近代物理實驗教學中的自主探究實驗教學案例
——石墨烯制備與性能表征實驗

陳宜保，王合英，孫文博，王秀鳳，張留碗

(清華大學 物理系，北京 100084)

近代物理實驗是針對理工科院校本科高年級學生開設的綜合性實驗課程，承擔著開啟科技視野，激發科研興趣，提升實踐動手能力，培養創新思維的重要使命[1-3]，在經過普通物理實驗課程基本的實驗技能訓練之后，近代物理實驗能進一步提升學生的綜合實驗能力，豐富和活躍學生的物理思想，培養學生嚴謹的科學作風. 基于這樣的定位，近代物理實驗的教學內容必須緊跟科學和時代的發展，將科研前沿與實驗教學有機結合，從而讓學生通過實驗教學的訓練，掌握一些基本的科研方法，順利實現轉型. 國內各高校在此理念下不斷開展教學改革，進行了探索與嘗試[4-7]，并取得了較好的成效，為新時代近代物理實驗教學模式的創新和改革提供了有益的參考和指引.

清華大學近代物理實驗課程在學校提出的“三位一體”的教育理念指導下[8]，實施“自由實驗、樂學創新”的研究性教學模式[9]，在實際教學中，積極開展獨立探究性實驗教學[10]. 石墨烯納米材料制備與性能表征實驗是自主探究性實驗的應用案例，該實驗為學生營造了開放式的學習環境，通過自主思考和自主探索，達到激發學生潛在創新意識和培養創新能力的教學目的.

1 教學內容設計

對于自主探究性教學，課題選擇是很重要的一步，必須保證所選擇的課題能夠引起學生的學習興趣，內容上需要具有一定的挑戰性. 教學內容既需要有“留白”[11]，讓學生有足夠的探索空間，同時又必須保證具有可操作性和實現性，實驗室能夠提供足夠的資源幫助學生在1學期內完成學習任務，從而達成自主探究性實驗教學目標.

基于這一思想，選擇石墨烯材料作為研究對象. 石墨烯作為性能優異的二維材料，表現出一系列新奇的量子效應，成為目前基礎科學和產業應用的研究熱點[12]. 2013年，清華大學物理系薛其坤院士研究組首次在實驗室觀測到了量子反常霍爾效應[13]，這一發生在學生身邊的諾貝爾獎級別的重大發現，極大地激勵了學生的科研熱情，因此將探究任務定位于石墨烯材料制備及其光電性能的觀測.

由于制備工藝復雜，一般的科研用樣品制備難以在教學中實施，可采用機械剝離法制備石墨烯，學生自己動手制備石墨烯樣品. 同時實驗室擁有顯微拉曼光譜及綜合物性測量系統(PPMS)等實驗設備，可以表征石墨烯材料的性能. 此外清華大學物理系的公共科研平臺提供了光刻機等輔助實驗設備，可以保障教學任務的開展.

公布探究題目內容，采用學生自愿報名的方式. 根據清華大學近代物理實驗的通專結合的教學模式[14]，首先采用先導實驗——拉曼光譜和利用PPMS實驗測量反常霍爾效應，讓學生充分了解拉曼光譜的原理和作用，掌握PPMS儀器的使用方法. 然后是文獻調研環節，采取研究組會制度，每周開1次組會，學生在組會上匯報調研結果，確定實驗方案. 接著進入實驗環節，采取分小組模式，每個小組完成不同的實驗內容，彼此分工合作，實驗過程同樣采用組會制度，每周匯報1次進展情況. 最后學期結束通過提交綜合論文報告和口頭答辯的方式進行考核，完成1個完整的教學周期.

2 教學過程和成效

傳統的物理實驗教學以自上而下的單向指導為主，教師作為主導，學生根據教學內容的安排完成實驗. 自主探究性實驗的教學理念則以興趣和問題為導向，學生處于主導地位，是學習的主體. 本教學案例始終堅持該原則，教師作為學生探究式學習的伙伴，參與問題討論和方案規劃，發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習潛能，達到提升學生創新能力，培養高素質人才的教學目的.

