真空科学与技术课程教学初探*

岳明（1973，11-），男，满族，北京市人，博士，教授，研究方向：稀土永磁材料。 刘卫强（1977，8-），男，汉族，河北省保定市人，博士，副教授，研究方向：稀土永磁材料。 吴琼（1986，5-），男，汉族，安徽省安庆市人，博士，讲师，研究方向：纳米晶永磁材料。 随着现代科学技术的发展，真空科学与技术成为一门在科学技术领域中有着重要影响的独立学科，在几乎所有的前沿学科和领域，如电子、计算机、传感、能源、机械、光学等都得到广泛应用。作为材料专业的研究生，真空科学与技术是常用的基本知识和技能，对以后从事材料及相关领域的研究和工作都非常有用。但多数研究生现有的认知结构中缺乏有关“真空”的知识，而且这门课程实用性很强，而学生们的动手能力大都不够强。因此，本文针对材料学专业研究生的特点，结合本学院的教学、科研条件，对“真空科学与技术”这门研究生课程的教学方式进行了初步探讨和改革。 面对现代社会经济发展的需要，本着巩固基础、加强实践、注重创新的宗旨，“真空科学与技术课程教学”围绕着培养学生——基本操作能力——创新能力——实践能力——科研能力——综合能力的模式层层展开，提高学生的综合素质，取得了较好的实践教学效果。 一、现有课程教学中存在的问题和教改的必要性 “真空科学与技术”这门研究生课程主要是功能材料中的稀土永磁材料、薄膜材料、电子信息材料等方向的研究生选修的课程，以前都是教师讲课为主，主要讲述真空的概念和原理、真空常用设备和真空系统等，没有真空技术的动手实验课环节。而选修这门课程的研究生在今后的科研实验中要用到真空泵和真空测量，有很多科研实验在真空环境下完成，真空环境的好坏严重影响实验的效果。所以，要想取得预期的实验效果，学生必须提前掌握真空技术，获取实验所需要的真空条件，为顺利开展实验打下基础。因此，除了原有的教学理论知识外，具体的实际应用和动手能力是非常重要的，不能仅靠单纯的理论知识讲解来全面掌握真空科学和技术。因此，通过增加本课程中实验部分的学习，使研究生进一步深入理解和掌握真空科学与技术的基本知识，和真空获得、测量及真空设备的工作原理，进一步培养研究生的独立性、创新性和实际动手能力。 希望通过对本课程的全面学习，使研究生能够了解有关真空科学的基础知识和基本原理，熟悉真空的获得方法、设备以及相关控制仪器、仪表的基本原理和使用方法。掌握常用真空设备的正确应用和日常维护技术，合理利用真空技术进行材料的制备与加工。 这种教学方法强调的是培养学生基本的动手能力，可以让学生们放心大胆地去操作，不会缩手缩脚、畏首畏尾。教师会反复要求学生拆解真空设备，这对认识真空系统有极大的帮助。通过这些训练，学生们能够熟练掌握真空设备的操作要点，大大加强了学生们将来从事工作必须具备的基本功训练。学生们对真空设备和仪器的直观认识激发了学生对本门课程的兴趣。总而言之，提高学生的基本动手能力和学习的主动性是实践教学要完成的第一任务。 二、新的课程设计和教学方法 （一）课程设计 原有32学时的“真空科学与技术”课程都是课堂教学，因此我们对课程教学大纲进行了改革，精简了课堂教学内容，课堂授课变为24学时，增加了8学时的实验课，因此，最后本课程的课堂教学内容为：真空的基本概念、真空中的气体迁移、真空中气体的流动、真空中的气固界面现象与吸附理论、荷能粒子与表面的相互作用、真空中气体放电的物理基础、放电理论基础、真空的获得与控制方法及其常用仪器设备等。同时结合课堂教学增加了8学时的实验室动手环节，如真空系统的组成和抽气、充气过程；拆卸机械泵和扩散泵实验；利用热偶和电离真空计测试真空等，要求学生自己动手实验，理解和掌握真空泵与真空测量仪表的工作原理、基本结构、使用条件与维护方法等。 本课程新的课程设计更重视研究生在实验中实际运用真空技术的能力。传统的教学方法的弊端是不利于培养学生解决实际问题的能力，从而导致学生缺少创造性应用的能力。设计配套课程教学的创新性实验，并要求学生自己查资料了解真空系统。教师在这些实验中不仅对实验过程负责，对基本操作技能负责，还应加强对实验设计的引导，使学生关注实验设计，激发学生的创新思维，提高运用知识解决问题的能力。这些都是需要学生认真设计和创新的关键环节。