物理实验中如何指导学生进行科研设计.docx

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物理实验中如何指导学生进行科研设计

物理实验中如何指导学生进行科研设计

徐 军 许小亮 徐传明 何海燕 杨晓杰 刘洪图

（中国科学技术大学物理系，安徽 合肥 230026）

   摘 要：

大学物理实验对于培养学生的科研素质起着非常重要的作用，它可以使学生能在接近于实际科研的实验中不断提高自身的科研能力。

如在实验中，我们结合ZnO基薄膜的制备和特性这一具体的科研课题，充分发挥学生自身的创新能力。

让学生以一个接近科技前沿的科研实验为题，由此了解和掌握科研的一般规律和方法，为其以后从事科学研究提供实践经验。

关键词：

四级物理；薄膜制备；科研设计；创新能力

中图分类号：

G424.31   文献标识码：

A

HowtoGuideStudentsinResearchDesignWhileConductingPhysicalExperiments

XuJun,XuXiaoliang,XuChuanming,HeHaiyan,YangXiaojie,andLiuHongtu

（UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230026）

Abstract:

 Physicalexperimentscloselyrelatedtoongoingresearchmayhelpstudentsdeveloptheirresearchcapabilities.Weincorporatedouractualresearchproject—preparationofZnOmembranesanddeterminationoftheircharacteristicsintostudentsexperimentswheretheircreativeabilitywasgivenfullplay.Studentshadanopportunitytoworkonthisleading-edgetopicandintheprocesslearnedaboutthegeneralnatureofandmethodsforscientificresearch,therebygainingusefulexperiencefortheirfutureresearchwork.

Keywords:

 Band4physics;preparationofmembrane;researchdesign,creativeability

   2002年7月初，由教育部委托中国科技大学天文与应用物理系承办的“面向21世纪全国物理实验教学改革研讨会”上，我们科大物理系薄膜制备与测试实验室作的“半导体薄膜制备实验的特殊性及教学尝试”的报告，赢得了与会代表的一致好评。

并应代表的要求，作为大会优秀报告上网（见）。

其教学改革的尝试及其收到的效果，也得到了有关领导的肯定。

由于大学物理实验在学生基本能力培养中具有的重要地位，其课程的设置一直得到校各级领导和老师的重视。

我校在几十年的物理实验教学实践活动中，形成了一套完整的大学物理实验教学体系，即：

将实验课程分为基础性的一级物理实验训练至四级物理实验的科研入门培养系列。

其中以科研实践为主题的四级实验，目的是正确引导学生的科研入门以及培养和锻炼其独立的科研能力。

薄膜材料和制备技术的研究在材料、能源、信息、微电子工业等重要高新科技领域中发挥着越来越重要的作用。

而以氧化锌、氧化铟等为典型代表的透明导电薄膜，是薄膜材料科学中最重要的领域之一［1］。

它的基本特性是在可见光范围内，具有低电阻率、高透射率等特性，目前在气体敏感器、太阳电池、低波长激光器、高密度存储、光纤通信、导波光学、防护涂层、高功率激光技术中抗激光损伤涂层以及轨道卫星上温度控制涂层上的抗静电表面层等许多方面得到了广泛的应用。

这种大面积低成本的廉价薄膜制备技术的发展，为未来高技术领域的大发展开辟了广阔的新天地。

因此，薄膜材料的制备与特性测试成为四级物理实验的重要内容，这对于学生及时了解国内外前沿课题、运用已有的理论知识去深入了解薄膜材料结构及基本特性，拓展视野等方面起着非常重要的作用。

薄膜制备与测试作为四级物理实验的新兴内容，存在着与其他教学实验不同的特殊性。

如何将实际半导体薄膜科研课题与教学有机结合起来，并且让学生能够消化吸收其中较难的理论并融会贯通，为学生以后从事科研打下坚实的基础，成为指导教师面临的问题。

由于本实验是面向全校学生开放，但设备和师资有限，面对这一现状，如何做到让每个学生既参与教学实验又不脱离其理论基础？

这就要求我们在教学中结合学生的实际基础与科研课题的具体情况，制订出一套切合实际的实验教学模式，以真正达到培养学生科研素质的目标。

经过实验室全体老师的深入调研和讨论，我们制订了详细全面的实验教学计划，（包括从衬底基片的清洗到薄膜制备、性能测试等整个过程）。

在教学中采用启发渐进的方法，真正实现了每个学生主动参与、老师解答指导的互动式教学氛围。

最后在学期临近结束的3周时间内，完全由学生自己调研并设计一个接近科技前沿的科研实验题目，并在教师指导下，由学生从查阅国内外相关领域的文献直至在实验中验证自己的实验，最终让每个学生了解从事科研的一般规律和方法。

