多場耦合輸運測試系統在本科生實踐創新能力培養中的應用

章喆

摘 要

依托科研實驗室設備，指導本科生完成磁電耦合響應復合材料的制備、多場耦合輸運測試系統整體框架的搭建、探針臺的配置和LabVIEW圖形用戶界面的設計等實踐過程，實現了復合材料磁電耦合性能的測試和分析。實踐表明，該測試系統的開發和應用培養了學生的科研探索思維，動手動腦能力，從而在實踐教學中，提高了本科生創新能力。

關鍵詞

創新能力;多場耦合輸運測試系統;磁電耦合

中圖分類號： G 642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 29

Abstract

Based on the scientific research laboratory equipment， the construction and application of multi-field coupled transport test system and its application in materials research were taken as an example to carry out the training and exploration of the undergraduates' engineering practical innovation ability. The students were guided to set up the multi-field coupled transport test system， to design the LabVIEW graphical user interface and also to design a magnetoelectric coupling composite material. The magnetoelectric coupling properties of the designed material were tested using the above system. Based on this， the system improves the students' ability of innovation and comprehensive quality.

Key words

Innovation ability; Multi-field coupling transportation test system; Magnetoelectric coupling

0 引言

在“新工科”和工程教育專業認證背景下，對工科專業本科生的實踐創新能力提出了更高的要求[1]。傳統實踐能力的培養通常是通過實驗課程來實現的，實驗教學對象簡單、方案單一，實驗結果顯而易見，屬于驗證性實驗，學生只是按照操作步驟機械重復，缺少思考問題、探索方法、設計方案的機會;并且實驗教學內容的設置主要以單科課程為主，缺乏學科、知識的交叉，學生綜合應用、融會貫通進行解決問題的能力得不到鍛煉;此外，實驗教學內容與實際工程問題結合不緊密，學生缺乏把所學知識應用于工程實踐的能力，走出校園即感到茫然無所適從。因此很難激發學生的興趣與積極性，創新能力的培養效果甚微[2]。

根據教育部提出的一流本科教育實施方案3.0的任務要求，強化科教協同育人，推動學校科研實驗室逐步向本科生開放，為更多大學生加入科研團隊創造條件。依托各級科研平臺和重大項目，建立科教融合、相互促進的協同培養機制，選取最新科研成果設置為實驗案例，以現代化科研手段支撐高質量本科人才培養[3]。科教融合有利于加強科學研究與高等教育更加緊密結合，有利于創新型人才培養，建立教研一體化新模式是創新型人才培養的本質要求[4]。因此，高校中老師們豐富多樣的科研項目可以作為本科生綜合型、設計性實驗項目的來源，立足于學科發展前沿，以跨年級小團隊探索為主，使得學生的實驗學習從探索性研究變為相對系統性訓練，培養了學生實踐創新能力。

磁電功能材料以其電、磁、光、熱、力及其耦合的機電、磁電、光電等豐富多樣的功能和優良的“電-磁-力”轉換功能以及快速響應速度等優點而被廣泛應用于高靈敏度傳感器、存儲器、換能器、聲納等各種功能器件中，在深化工程教育改革方面有著極其重要的作用[5]。特別是利用磁電材料的磁電耦合效應，實現磁電轉換，為設計新型信息功能器件提供了新穎的思路[6]。為了讓學生在實驗室親手操作和理解多場耦合輸運測試系統四大模塊的基本原理，通過多場耦合輸運測試實驗平臺搭建和多場耦合輸運測試系統LabVIEW軟件的原理和操作，磁電耦合功能材料的設計和制備及其多場耦合測試分析，使學生不但掌握了磁電耦合材料多功能的原理及應用前景，同時對材料在光、電、溫度、微波以及磁場等多物理場耦合中的響應有了更深的理解，培養了學生解決復雜工程問題的能力，激發了學生探索知識的極大興趣和科研創新思維，在提出問題、解決問題中提高學生的實踐創新能力。

1 多場耦合輸運測試實驗平臺搭建

1.1 多場耦合輸運測試系統整體框架與配置

多場耦合輸運測試系統包含四大模塊，即：磁電耦合激勵信號加載及其控制、探針臺及其輔助設備、磁電耦合信號探測、通信以及數據采集分析存儲等四大模塊。在模塊集成和聯機設計過程中始終遵循從整體到部分、可擴展性、經濟合理、安全可靠、操作性好的原則進行設計。激勵信號產生設備和加載控制儀器都通過通用接口總線（GPIB）與主控計算機相連，對外場的控制通過主控計算機發出指令進行空間、強度及加載時間的控制，具體連接如圖1所示。