整个实验涉及知识面广，动手环节多，思考和讨论的问题多，要求学生大胆认真、细心耐心地做好每一个环节。实践证明，综合性的创新性实验确实能培养学生的动手能力、创新精神和创新能力，增强学生的好奇心，提高他们分析问题和解决问题的能力，为今后的学习和工作打下了良好的基础。 （二）教学方法 研究生课程都是每周一次4学时的课程，共8周，合计32学时。第一次上课时，前两节课首先和选课的研究生认识，介绍本课程的内容和安排，讲述了真空的基本概念和气体等相关知识，然后三、四节课带领全体学生来到实验室，先初步认识真空系统和设备，为后面的真空知识的讲解打下认识基础。由于研究生们原来基本没有接触过真空知识和真空设备等，因此，教改以前上课的时候，学生对这些真空知识理解起来比较困难。对此，我在第一次课的三、四节课，就提前安排学生们来到实验室先认识接触真空设备和进行基本操作，结果证明是非常有效的，这样在课堂讲解真空知识时，研究生们很容易将一些知识点和在实验室看到的真空知识结合起来，理解起来就容易些了。 在上完第四周的课程后，根据课程安排，这时候研究生们已经对真空知识了解了较多了，我安排了一次4学时的实验课，主要进行拆卸机械泵和扩散泵实验。由于本课程有15名研究生选课，因此，我将学生分成5个小组，每组3名学生。每个组各一台机械泵和扩散泵进行拆卸、清理和重新装配。实验开始前，我首先检查学生们这4周课堂学习的情况。向学生提出问题，了解他们对课程掌握的情况，然后讲解实验课涉及的理论知识，并进行示范操作，最后安排5组学生分别拆卸机械泵和扩散泵。在实验过程中我全程参加实验，随时指导学生操作。当学生遇到困难时，通过引导使其自行独立解决问题，以培养学生的独立思考能力和实验操作能力。实验结束后，我与学生一起就实验过程中出现的问题进行讨论、分析和总结，培养学生严谨的科学态度。并对表现出色的同学进行了表扬。 在经过二周课堂教学后，在最后一次课时，我首先安排头两节课为实验课，带领所有学生来到实验室，对真空系统组成和操作、真空仪表测量、真空系统的漏气和检漏等重要的真空知识点进行现场讲解，并让研究生们自己动手操作，继续加强学生们对真空系统的实际动手能力。然后在3、4节课回到教室，我对本课程进行全面回顾和总结，帮助学生们加深印象，并提出本课程结课报告的要求，要求所有同学在我给出的10个结课题目中任选一个，比如机械泵、扩散泵、分子泵、真空测量仪、真空系统组成的各自介绍等，要求学生自己查找资料，写成word文档在结课两周内交给我。 （三）考核方法 真空科学与技术的研究生课程，主要考核研究生对真空知识的了解，以及对真空系统的基本操作技能和解决实际问题的能力。考核成绩中平时成绩占20%，实验操作成绩占40%，结课报告成绩占40%。这样的成绩比例分配，能够一方面保证学生的出勤率，保证课堂教学知识的理解和掌握，又能够使学生重视实验动手能力，最终达到课堂教学与实验教学相结合，培养研究生最终具备较好的真空知识和实际动手操作真空设备的能力。 三、教改效果和总结 进行了两年的教改后，上过这门课的研究生已经成长为研三的学生了，他们所在研究组的指导老师反映这些学生比以前的研究生具有更好的真空知识和动手能力，有时候组里的真空泵坏了，这些研究生自己就动手进行修理了，不必再等待厂家来人，节省了时间和费用，同时研究生的实验效果得到了更好的保证。而研究生们自己也反映说，上过这门课程以后，对真空了解更多了，因此，在使用真空设备的时候，心里更踏实和自信，能够更好的发挥设备的能力，同时当真空出现问题时，不再一头雾水不知道如何处理了，能够根据所学知识有针对性的进行尝试解决，这样下来，也提高了自己解决实际问题的能力。 目前，很多课程只重视课堂授课，不重视实验教学，因而教学效果并不好。增强学生实验课程比例，将理论和实践相结合，不但能让学生全面掌握真空技术的基本知识和技能，还能提高学生的实验操作能力，培养学生的创新精神。本课程进行了有益的教学改革尝试，取得了较好的实际效果。

文章来源：《真空科学与技术学报》 网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2020/1228/426.html