基于創新能力培養的近代物理實驗教學改革探索*

廖衛兵，馮創世

(1.深圳大學物理與光電工程學院,廣東 深圳 518060；2.深圳大學材料學院,廣東 深圳 518060)

1 引言

近代物理實驗是高等學校物理類專業學生必修的專業基礎課程，也是其他理工科需要較深厚物理基礎知識的學生的選修課程[1-3]。該課程開設的主要目的是培養學生的實踐能力和物理學綜合專業素養，利用近代物理實驗可以將學生的理性思考和感性認識結合起來，達到理論聯系實際的作用[4,5]。但是隨著時代的發展和社會的需要，對于大學生的要求不僅僅局限于實踐操作能力，更希望學生能夠具有豐富的創新意識。針對這一需求，本文基于對大學生創新能力的培養，在原子力顯微鏡實驗教學的基礎上提出近代物理實驗新教學模式的探索與實踐。希望學生們在這種新教學模式的影響下能夠開拓視野、了解科技前沿、加深理論與實際的聯系，從而增強創新和創造意識。

2 近代物理實驗教學模式的現狀

實驗教學是激發學生創新能力、培養學生動手技能的重要途徑[6-9]。在傳統的近代物理教學實踐中，一般都是學校安排實驗內容，由教師指導，學生動手操作和完成數據分析的模式進行，這導致學生的創新能力受到了很大的限制[10,11]。為了提升學生的創新能力，國內外很多高校對傳統教學模式進行改革。其中比較具有代表性的是麻省理工學院提出的“設計性實驗”，該教學模式由學生和老師共同制定實驗課題、探討實驗方案、利用現有的實驗室條件完成物理實驗教學計劃。這種新教學模式極大地提高了學生的自主思考能力和創造能力，起到了充分發揮學生的主觀能動性的作用。除此之外還有PSSC 方案(美國物理學會為美國高等院校制訂的方案)[12]、伯克利方案[13]、倫塞來爾方案[14]，這一系列教學模式的改革成功的將實施實驗的主動權交到學生手中，激發了學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。我國物理實驗教育發展比較晚，先前一直沿用美國和蘇聯舊教學模式，即按照實驗講義步驟依次進行實驗操作，使得學生缺乏獨立觀察和思考問題的能力。80 年代后，國家從課程體系、教學和教材內容、教學方法和考核方式進行改革，逐步完善實驗教學制度，提升實驗教學質量，培養學生包括創新意識在內的綜合專業素養。直至今天，關于實驗教學的改革仍在繼續，進行改革的道路還很漫長。本文正是在這種背景下提出基于創新能力培養的近代物理實驗新教學模式的探索與實踐，利用原子力顯微鏡教學課程對新的教學模式進行闡述。

3 原子力顯微鏡在近代物理實驗教學中的作用

在近代物理實驗教學過程中，利用原子力顯微鏡技術觀察物體表面形貌是一個極其重要且具代表性的物理實驗，它在整個課程教學過程中起著重要的作用。顯微觀察技術的發展是一個漫長的過程，從16 世紀的光學顯微鏡（Optical Microscope）到20 世紀初的電子顯微鏡（Electron Microscope）再到20 世紀末的原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope），人們觀察微觀材料的廣度和深度得到極大發展，這對人們認識世界、改造世界起到舉足輕重的作用。原子力顯微鏡利用探針與物體之間微弱的作用力，結合機械運動和光學檢測系統可以觀測到物體三維表面形態影像，包括表面粗糙度、粒徑尺寸大小、粒徑間距等，該技術已經被廣泛應用到生物、醫學、能源、材料、物理等多種領域。學會使用原子力顯微鏡技術已經成為當代理工科大學生必備的技能之一。

在傳統的近代物理實驗教學過程中，大家一般利用原子力顯微鏡技術表征基本材料的表面微觀形貌，而使用該技術對前沿新材料以及磁性功能材料表面的微觀磁疇結構分析較少，使學生對原子力顯微鏡技術的認識受到局限，沒能充分發揮對學生創新能力的培養。

4 新教學模式下培養學生創新能力的做法

4.1 新教學模式改革實施方案

本教學模式的實施依托《近代物理實驗》的開展和“設計性實驗”的基本原理，以學生為主體，借鑒信息化平臺，在教學過程中著重考慮學生的反應和需求，根據學生的反饋不斷改進教學方法，實現“教、學、做”一體化的教學模式的探索和實踐。實施方案具體內容包括：

