基于创新能力培养的近代物理实验教学改革探索*

廖卫兵，冯创世

(1.深圳大学物理与光电工程学院,广东 深圳 518060；2.深圳大学材料学院,广东 深圳 518060)

1 引言

近代物理实验是高等学校物理类专业学生必修的专业基础课程，也是其他理工科需要较深厚物理基础知识的学生的选修课程[1-3]。该课程开设的主要目的是培养学生的实践能力和物理学综合专业素养，利用近代物理实验可以将学生的理性思考和感性认识结合起来，达到理论联系实际的作用[4,5]。但是随着时代的发展和社会的需要，对于大学生的要求不仅仅局限于实践操作能力，更希望学生能够具有丰富的创新意识。针对这一需求，本文基于对大学生创新能力的培养，在原子力显微镜实验教学的基础上提出近代物理实验新教学模式的探索与实践。希望学生们在这种新教学模式的影响下能够开拓视野、了解科技前沿、加深理论与实际的联系，从而增强创新和创造意识。

2 近代物理实验教学模式的现状

实验教学是激发学生创新能力、培养学生动手技能的重要途径[6-9]。在传统的近代物理教学实践中，一般都是学校安排实验内容，由教师指导，学生动手操作和完成数据分析的模式进行，这导致学生的创新能力受到了很大的限制[10,11]。为了提升学生的创新能力，国内外很多高校对传统教学模式进行改革。其中比较具有代表性的是麻省理工学院提出的“设计性实验”，该教学模式由学生和老师共同制定实验课题、探讨实验方案、利用现有的实验室条件完成物理实验教学计划。这种新教学模式极大地提高了学生的自主思考能力和创造能力，起到了充分发挥学生的主观能动性的作用。除此之外还有PSSC 方案(美国物理学会为美国高等院校制订的方案)[12]、伯克利方案[13]、伦塞来尔方案[14]，这一系列教学模式的改革成功的将实施实验的主动权交到学生手中，激发了学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。我国物理实验教育发展比较晚，先前一直沿用美国和苏联旧教学模式，即按照实验讲义步骤依次进行实验操作，使得学生缺乏独立观察和思考问题的能力。80 年代后，国家从课程体系、教学和教材内容、教学方法和考核方式进行改革，逐步完善实验教学制度，提升实验教学质量，培养学生包括创新意识在内的综合专业素养。直至今天，关于实验教学的改革仍在继续，进行改革的道路还很漫长。本文正是在这种背景下提出基于创新能力培养的近代物理实验新教学模式的探索与实践，利用原子力显微镜教学课程对新的教学模式进行阐述。

3 原子力显微镜在近代物理实验教学中的作用

在近代物理实验教学过程中，利用原子力显微镜技术观察物体表面形貌是一个极其重要且具代表性的物理实验，它在整个课程教学过程中起着重要的作用。显微观察技术的发展是一个漫长的过程，从16 世纪的光学显微镜（Optical Microscope）到20 世纪初的电子显微镜（Electron Microscope）再到20 世纪末的原子力显微镜（Atomic Force Microscope），人们观察微观材料的广度和深度得到极大发展，这对人们认识世界、改造世界起到举足轻重的作用。原子力显微镜利用探针与物体之间微弱的作用力，结合机械运动和光学检测系统可以观测到物体三维表面形态影像，包括表面粗糙度、粒径尺寸大小、粒径间距等，该技术已经被广泛应用到生物、医学、能源、材料、物理等多种领域。学会使用原子力显微镜技术已经成为当代理工科大学生必备的技能之一。

在传统的近代物理实验教学过程中，大家一般利用原子力显微镜技术表征基本材料的表面微观形貌，而使用该技术对前沿新材料以及磁性功能材料表面的微观磁畴结构分析较少，使学生对原子力显微镜技术的认识受到局限，没能充分发挥对学生创新能力的培养。

4 新教学模式下培养学生创新能力的做法

4.1 新教学模式改革实施方案

本教学模式的实施依托《近代物理实验》的开展和“设计性实验”的基本原理，以学生为主体，借鉴信息化平台，在教学过程中着重考虑学生的反应和需求，根据学生的反馈不断改进教学方法，实现“教、学、做”一体化的教学模式的探索和实践。实施方案具体内容包括：

