郝兰众， 刘云杰， 张亚萍， 刘伟华

(中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

实验教学是提高学生实践能力、培养学生敏锐思维的重要途径，而创新研究性综合性实验教学更是在培养学生综合能力方面起着非常重要的作用[1-2]。大学生在大学4年学到了很多的理论知识，但是当毕业步入社会后，由于一部分人存在着动手能力差、自主创新能力和探索能力不强等缺点，不能适应社会的需求[3-5]。

我校非常重视学生的实践能力的培养，认真贯彻教育部的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》，大力加强实践教学，切实提高大学生的实践[6-7]。大一对全校学生(部分文科除外)开设了工科大学物理实验，经过1年两个层次的工科实验训练，学生具备了基本的实验技能，动手操作能力和主动思考问题得到了一定程度的提高。但这还远远达不到培养综合性、创新型和实践性人才的目标要求。为了让学生能更好地巩固理论知识，掌握大型仪器的操作技能和方法，建立现代科学实验的基本思维方式，培养学生科研探索能力，还应该开设研究型综合性实验[8-9]。实验包括大型仪器的使用，独立设计实验方案以及测试方法的训练等。通过一系列综合性实验的训练，提高学生运用现代科学技术解决实际工程问题的综合素质和创新能力，使学生成为具有综合性思维和科研探索能力的应用型人才，为以后的工作和进一步的深造打下良好的实践基础[10-13]。

MoS2薄膜的H2气敏性是一个典型的专业性综合实验，实验中包括利用磁控溅射仪器制备MoS2薄膜；利用多种分析技术对薄膜的微结构进行表征；通过性能测试，学生分组讨论MoS2薄膜的H2敏感性机理。实验涵盖了物理学、化学以及材料学等方面的知识，实验所涉及的知识面广，能综合应用已学过的理论与实验知识。通过跨学科的培养体系研究，不但能拓宽学生的思维和视野，提高实验综合能力以及新材料研制的科研探索能力，而且对当今高水平大学的学科协同发展和创新人才培养机制的完善都具有重要的意义[14-16]。

1 综合性实验内容设计

1.1 MoS2/Si异质薄膜制备

利用压片机将MoS2粉末压制成圆柱状MoS2溅射靶材。选取单晶p-Si作为薄膜生长用衬底。在薄膜沉积之前，Si基片分别用酒精、丙酮、去离子水、氢氟酸溶液超声清洗，清除衬底表面的附着物和表面的本征氧化层。

将清洗过的Si基片放入磁控溅射仪的溅射室内，采用直流溅射的方法对MoS2靶材进行溅射，从而在Si基片表面获得MoS2薄膜。实验过程中，可以通过改变基片温度、溅射功率、气压等参数获得不同条件下的样品。

通过薄膜制备过程，学生掌握了实验材料准备的清洗步骤和使用磁控溅射仪器的方法，熟练掌握了对大型仪器的操作，从而具备了从事科学研究的基本素养。

1.2 MoS2薄膜结构表征

制备出MoS2薄膜后，首先对其微结构进行表征。在实验过程中，通过查阅文献，学生互相讨论，老师指导等方式，采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)等技术，分别对所制备薄膜的成分、晶格结构和表面结构等进行分析。

图1所示是MoS2薄膜中Mo和S元素的XPS图谱。从图中可以得到，Mo元素的3d5/2和3d3/2的谱峰分别处于229.2 eV和232.4 eV，S元素的2p3/2和2p1/2的谱峰分别位于162.3 eV和163.4 eV。在结果表征和分析过程中，引导学生查阅文献，将实验结果与其他已报道结果进行对比，理解图谱上各种特征所代表的物理含义。通过比较差异性，如峰位和峰强等，分析所制备薄膜材料的微结构特征，如组分结构和缺陷等。

(a)Mo

(b) S

图1 MoS2薄膜XPS图谱

图2所示为MoS2薄膜的XRD图谱。从图中可以看出，制备的MoS2薄膜在2θ=33.9°和69.1°附近有两个强衍射峰出现，分别对应的是(100)和(200)晶面取向。从图中可以看出沉积的MoS2薄膜在硅衬底上具有择优晶向生长。指导学生查阅标准图谱，确认MoS2薄膜的晶格取向，并根据所学固体物理或晶体学等理论，理解MoS2薄膜的晶体结构。