1.2 多場耦合輸運測試系統軟件及流程圖

磁電耦合效應測量涉及磁場、電場控制與測量，微弱電壓、電荷測量，激光信號采集，配合磁場的介電、鐵電測量以及變溫、真空系統的獲取與控制，配合相應的傳感器、測試儀器、控制儀表可實現以上功能。測試設備通過GPIB總線與總控計算機通信，測試信號采集、存儲通過總控計算機實現。

測試系統的軟件由LabVIEW實現。LabVIEW使用RS232（標準串行接口總線）硬件標準控制外加磁場、溫度場等，使用GPIB硬件標準控制測試源表和鎖相放大器。外場串口利用串口轉USB轉換線連入電腦，測試源表和鎖相放大器則利用GPIB通信線及GPIB轉USB轉換器連入電腦。磁電電壓信號隨外加偏置磁場變化的軟件流程圖如圖2所示。

2 磁電功能材料設計及其多場耦合測試

引導學生以壓電和鐵磁材料為基礎，設計具有磁電耦合響應的復合材料，利用上述系統測試該材料體系的磁電耦合性能。在實驗中為學生們提供Terfenol-D和Ni兩種鐵磁性材料和Pb（Zr，Ti）O3（PZT）壓電材料，通過不同的復合方式得到不同振動模式的磁電耦合方式。通過設計具有不同磁致伸縮特性的非對稱層狀磁電復合材料，探究磁致伸縮材料（Terfenol-D與Ni）厚度比在不同磁場與頻率條件下對磁電耦合特性的影響。在本文實驗實例中，PZT的尺寸為20mm×5mm×1mm，極化沿厚度方向，Terfenol-D的尺寸為15mm×5mm×0.5mm，磁致伸縮沿長度方向，Ni的尺寸為15mm×5mm×0.2mm。Terfenol-D和Ni薄片用環氧樹脂粘接在PZT的上下表面就形成了復合磁電耦合材料。利用上述搭建的平臺測試其磁電耦合性能，通過LabVIEW控制測試界面輸入測試條件并輸出測試結果。測試結果如圖3所示。

由磁電耦合系數隨頻率變化關系可以看到，復合材料的磁電耦合響應出現了三個振動峰，分別為一階彎曲振動，一階長度振動，二階長度振動[7]，振動頻率分別為13.5kHz、36.2kHz和78.5kHz。在400 Oe磁場下，獲得了最大的磁電耦合系數153mV/cm·Oe。針對這些測量結果，學生們進一步查找相關資料，研究產生共振的物理機制并應用連續介質力學理論結合壓電、壓磁本構方程計算共振峰出現的頻率，并與實驗結果進行對比。

3 結語

在多場耦合測試系統的開發和應用的科研實踐活動中，整個過程都由學生自主查閱文獻資料，制定實驗方案，分析數據，總結規律，探究數據背后的物理事實和相關機制，揭示材料在多場耦合激勵下的響應機制。通過這一系統研究過程的全面訓練，培養了學生發現問題、解決問題的能力，并且整個研究解決問題的過程有趣且有挑戰性，好奇心激勵學生們自發的去解決問題，提升了學生自主解決復雜工程問題的能力。此外，還啟發學生開展相關的研究工作，如針對磁電耦合共振頻率產生的物理機制，設計出實驗調控不同振動模式的共振頻率，應用于不同的場合;通過相關結構和材料的設計來提升磁電耦合系數等。因此，依托科研課題和相關科研設備，設計綜合實踐類、探究性的研究課題，踐行本科生科教融合，打造一流本科教育，對于培養具有行業背景知識的創新型人才具有深遠意義。

參考文獻

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]王翎力，金京一，謝玉忠，等.科研項目向本科化學綜合實驗項目轉化的探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（11）：129-133.

[3]吳巖.一流本科一流專業一流人才[J].中國大學教學，2017，（11）：4-12，17.

[4]劉玉琳，徐雙滿，霍凱.科教融合創新指導下的本科生實驗項目開發[J].實驗技術與管理，2018，35（8）：31-34.

[5]Ma J， Hu J， Li Z， et al. Recent progress in multiferroic magnetoelectric composites： from bulk to thin films[J]. Advanced Materials. 2011， 23（9）：1062-87.

[6]徐瑞成，王振華，陳剛，等.多鐵性復合材料磁電耦合效應研究進展[J].中國陶瓷，2018，9：1-11.

[7]Cheng JH， Wang YG， Xie D. Resonance magnetoelectric effect in Ni/Pb（Zr，Ti）O3/Terfenol-D trilayered composites with different mechanical boundary conditions[J]. Applied Physics Letters.2014，104（25）：252411.