一 实验的特殊性及教改尝试

大学物理实验分为四级是面向21世纪教学改革的重要举措［1］，它是以科学研究的方式进行实验教学

，以培养和训练学生从事科研能力为指导思想。

由于受学生掌握的基础理论、实验设备以

及师资条件等诸多实际因素的约束，要想使每个学生都真正得到科研实践的锻炼，达到物理

教学实验改革的目的，在实验教学活动中教师必须结合实际情况来拟订计划、训练和培养学

生的科研能力。

对于四级实验而言，要达到实际教学实验目的，目前主要存在以下难点：

1.四级实验的对象是理科和物理类学生，由于设备和师资有限，若让学生自己设计并准备仪器完成实验，则设备总量严重不足，实验周期将大大拉长、指导教师工作量必然大大增加。

2.由于有些现代实验具有时代性和先进性，如：

计算机仿真、薄膜技术、传感器技术等，引入了一些高精尖设备（如我们实验室的镀膜设备）。

这些设备不可能让每人都得到充分的操作训练，因而存在实验越先进，学生越束手无策的现象。

而且这些先进实验多数超前了学生已学过的理论。

同时由于实验标题及方法固定、操作规程过于规范，束缚了学生的思维，无法真正达到培养与锻炼学生科研素质的目的。

由于存在类似上述的诸多特殊性和困难，且这些问题同样出现在薄膜制备与测试实验中。

半导体薄膜制备有相当的前沿性，与科研课题紧密相关，而参加本实验的同学大多数是低年级本科生。

这就要求教师在实验中，不仅要让同学充分了解实验原理和操作规程，而且要兼顾到同学的理论背景，补充讲解相关的基本理论，真正能让学生做到实验与理论的融会贯通。

针对这些难点，我们经过调研和讨论后，制订出详细的实验教学计划，进行了有针对性的教改尝试［2］。

包括教学实验流程（清洗Si基片—薄膜制备—性能测试），同时在实验仪器真空获得过程中，采用计算机辅助教学实验演示，帮助同学更清晰地理解本实验的实验原理及相关内容。

在向学生讲解实验中，循序渐进地结合科研课题的研究方法，让学生逐步理解科研的基本规律。

最后在学期结束前，通过教师指导、学生调研并设计一个科研实验，让每个学生在实际设计中了解从事科研的一般方法。

薄膜制备及测试实验教学流程，如图1所示。

图1 薄膜制备与测试实验教学流程

下面以实验过程中的互动式场景对话为例，说明我们的具体操作方法。

实验过程中的场景对话［2］既包含了丰富的物理内容，也概括了薄膜生长制备过程中的一些特殊性。

而后者是全然没有体现在实验指导手册中的，需要同学自己加以总结。

我们实验教学中的场景

对话包含下列三个方面的内容：

     1．场景一：

打开装置，说明各部分的用途→问物理原理，请自己总结问题；

     2．场景二：

调节仪器，说明其作用→请纪录和自己总结问题；

     3．场景三：

提示学生，观察试验现象→请纪录和自己总结问题。

以上三个部分的描述必须体现在实验报告之中。

由于每个同学的纪录和自己总结问题的广度、深度及其着眼点不一样，实验报告就不可能一模一样。

这就避免了实验报告的雷同和相互抄袭，从而保证了物理实验教学的质量。

二 实际的科研指导

为达到理论结合实际，全面提高学生从事实际科研的能力之目的，本实验在学期临近结束阶段，结合科研课题出现的实际问题，在教师指导下，通过安排一个学生为主的科研设计实验，以引导学生的科研入门，达到培养和提高学生科研素质的目的。

我们实验室教师在经过分析和讨论后，结合一个正在研究的省自然科学基金重点项目课题“ZnO-基P-N结的制备及紫外发光的性能研究”［3］，提出一个符合学生实际能力的、与之有关联的题目“Si衬底表面氮化硅薄膜的生长”［2］，与学生一起讨论该题目与科研的关系，使学生认识到其重要性，调动起学生的积极性，并给他们一个大致的完成进度时间表。