图2 MoS2薄膜的XRD图谱

图3所示是室温条件下制备的MoS2薄膜的AFM图像。从图中可以看出，所制备的MoS2薄膜具有明显的面外生长特征，表面比较粗糙，是由一些致密的锥状纳米颗粒组成。

图3 室温条件下的MoS2薄膜的AFM图像

通过对所制备的薄膜微观结构的表征分析，学生一方面了解掌握了多种表征方法及使用范围，也同时让他们建立了纳米薄膜材料表征分析的基本思维，对以后进行科学研究打下了良好的基础。

1.3 H2敏感性测试

进一步在MoS2薄膜表面和Si基片上压制圆形铟(In)电极，并引出铜(Cu)导线，形成MoS2/Si气敏元件，并完成气敏性能测量与分析。

图4所示为MoS2/Si异质薄膜气敏元件分别在空气和纯H2中的lgI-U曲线。从图中可以看出，曲线具有明显的不对称性。当气体由空气变换到H2时，MoS2/Si异质薄膜的I-U曲线发生了明显的变化，特别是在反向电压范围内。从图中可以看出，H2使所制备的MoS2/Si异质薄膜的反向电流大幅度降低，从而使MoS2/Si异质薄膜对H2表现出明显的响应特性。

图4 MoS2/Si异质薄膜气敏元件在空气和H2中的I-U曲线

图5所示为室温下，当外加电压为-1 V时，MoS2/Si异质薄膜对H2的响应曲线。从图中可以看出，当异质结在空气和H2中交替变换时，异质结器件表现出两种明显的电流状态：在空气中时，异质结表现为高电流状态；在H2中时，则表现为低电流状态。可以看出，MoS2/Si异质薄膜的高低电流状态均具有稳定性强、重复性好等特点。

图5 室温下，外加电压为-1 V时，MoS2/Si异质薄膜对H2的响应曲线

通过对异质薄膜的测试，学生熟悉了测试方法和性能结果分析，并更清楚地理解了课堂上学习的有关气体传感器的相关理论，掌握气体传感器件的设计、评价等应用性技术和知识，激发他们深入开展实验的积极性。通过数据采集、画图、利用所学的理论进行分析等一系列的实验过程，系统地培养学生的综合思维能力。

2 实践运行模式与教学效果

2.1 创新实践教学的运行模式

研究型综合实验的运行模式是教师和学生共同命题。首先教师向学生详细介绍磁控溅射实验仪器，讲解其中涉及到的基本原理和技术。学生通过了解仪器、查阅文献等方式设计实验内容。教师审核后，与学生讨论实验方案的可行性。实验方案通过后，则由教师讲解仪器的使用方法和注意事项，然后由学生自主实验。在实验中，学生独立思考，自主实验，分组讨论，探讨机理，教师起到指导作用，但不过分干涉实验，让学生成为实验的主动者，教师成为实验中的指导者，从而使学生更有兴趣地开展实验。学生可以在现有实验的基础上拓展实验内容，进行更深入更系统的研究，使自主能力的培养贯穿于实验的整个过程。每一个研究型综合实验学生都要经历文献查阅→方案设计→实验操作→性能测试→分析讨论等过程。在整个实验过程中，学生既能掌握仪器的操作，又能学习各种表征和测试方法，还能系统的整合所学的理论知识和实验技能。通过一系列研究型综合实验的训练，可以全方面的锻炼学生的创新和综合思维能力，提高学生的知识应用能力和科研能力，从而培养“厚基础、强能力、高素质”的应用型和复合型创新人才。

2.2 创新实践教学模式的效果

近几年来，依托材料综合实验项目，材料物理与化学专业的学生质量有了很大的提高。实验效果优良的小组通过申报院级、校级以及国家级大学生创新项目，申报发明专利，撰写论文等，使综合实验得到进一步完善。近3年获批校级大学生创新实验项目20余项，其中国家级5项。申请发明专利和实用新型专利10余项，发表论文12篇，并且有多名同学在“挑战杯”全国大学生创业计划大赛中获得优异的成绩。

3 结 语

以MoS2薄膜的制备、结构表征和H2敏感性综合实验为例，阐述了研究型综合性实验教学对培养学生的科研探索能力的作用。结果表明，研究型综合性实验涉及到多个学科，涵盖的知识点比较全面。通过系统的综合性实验训练，培养了学生的创新意识，合作意识以及自主探索能力。独立分析和综合实验能力得到了全面的提高。依托综合性实验的培养，学生在申请项目，撰写论文、各项赛事以及申请专利方面均获得了喜人的成果。