（1）授課老師提前布置近代物理實驗教學題目，如利用原子力顯微鏡觀察高熵合金表面形態及磁性非晶合金絲磁疇結構。

（2）學生利用信息化平臺收集相關資料，討論原子力顯微鏡發展過程，了解高熵合金和非晶合金的基本概念以及發展現狀。

（3）課堂上由教師為引導，指導學生先建立起利用原子力顯微技術分析物體表面相貌和磁性樣品磁疇結構的理論模型。

（4）將傳統的探針改為磁性探針并用其來表征磁性材料樣品的表面微觀磁疇結構，發揮和調動學生的動手能力，利用磁性探針對不同結構的磁性材料樣品進行表面檢測。

（5）在教師幫助下，構建出不同實驗樣品的表面磁疇結構模型，撰寫實驗報告。

以上幾個教學環節相互獨立，但又存在有機的關聯，不可分割，構成了本文的整體實施方案。

4.2 利用原子力顯微鏡觀察高熵合金表面形態

近年來，高熵合金是基于“化學無序”提出的新型金屬材料[15]，具有優異的綜合性能和廣闊的發展前景，是金屬材料發展的一個全新的領域。使用高熵合金和作為原子力顯微鏡的測試對象可以增加學生對于材料科學前沿的了解，達到一舉兩得的作用。在以往的教學實驗中我們利用光盤，作為研究對象進行觀察，如圖1（a）和（b）所示，這種單一的材料來源限制了學生對原子力顯微鏡應用范圍的想象。在本文中我們選擇磁控濺射制備的高熵合金薄膜作為研究對象，如圖1（c）為用磁控濺射方法制備的高熵合金薄膜，圖1（d）為利用原子力顯微鏡測量高熵合金表面形貌，從圖中可以清晰的得到高熵合金薄膜的表面生長形態和粗糙度等信息，可以看出采用磁控濺射技術制備高熵合金薄膜，其表面存在許多的納米“島狀”結構，可以為高熵合金薄膜的研究和開發提供一定的技術引導。

圖1 （a）原子力顯微鏡實驗用光盤；（b）原子力顯微鏡下的光盤表面形貌；（c）磁控濺射制備的高熵合金薄膜；（d）原子力顯微鏡下的高熵合金薄膜表面形態。

4.3 利用原子力顯微鏡觀察非晶合金絲磁疇結構

非晶合金絲的原子結構為無序態，具有優異的軟磁性能[16]，如鐵基和鈷基非晶合金絲具有大的巨磁阻抗和應力阻抗效應，在科學上具有重要的理論研究意義，且在工業上具有廣泛的應用前景，已被應用于一些微機電系統中。然而，對于非晶合金絲的磁疇微結構和不同磁化方向的研究較少，其中存在的問題還有待解決。為了深入體現實驗教學改革與創新，我們將原子力顯微鏡的探針更換為磁性掃描探針，采用磁力模式來觀察非晶合金絲的表面磁學結構，從而拓展學生對于原子力顯微鏡的認識和技術創新。

根據原子力顯微鏡探測非晶合金絲的表面磁疇分布，我們提出了分布在鐵基非晶合金絲中的磁疇結構，如圖2 所示。鐵基非晶合金絲的磁疇具有“核-殼”結構，該結構由大的具有沿著光纖軸的磁化性質的內部區域組成，外部被具有徑向磁化疇的疇結構覆蓋。磁疇在磁芯和殼層之間的差異導致了非晶合金絲的磁各向異性。鑒于鐵基非晶合金絲這些獨特的疇結構和優異的物理性質，將為作用于電感元件的新工程和功能材料（例如高性能磁傳感器，電磁干擾屏蔽等）帶來廣泛應用。

圖2 金屬玻璃絲的結構原理圖

利用原子力顯微鏡測量高熵合金表面形貌以及磁性材料表面磁疇結構分布，構建不同磁性材料樣品的表面微觀磁疇結構模型，從而達到提高學生創新能力的目的，同時也可以在實踐中促進近代物理實驗教學模式的改革。在教學探索和項目實施過程中，擬解決技術上的和科學上兩個方面的關鍵問題。技術上，擬解決的關鍵問題是探針離樣品表面的距離需要精確控制好；科學上，如何構建不同磁性材料的微觀磁疇結構模型，需要結合相應的材料科學基礎。這些問題的解決一方面有助于教學內容的豐富和教學模式的建立，另一方面也有助于增強學生的動手能力和創新能力。

4.4 新教學模式改革特色

本教學模式將教學理論和實踐更加緊密地結合起來，更好地實現了“教、學、做”一體化，并且更加直觀地反映出教學實驗與創新能力之間的關系，主要表現在：

(1) 教學實驗內容的改進

本教學模式以本科生課程《近代物理實驗（2）》為依托，擬在利用傳統原子力顯微鏡技術觀察材料表面微觀形貌的基礎上，結合前沿金屬材料高熵合金薄膜來表征其表面納米結構形貌，拓展出表征磁性材料表面的微觀磁疇結構的技術手段，使得實驗教學內容更加豐富，有助于增加學生對原子力顯微技術的系統了解和掌握。表1 為教學實驗內容的創新點。

表1 利用原子力顯微鏡新實驗教學內容的創新點

(2) 教學實驗方案的提升

實驗實施過程中，結合高熵合金薄膜和非晶合金絲，建立起用原子力顯微鏡分析磁性材料樣品的理論模型，結合“設計性實驗”的基本原理和“教、學、做”一體化的教學模式，提出一種新的教學實驗方案。與以往教學模式不同的是，將新材料作為實驗對象為教學過程增添了新鮮活力，用原子力顯微鏡觀察磁疇結構打破了傳統原子力顯微鏡觀察樣品表面形貌的思維限制，激發了學生探討其工作原理的興趣，同時又使得學生們了解到新材料的發展現狀，達到一箭雙雕的效果。

5 結論

本文通過利用原子力顯微鏡來表征高熵合金薄膜表面微觀形態和非晶合金絲磁性材料表面的微觀磁疇結構，并建立起不同非晶磁性材料的微觀磁疇模型，結合當前學術熱點構建出一種針對近代物理實驗新的教學模式和實踐。這種新模式可以豐富實驗教學內容，擴展學生對學術前沿的了解，與時俱進，培養學生的獨立創新能力和實踐能力，激發學生的學習興趣。