根据这个科研课题，教师指导学生如何正确使用电子资源检索文献，如何查阅国内外相关领域的文献，如何选出重要的方面并作相应的文献总结。

在调研的基础上，由学生写出调研报告（包括：

导言，国际上该领域从事这方面研究的进展与重要性，国际同行研究有什么需要改进之处，我们如何针对这些不足之处加以改进和创新）和实验设计方案。

在此基础上，教师组织同学对设计方案进行讨论，不断修正实验方案。

在整个实验设计过程中，真正实现了每个学生都主动参与、老师辅助指导的活跃科研氛围。

指导学生科研实验流程如图2所示。

图2 指导学生科研实验流程图

以下是中国科学技术大学天文与应用物理系2000级同学经过讨论修改后提出的一个ZnO薄膜生长预处理的实验方案摘要。

该方案与其它文献相比，具有其独特的改进思想，较好地体现出同学们的科研创新能力。

题目：

“Si衬底表面氮化硅薄膜的生长”

1.课题的重要性：

硅是一种既便宜又容易加工的衬底材料，以硅为衬底生长ZnO基叠层薄膜是我国宽禁带半导体光电器件的研究非常重要的一环，它已被国家列入863攻坚计［4］，也是国际上光电学界所重点研究的领域之一［5-6］。

对衬底表面的处理及生长缓冲层的作用在于可以最大限度地减少界面态，同时减少异质衬底与薄膜间的应力，以提高薄膜的晶体质量和电学输运及发光效率。

2.目前在生长缓冲层方面国际上通行的方法及优缺点分析：

SiO2薄层［7-11］；Zn薄层

［12］；ZnO缓冲层［13］；再生长ZnO基薄膜。

但这些方法都存在一定的缺点，比如SiO2薄膜不够平整，从而生长的ZnO也不够平整，结晶度较差；在Zn缓冲层上再生长ZnO薄膜，缓冲层会部分氧化，呈现出非常高的n型导电性质，不利于器件设计；低温生长ZnO缓冲层同样会在衬底和缓冲层的界面中出现大量的缺陷和层错，效果仍不理想。

在这种情况下，日本研究人员提出［14］，对Si表面实行氮化处理，生长一层薄的氮化硅缓冲层，这样取得的效果要优于前面的方法。

他们的主要方法是：

将硅片置于MBE（分子束外延）系统中，衬底保持600～700℃温度，在系统中通入0.6ccm（每分钟0.6cc）的NH3,用射频方法应用等离子体激发反应生成氮化硅薄膜。

同时他们还建议使用其它含氮的反应气体，比如N2，NO2等。

我们通过深入的调研，认为他们的方法是有缺点的。

首先，他们使用的是MBE法生长ZnO及叠层材料，虽然技术先进，但设备过于昂贵，对生长技术要求较高，如其真空度达到10-10torr等，与普通的溅射法或化学气象沉积法相比，推广普及度要难得多。

其次，用NH3作为反应气体生长氮化硅缓冲层也有缺点，NH3是一种易离解的气体，在不高的温度下即可离解为N2和H2，在N2与Si反应生成氮化硅的同时，也有大量的H进入了Si衬底中形成Si∶H和SiNx∶［H］复合体，在这样的缓冲层上再生长ZnO基薄膜时，由于有一定的温度，这样的复合体很容易键解。

H扩散入ZnO中，它具有较强的自补偿作用，使受主钝化，失去活性；而考虑其它含氮的气体，如N2，因为离化能太高［13］，所以生长的氮化硅薄膜中的氮很可能是以分子形式存在，既不能生成氮化硅，也不能充当p型掺杂物，反而会使薄膜吸附很多的N2杂质，同时因为N2分子体积庞大，会占据很多空间而影响ZnO薄膜的晶化过程；对NO2，因其中含有较多的O，故形成的缓和层将以SiO2为主，这显然和我们的初衷不符。

于是我们把目光集中到N2O上，N2O的离化能较低，而且其中含O量较少，用它生长的氮化硅可能具有以上所列气体所不能相比的优越性。

3.我们的实验方案

在以上调研和分析的基础上，我们拟定了下述实验方案：

（1）将MBE生长方式移植到磁控射频溅射系统，期望以这一简单而易于推广的技术来取代MBE。

（2）在反应气体的选择上我们除了采用文献［14］所建议的气体NH3、N2、NO2来生长氮化硅，进行比较研究以外，我们还将N2O作为主要反应气体生长氮化硅薄膜。

（3）在生长过程中，采用等时生长法（即生长时间与温度不变，而改变通气流量），等压生长法（即通气流量和反应压强不变，而改变生长时间），以上生长的温度控制在650℃左右，因为衬底的温度对MBE系统和溅射系统具有相似的意义，而无须有大的改变。