2.1 文獻調研

常規的實驗教學內容相對固定，學生掌握實驗講義即可完成實驗任務. 對于探究性學習，教學內容是開放性課題，需要學生通過文獻調研來獲取相關資料. 首先教師指導學生如何利用清華大學圖書館提供的科研數據庫檢索文獻資料，如何對文獻資料進行初步篩選，掌握EndNote等文獻管理工具的使用方法，然后學生根據課題要求開展文獻調研.

2.2 組會討論

教學過程中，采取每周召開1次研討組會的方式，組織學生就文獻資料、實驗方案、技術問題等方面開展研討. 學生通過文獻資料閱讀，以學術報告的形式分享自己閱讀文獻的收獲，并提出研究性問題，互相討論，教師再給予適當引導，啟發學生確定解決方案和后續的實驗計劃. 在調研了多種石墨烯材料的制備方法后，通過組會討論，確定采用機械剝離的方式制備樣品，并進一步確定選擇制備樣品用的高定向石墨、專用膠帶和硅片等材料. 通過文獻調研，找到用拉曼光譜的2D峰來鑒別石墨烯層數的方法.

2.3 協作式探究學習

實驗教學方案涉及從樣品制備到表征測量多個環節，為確保在1個學期內完成教學任務，達到教學目的，根據實驗內容的安排，借鑒科學研究中各個小組分工合作的模式，將參與實驗課程的學生分成樣品制備、電極制作、物性測量3個小組，每個小組專攻1個課題內容. 為了保證教學效果,學生需要在每周的交流組會上，詳細介紹本組的工作進展和心得體會，這樣保證每個學習小組在進行探究學習時，能同步了解其他小組的工作，互相學習. 協作式研究保證了每個小組能在自己探究的方向上做得更加深入.

圖1是樣品制備小組在實驗室工作的現場. 借助拉曼光譜表征，成功得到了單層和多層的石墨烯樣品，圖2和圖3為不同層數石墨烯的顯微照片和相應的拉曼光譜. 拉曼光譜測試條件：激光光源Cobolt Samba，波長532 nm；物鏡Olympus SLMPLN50X，放大率50×，數值孔徑0.35，焦距3.6 mm；光譜儀iHR550，光柵1 800 mm-1，入射狹縫10 μm，CCD 為1 024×256. 為解決樣品測量中電極保護問題，電性能表征的學生設計并制作了專門的電性能測量轉接盒，如圖4所示.

圖1 制備石墨烯樣品時的實驗現場

(a)樣品1

圖3 不同厚度石墨烯樣品的拉曼光譜

(a)內部走線 (b)正面接口 圖4 電性能測量轉接盒

2.4 公共科研平臺支持

為了做電學表征，需要在樣品表面制作霍爾電極，其中重要的步驟是光刻，近代物理實驗教學平臺不能提供這個環節所需要的儀器設備，而物理系科研平臺的光刻機屬于公共開放儀器. 學習小組的學生首先通過公共科研平臺培訓掌握了光刻機的使用方法，然后經預約平臺獲得使用權限. 經過多輪次的嘗試和探索，成功地完成了在不同厚度石墨烯樣品上制作霍爾電極，最后在PPMS系統上完成了對樣品的電性能測量.

圖5是在石墨烯樣品上光刻和鍍膜后得到的電極以及測量樣品托上的電極引線.

(a)光刻圖

圖6為另外一個學期做探究性實驗項目的學生使用PPMS系統測量石墨烯樣品在T=2 K時的縱向電阻和橫向電阻隨磁場變化的曲線. 從圖6中可以看到有明顯的量子化平臺出現.

圖6 T=2 K石墨烯縱向電阻和橫向電阻隨磁場變化

自主探究實驗教學模式，一方面拓展了近代物理實驗教學的范圍，可以讓學生接觸到科研中常用而在常規實驗教學中不會涉及的儀器設備;另一方面也可以使學生盡早掌握使用開放儀器的方式和流程.