（1）授课老师提前布置近代物理实验教学题目，如利用原子力显微镜观察高熵合金表面形态及磁性非晶合金丝磁畴结构。

（2）学生利用信息化平台收集相关资料，讨论原子力显微镜发展过程，了解高熵合金和非晶合金的基本概念以及发展现状。

（3）课堂上由教师为引导，指导学生先建立起利用原子力显微技术分析物体表面相貌和磁性样品磁畴结构的理论模型。

（4）将传统的探针改为磁性探针并用其来表征磁性材料样品的表面微观磁畴结构，发挥和调动学生的动手能力，利用磁性探针对不同结构的磁性材料样品进行表面检测。

（5）在教师帮助下，构建出不同实验样品的表面磁畴结构模型，撰写实验报告。

以上几个教学环节相互独立，但又存在有机的关联，不可分割，构成了本文的整体实施方案。

4.2 利用原子力显微镜观察高熵合金表面形态

近年来，高熵合金是基于“化学无序”提出的新型金属材料[15]，具有优异的综合性能和广阔的发展前景，是金属材料发展的一个全新的领域。使用高熵合金和作为原子力显微镜的测试对象可以增加学生对于材料科学前沿的了解，达到一举两得的作用。在以往的教学实验中我们利用光盘，作为研究对象进行观察，如图1（a）和（b）所示，这种单一的材料来源限制了学生对原子力显微镜应用范围的想象。在本文中我们选择磁控溅射制备的高熵合金薄膜作为研究对象，如图1（c）为用磁控溅射方法制备的高熵合金薄膜，图1（d）为利用原子力显微镜测量高熵合金表面形貌，从图中可以清晰的得到高熵合金薄膜的表面生长形态和粗糙度等信息，可以看出采用磁控溅射技术制备高熵合金薄膜，其表面存在许多的纳米“岛状”结构，可以为高熵合金薄膜的研究和开发提供一定的技术引导。

图1 （a）原子力显微镜实验用光盘；（b）原子力显微镜下的光盘表面形貌；（c）磁控溅射制备的高熵合金薄膜；（d）原子力显微镜下的高熵合金薄膜表面形态。

4.3 利用原子力显微镜观察非晶合金丝磁畴结构

非晶合金丝的原子结构为无序态，具有优异的软磁性能[16]，如铁基和钴基非晶合金丝具有大的巨磁阻抗和应力阻抗效应，在科学上具有重要的理论研究意义，且在工业上具有广泛的应用前景，已被应用于一些微机电系统中。然而，对于非晶合金丝的磁畴微结构和不同磁化方向的研究较少，其中存在的问题还有待解决。为了深入体现实验教学改革与创新，我们将原子力显微镜的探针更换为磁性扫描探针，采用磁力模式来观察非晶合金丝的表面磁学结构，从而拓展学生对于原子力显微镜的认识和技术创新。

根据原子力显微镜探测非晶合金丝的表面磁畴分布，我们提出了分布在铁基非晶合金丝中的磁畴结构，如图2 所示。铁基非晶合金丝的磁畴具有“核-壳”结构，该结构由大的具有沿着光纤轴的磁化性质的内部区域组成，外部被具有径向磁化畴的畴结构覆盖。磁畴在磁芯和壳层之间的差异导致了非晶合金丝的磁各向异性。鉴于铁基非晶合金丝这些独特的畴结构和优异的物理性质，将为作用于电感元件的新工程和功能材料（例如高性能磁传感器，电磁干扰屏蔽等）带来广泛应用。

图2 金属玻璃丝的结构原理图

利用原子力显微镜测量高熵合金表面形貌以及磁性材料表面磁畴结构分布，构建不同磁性材料样品的表面微观磁畴结构模型，从而达到提高学生创新能力的目的，同时也可以在实践中促进近代物理实验教学模式的改革。在教学探索和项目实施过程中，拟解决技术上的和科学上两个方面的关键问题。技术上，拟解决的关键问题是探针离样品表面的距离需要精确控制好；科学上，如何构建不同磁性材料的微观磁畴结构模型，需要结合相应的材料科学基础。这些问题的解决一方面有助于教学内容的丰富和教学模式的建立，另一方面也有助于增强学生的动手能力和创新能力。

4.4 新教学模式改革特色

本教学模式将教学理论和实践更加紧密地结合起来，更好地实现了“教、学、做”一体化，并且更加直观地反映出教学实验与创新能力之间的关系，主要表现在：

(1) 教学实验内容的改进

本教学模式以本科生课程《近代物理实验（2）》为依托，拟在利用传统原子力显微镜技术观察材料表面微观形貌的基础上，结合前沿金属材料高熵合金薄膜来表征其表面纳米结构形貌，拓展出表征磁性材料表面的微观磁畴结构的技术手段，使得实验教学内容更加丰富，有助于增加学生对原子力显微技术的系统了解和掌握。表1 为教学实验内容的创新点。

表1 利用原子力显微镜新实验教学内容的创新点

(2) 教学实验方案的提升

实验实施过程中，结合高熵合金薄膜和非晶合金丝，建立起用原子力显微镜分析磁性材料样品的理论模型，结合“设计性实验”的基本原理和“教、学、做”一体化的教学模式，提出一种新的教学实验方案。与以往教学模式不同的是，将新材料作为实验对象为教学过程增添了新鲜活力，用原子力显微镜观察磁畴结构打破了传统原子力显微镜观察样品表面形貌的思维限制，激发了学生探讨其工作原理的兴趣，同时又使得学生们了解到新材料的发展现状，达到一箭双雕的效果。

5 结论

本文通过利用原子力显微镜来表征高熵合金薄膜表面微观形态和非晶合金丝磁性材料表面的微观磁畴结构，并建立起不同非晶磁性材料的微观磁畴模型，结合当前学术热点构建出一种针对近代物理实验新的教学模式和实践。这种新模式可以丰富实验教学内容，扩展学生对学术前沿的了解，与时俱进，培养学生的独立创新能力和实践能力，激发学生的学习兴趣。