（4）对上述样品进行结构和发光特性测量，结构特性主要是用SEM和STM进行形貌的测量，而发光特性主要使用阴极射线荧光束测量和比较分析。

（5）在上述制得的含有不同厚度的氮化硅缓冲层上用溅射法生长出ZnO薄膜，同样要进行结构和发光特性的测量，以此来比较不同的效果。

由于四级物理实验的重要性，薄膜制备与测试作为新兴内容在四级实验中显示出它的特殊性及其难点。

针对这些问题和难点，我们教学实验室在经过调研和讨论后，制订出详细的教学实验计划，包括详细的教学实验流程、科研实验流程。

该教改实验在对中国科技大学物理系、近代物理系、地球与空间科学系以及天文与应用物理系等2000级同学的四级物理实验教学活动中，收到了良好的效果。

同学们纷纷在其实验总结报告中热情地称赞了该教改实验的新颖性及众多特点：

在整个实验过程中自己一直不断地有问题提出，需要动脑思考，同时由于该实验与科研课题始终紧密结合，在自己参与课题设计中，通过调研、阅读和消化最新文献资料，研究它们的优缺点，建立具有自己特色的实验方案，并不断地进行改进和完善设计思想，因为亲身经历整个科研过程，从而真正理解了其中的科研的含义。

通过这样的教学科研实验，对于同学们来说，不仅开拓了自己的眼界，而且在求学生涯中首次真正地在科学研究中扮演了一个重要的角色。

这样的经历，对他们今后从事科研活动或其他工作，其益处是显而易见的。

参考文献：

［1］霍剑青，吴泳华，刘洪图，赵永飞主编.大学物理实验第四册［M］.高等教

育出版社，2001.

［2］许小亮，徐军，何海燕，刘洪图.半导体薄膜制备实验的特殊性及教学尝试［J］.物理实验，2002（已接收）.

［3］许小亮，刘洪图等.ZnO基PN结的制备及紫外发光性能的研究［Z］.安徽省自然科学基金重点项目，2001年1月-2002年12月，批准号：

00046506.

［4］国家高技术发展计划（863）2002年申请指南［Z］..

［5］YuP,TangZK,WongGKL,etal.The23ndIntel.Conf.onthePhysicsofSemiconductors［J］.WorldScientific,Singapore.1996.1453.

［6］ServiceRF.Science.,1997,276:

895.

［7］FrankTandSmithJ.Appl.Phys.Lett.,1983,43:

1107.

［8］KrupanidhiSBandSayerM.J.Appl.Phys.,1984,56（11）:

3308.

［9］CaillaudF,SmithAandBaumardJF. J.Am.Ceram.Soc.,1993,76:

998.

［10］ChenQ,QianY,ChenZ,ZhouGandZhangY.Matter.Lett.,1995,22:

93.

［11］KimHKandMathurM.Appl.Phys.Lett.,1992,61:

2524.

［12］FuZX,LinBX,LiaoGHandWuZQ. J.Cryst.Growth,1998,193:

316.

［13］JosephM,TabataH,SaekiH,UedaKandKawaiT.PhysicaB,2001,302-303:

140-148.

［14］NikiS,etal.ZnOcompoundsemiconductorlightemittingelementandproductionmethodthereof［J］.Pat.WO01/08229,dated2001-01-02.

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“系统与控制”实验教学研究与建设

魏衡华

（中国科学技术大学自动化系，安徽 合肥 230027）

   摘 要：

本文介绍了信息科学技术学院“系统与控制实验教学研究与建设”的教学实验改革方案及其实施。

本方案以其很强的可操性和强大的扩展功能得到了实验老师及其学生们的一致好评。

关键词：

系统与控制；先进控制；计算机控制；实验教学研究

   中图分类号：

G420   文献标识码：

A

ResearchandDevelopmentinLaboratoryTeachingof“SystemsandControl”

WeiHenghua

（UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230026）

   Abstract:

ThispaperreportstheCollegeofInformationScienceandTechnologsreformprogramforresearchanddevelopmentinlaboratoryteachingofsystemsandcontrol,andtheimplementationoftheprogram.Theprogramwashighlyacclaimedbyfacultyandstudentsalikeforitsremarkablepracticalityandpowerfulexpandability.