2.5 學期總結

學期結束，進行口頭答辯，每位學生除了提交研究報告外，還要在限定時間內匯報自己的實驗工作，接受教師和同學的現場提問. 這種考核方式，不僅豐富了考核內容，同時也鍛煉了學生做匯報和口頭表達能力，使學生學會如何在規定時間內清晰地匯報工作重點和成果，以及如何抓住現場提問的要點并能準確作出回答，這對學生將來的學習和工作頗有益處.

學生在學習的過程中收獲很多，部分學生的總結摘錄如下：

1)這學期我在實驗上投入了很多精力，從開始充滿信心到中途充滿困惑，我都有所經歷……我認為獨立性的實驗更貼近真正的科研，非常值得參與到其中.

2)最深切的感受是，從理論到實驗的過程中，有很多想不到的細節，看似很容易的事情，在實踐中發現做成并不容易，需要經歷很多嘗試、很多失敗、很多思考才能最終完成.

3)在短短一兩個月之內經歷了完整的實驗流程，包括從樣品的制備、顯微拉曼儀的使用，到對樣品進行光刻與電鍍，最后在PPMS上對樣品進行測量. 對于做理論研究的我而言，很慶幸能有這樣的機會經歷完整的凝聚態實驗過程，也很高興能有機會使用顯微拉曼儀、光刻機、PPMS測量儀等高端的實驗設備. 在實驗過程中，通過不斷地思考，對實驗方法有了更深入的理解和更好的改進，也積累了寶貴的實驗經驗.

4)在實驗中我體會到了工藝的重要性，特別是機械剝離法制備石墨烯和光刻過程中，會出現莫名其妙的現象，只有嚴格記錄每次的操作，才能發現帶來這些改變的原因，進而改進實驗技術.

5)在實驗過程中，理論與實驗的碰撞、實驗經驗的積累、實驗技能的提高，都能讓我從中體會到實驗物理的樂趣和驚喜. 在和隊友合作交流的過程中，我既收獲了友誼，也提高了自己的團隊協作能力和溝通協調能力.

3 經驗分享

石墨烯制備與性能表征實驗的教學嘗試，將科研探索與實驗教學有機結合，對一些感興趣且有能力的學生，在綜合知識訓練的基礎上，開展自主探究式學習，經過多個學期的嘗試，取得較好的教學成效. 對于開放性的自主探究實驗教學模式，有以下經驗分享：

1)項目選題和教學內容設計非常重要. 要保證所選的題目與科研前沿和熱點研究相關，這樣才能充分激發學生的學習興趣和學習熱情，同時又要確保所選內容的可實施性，能在1個教學周期內完成教學內容，讓學生受到完整的教學訓練；

2)教師和學生在教學中的定位要明確. 作為自主性探究實驗，教師前期應該作為引領導師，后期作為協作者，教師為學生指明大方向，然后要充分發揮學生的自主學習和探索能力，以學生為主體，推動整個探究項目發展. 教師作為協助者在必要時要給予學生指導和幫助，保證在探究學習過程中學生的主導性和能動性；

3)分組協作式的學習模式對學生科研能力的培養有非常重要的作用，通過分工協作，既可以讓學生感悟到在科學探究工作中團隊合作的力量，同時也能很好地培養學生的合作意識，讓學生在相互學習中共同成長.

4)利用科研公共平臺儀器也是本教學案例中非常好的嘗試. 隨著科學技術的發展，各高校的科研院所都會建立公共開放實驗平臺，這些平臺主要對研究生開放，但如果能在本科教學中合理應用這些平臺，則有助于豐富教學內容，提升學生的學習熱情，同時也為學生將來從事科研探究工作做了一定的前瞻性訓練.

致謝：本文的圖片和實驗數據來自參與課程學習的學生實驗報告，感謝清華大學物理系本科學生胡渝民、王天舒、王允沖、巫梓鵬、李杭哲、毛海寧和工程物理系本科生鄔鴻偉、韓文斌在教學過程的全力配合以及在實驗工作中付出的努力.