MoS2薄膜的AFM圖像。從圖中可以看出，所制備的MoS2薄膜具有明顯的面外生長特征，表面比較粗糙，是由一些致密的錐狀納米顆粒組成。

圖3 室溫條件下的MoS2薄膜的AFM圖像

通過對所制備的薄膜微觀結構的表征分析，學生一方面了解掌握了多種表征方法及使用范圍，也同時讓他們建立了納米薄膜材料表征分析的基本思維，對以后進行科學研究打下了良好的基礎。

1.3 H2敏感性測試

進一步在MoS2薄膜表面和Si基片上壓制圓形銦(In)電極，并引出銅(Cu)導線，形成MoS2/Si氣敏元件，并完成氣敏性能測量與分析。

圖4所示為MoS2/Si異質薄膜氣敏元件分別在空氣和純H2中的lgI-U曲線。從圖中可以看出，曲線具有明顯的不對稱性。當氣體由空氣變換到H2時，MoS2/Si異質薄膜的I-U曲線發(fā)生了明顯的變化，特別是在反向電壓范圍內(nèi)。從圖中可以看出，H2使所制備的MoS2/Si異質薄膜的反向電流大幅度降低，從而使MoS2/Si異質薄膜對H2表現(xiàn)出明顯的響應特性。

圖4 MoS2/Si異質薄膜氣敏元件在空氣和H2中的I-U曲線

圖5所示為室溫下，當外加電壓為-1 V時，MoS2/Si異質薄膜對H2的響應曲線。從圖中可以看出，當異質結在空氣和H2中交替變換時，異質結器件表現(xiàn)出兩種明顯的電流狀態(tài)：在空氣中時，異質結表現(xiàn)為高電流狀態(tài)；在H2中時，則表現(xiàn)為低電流狀態(tài)。可以看出，MoS2/Si異質薄膜的高低電流狀態(tài)均具有穩(wěn)定性強、重復性好等特點。

圖5 室溫下，外加電壓為-1 V時，MoS2/Si異質薄膜對H2的響應曲線

通過對異質薄膜的測試，學生熟悉了測試方法和性能結果分析，并更清楚地理解了課堂上學習的有關氣體傳感器的相關理論，掌握氣體傳感器件的設計、評價等應用性技術和知識，激發(fā)他們深入開展實驗的積極性。通過數(shù)據(jù)采集、畫圖、利用所學的理論進行分析等一系列的實驗過程，系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的綜合思維能力。

2 實踐運行模式與教學效果

2.1 創(chuàng)新實踐教學的運行模式

研究型綜合實驗的運行模式是教師和學生共同命題。首先教師向學生詳細介紹磁控濺射實驗儀器，講解其中涉及到的基本原理和技術。學生通過了解儀器、查閱文獻等方式設計實驗內(nèi)容。教師審核后，與學生討論實驗方案的可行性。實驗方案通過后，則由教師講解儀器的使用方法和注意事項，然后由學生自主實驗。在實驗中，學生獨立思考，自主實驗，分組討論，探討機理，教師起到指導作用，但不過分干涉實驗，讓學生成為實驗的主動者，教師成為實驗中的指導者，從而使學生更有興趣地開展實驗。學生可以在現(xiàn)有實驗的基礎上拓展實驗內(nèi)容，進行更深入更系統(tǒng)的研究，使自主能力的培養(yǎng)貫穿于實驗的整個過程。每一個研究型綜合實驗學生都要經(jīng)歷文獻查閱→方案設計→實驗操作→性能測試→分析討論等過程。在整個實驗過程中，學生既能掌握儀器的操作，又能學習各種表征和測試方法，還能系統(tǒng)的整合所學的理論知識和實驗技能。通過一系列研究型綜合實驗的訓練，可以全方面的鍛煉學生的創(chuàng)新和綜合思維能力，提高學生的知識應用能力和科研能力，從而培養(yǎng)“厚基礎、強能力、高素質”的應用型和復合型創(chuàng)新人才。

2.2 創(chuàng)新實踐教學模式的效果

近幾年來，依托材料綜合實驗項目，材料物理與化學專業(yè)的學生質量有了很大的提高。實驗效果優(yōu)良的小組通過申報院級、校級以及國家級大學生創(chuàng)新項目，申報發(fā)明專利，撰寫論文等，使綜合實驗得到進一步完善。近3年獲批校級大學生創(chuàng)新實驗項目20余項，其中國家級5項。申請發(fā)明專利和實用新型專利10余項，發(fā)表論文12篇，并且有多名同學在“挑戰(zhàn)杯”全國大學生創(chuàng)業(yè)計劃大賽中獲得優(yōu)異的成績。

3 結 語

以MoS2薄膜的制備、結構表征和H2敏感性綜合實驗為例，闡述了研究型綜合性實驗教學對培養(yǎng)學生的科研探索能力的作用。結果表明，研究型綜合性實驗涉及到多個學科，涵蓋的知識點比較全面。通過系統(tǒng)的綜合性實驗訓練，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，合作意識以及自主探索能力。獨立分析和綜合實驗能力得到了全面的提高。依托綜合性實驗的培養(yǎng)，學生在申請項目，撰寫論文、各項賽事以及申請專利方面均獲得了喜人的成果。