Keywords:

 systemandcontrol;advancedcontrol;computerizedcontrol;researchonlaboratoryteaching

   自动化是一门面向被控对象，解决实际问题的学科。

一方面，它要求学生必须掌握专门的自动控制理论；另一方面，还要求学生将所学到的理论与解决实际问题相结合。

所以自动化专业的学生应当具有对控制系统进行分析、设计、仿真以及实验的综合能力。

社会对自动化学科的本科生提出更高的要求。

高水平大学建设也要求科大的本科生比一般高等学校的学生应具有更强的动手实验能力和解决实际问题的能力，这也正是本科生教学实验中所能表现出的“高水平”之处。

而这些只有通过在教学实验过程中，采用较高水平的教学设备与实验仪器，使本科生在学习理论的同时，真正在计算机控制的较复杂系统上进行较为综合的实验练习与训练方能达到。

作为为国民经济服务的一个重要的技术学科，国家对自动化专业人材的需求已经大大增加。

近五年来，我系的学生人数增加到90年代初的4倍多。

面对这一形势，如何满足学生人数急剧膨胀带来的教学实验需求？

如何培养符合时代要求的创新人才，已成为实验教学研究的重要内容。

一、主要教学实验改革思想

   在我校“高水平大学教学实验室建设”大力支持下，结合教学计划修订和新教改方案，我们把过去的自动检测、控制电机、单片机原理和控制系统四个实验室拆掉后有机地整合起来，建立起了“系统与控制实验室”。

这是一个综合性实验室。

这样可以合理利用有限的资金、有限的场地，使软硬资源共享，仪器设备综合利用，达到以最小的投资产生最大的教学效益。

其主要思想是：

以典型、有代表性的被控对象为核心，采用计算机控制，依托网络系统，构成模块化的教学设备；以先进的系统软件和应用软件为基础，构成系统建模、分析、仿真、控制器设计、常规控制、先进控制的软件环境。

软件环境和硬件设备有机结合，是本项目的最大特点。

我们经过多年的教学实验研究和改革，在《自动控制原理》实验教学环节上，从95届本科生起，就在国内率先采用当今世界先进的Matlab和Simulink设计软件,用于实验数据分析处理和设计校正装置。

在《计算机控制基础》实验课上，自行研制了电烤箱温度控制装置。

经过几次改进，现在外形设计和质量有了很大提高，目前，已在该设备上进行了《计算机控制基础》和《模糊控制理论及应用》等两门实验课5届学生的实验教学，收到了很好的教学效果。

在近几年来，由于各高校扩招，学生人数急剧膨胀，教学实验需求加大，导致许多高校实验教学质量下滑。

我们学校虽然也扩大了招生数量，碰到了与其它学校同样的困难，但我们合理利用场地和软硬件资源，以最小的投资产生出了最大的教学效益。

我校的控制类实验教学质量不仅没有下滑，而且增加了许多综合性、设计性的实验，并得到了来访的国内外专家学者的一致好评。

二、教学实验改革特点

   系统与控制实验应具有基础性、综合性和多用性、先进性、可发展性等四大特点。

1.基础性特点主要体现于开设的9门实验课程，它覆盖了自动化学科实验教学的全部内容。

学生通过基础性实验加深对基础性理论的理解，并通过灵活运用以获得能力和素质的提高。

目前已能满足本科生实验教学的要求，尚需进一步解决研究生实验教学的需求。

2.综合性、多用性的特点主要体现于：

保留必要的基础性实验，精简内容单一的验证性实验，增开提高学生动手能力的设计性、综合性实验。

将原单片机实验室、技能训练实验室和控制电机实验室并入控制系统实验室。

以控制理论、控制工程为基础，将自动控制技术、检测元件、执行机构、被控对象、先进控制与优化等教学研究内容融为一体。

把系统与控制实验室改、扩建为先进的多功能综合实验室。

我们通过相应接口，把具有典型性、代表性的被控对象与计算机构成了各组实验，各组实验又通过网络构成了一个现代化的实验教学平台。

在该平台上已彻底打破了按各自课程设立实验装置的框框，其实验装置可以为多门课程服务，既可单独做传感器技术、自动化元件、计算机接口（A/D、D/A）实验，又可做系统综合实验。

由于实验室并不是简单的合并，而是有机的结合，因此硬件设备互补，资源共享。

特别是PC机作为多种控制对象的控制器，配上相应接口，可以为许多实验共用。

如水箱液位、倒立摆平衡、电烤箱温度控制等。

3.先进性特点主要表现如下：

（1）利用计算机运算速度和逻辑处理能力，构建了一个先进控制系统实验平台。

服务器配有大量实验及开发软件，学生们可用当今世界先进的Matlab和Simulink