趙洪陽(yáng)　付秋明　陶洪　馬志斌

摘 要 針對(duì)工業(yè)等離子體原理課程所需要的理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，從教學(xué)手段、教學(xué)模式和實(shí)踐教學(xué)方面，讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)，取得了較好的教學(xué)成果。

關(guān)鍵詞 工業(yè)等離子體原理 教學(xué)模式 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.050

Talking about the Importance of Integrating Theory Teaching and

Practice of "Industrial Plasma Principle"

ZHAO Hongyang， FU Qiuming， TAO Hong， MA Zhibin

（College of Materials Science and Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan， Hubei 430073）

Abstract Aiming at the combination of theory and practice required for the industrial plasma principle course， from the aspects of teaching methods， teaching modes， and practical teaching， students can turn from passive learning to active learning and achieve better teaching results.

Keywords industrial plasma principle； teaching mode； practice teaching

0 引言

1808年，Sir Humphry Davy發(fā)明了弧光放電，開(kāi)始了人類對(duì)等離子體在科學(xué)領(lǐng)域中的研究。1879年，Sir william Crookes把等離子體定義為物質(zhì)的第四態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子體態(tài)。當(dāng)我們加熱一個(gè)固體時(shí)，在一定溫度固態(tài)物體變成液態(tài)，繼續(xù)升高溫度變?yōu)闅鈶B(tài)，如果我們繼續(xù)加熱升溫，單個(gè)原子將分裂成許多電子和帶正電的離子，形成了物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體態(tài)。等離子體這個(gè)術(shù)語(yǔ)是Irving Langmuir在1928年提出的，最原始的定義為離子和電子群的近似電中性的集合體，并且能夠?qū)﹄妶?chǎng)和磁場(chǎng)做出響應(yīng)。工業(yè)等離子體中，認(rèn)為等離子體是由正、負(fù)帶電粒子組成的、幾乎電中性的集合體，并且強(qiáng)烈地與本底中性氣體相互作用。因?yàn)檎?fù)帶電粒子的存在，在等離子體的教學(xué)中，需要復(fù)習(xí)電磁場(chǎng)的相關(guān)內(nèi)容，研究帶電粒子在電磁場(chǎng)中的行為，以便更好地解釋等離子體的整體特性。另外，等離子體是沒(méi)有任何本證張力或者壓力的一種介質(zhì)，其行為與固體、液體、氣體都有本質(zhì)的區(qū)別。不能夠用這些常識(shí)來(lái)解釋等離子體中的現(xiàn)象，不能讓學(xué)生產(chǎn)生思維定式，這樣就更難以理解等離子體中的基本現(xiàn)象和原理。

1工業(yè)等離子體教學(xué)遇到的難點(diǎn)

與等離子體相關(guān)的研究和發(fā)展具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)榈入x子體的特性受到大量參量的控制，導(dǎo)致成為一個(gè)多變量的問(wèn)題。另外，由于高動(dòng)力學(xué)溫度和能量密度，使得等離子體的實(shí)時(shí)診斷也變得非常困難。等離子體是一個(gè)龐大的科學(xué)體系，包括等離子體物理、等離子體化學(xué)、等離子體科學(xué)或者工程。其中，等離子體物理是物理學(xué)科的一個(gè)分支，包括支配等離子體行為的基本定律和物理過(guò)程，研究分支包括磁流體動(dòng)力學(xué)和電流體動(dòng)力學(xué)；等離子體化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支，研究當(dāng)存在等離子體時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；等離子體科學(xué)或者等離子體工程研究等離子在重要工業(yè)裝置中的應(yīng)用，等離子體工程包括等離子體材料加工、等離子體裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用等。在工業(yè)等離子體中，產(chǎn)生等離子體很容易做到，然而，能夠控制等離子體的狀態(tài)和實(shí)時(shí)調(diào)制等離子體參數(shù)，以便將等離子體更好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，這是一個(gè)重要的課題和工業(yè)等離子體領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題。另外，不同于凝聚態(tài)物理研究等離子體的方法，工業(yè)等離子體原理的教學(xué)中，需要重點(diǎn)讓學(xué)生掌握等離子體在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，這需要理論和實(shí)踐的互相結(jié)合。記得剛開(kāi)始上等離子體課程的時(shí)候，為了調(diào)動(dòng)同學(xué)們的積極性，我告訴大家我們生活中的等離子體，包括閃電、日光燈管、空間電離層，等等。我也讓大家踴躍發(fā)言，其中一個(gè)同學(xué)問(wèn)：“老師，我們能像把空氣抓到手中那樣，把等離子體握在手中嗎？”同學(xué)們非常好奇等離子體到底長(zhǎng)什么樣子，大家的好奇心，也讓我覺(jué)得授課是一門學(xué)問(wèn)更是一門藝術(shù)，大家共同探討有趣的話題，生動(dòng)的課程師生都受益匪淺。

等離子體技術(shù)與材料的結(jié)合是本校材料物理專業(yè)人才培養(yǎng)的一個(gè)特色。工業(yè)等離子體原理講述等離子體基礎(chǔ)知識(shí)、工業(yè)等離子體工程的原理及物理過(guò)程和等離子體在材料合成與加工中的應(yīng)用，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生掌握等離子體技術(shù)在材料學(xué)中的應(yīng)用等知識(shí)，對(duì)工業(yè)等離子體的原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用有比較全面的掌握。了解等離子體技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，等離子體工程的社會(huì)作用，等離子體的基本定義以及各種等離子體的產(chǎn)生方法，等離子體在材料領(lǐng)域的主要應(yīng)用等。要求學(xué)生理解帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，氣體放電的原理，射頻、微波與等離子體的相互作用機(jī)理，等離子體化學(xué)氣相沉積、刻蝕、表面改性的原理。課程要求通過(guò)學(xué)習(xí)，能結(jié)合實(shí)際掌握等離子體的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。

2教學(xué)方法的改革

在課堂教學(xué)中，傳授的比較局限，往往更多的是原理性的內(nèi)容，已經(jīng)在教學(xué)改革中，加入了適量的視頻，更加生動(dòng)地講授工業(yè)生產(chǎn)中等離子體發(fā)揮的具體作用，以及如何設(shè)計(jì)等離子體使其更好地應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐中。結(jié)合課程的內(nèi)容，在課程結(jié)束后進(jìn)行等離子體實(shí)驗(yàn)的課程，具體實(shí)驗(yàn)包括：微波等離子體化學(xué)氣相沉積實(shí)驗(yàn)、直流電氣擊穿放電實(shí)驗(yàn)——放電原理理解、等離子體參數(shù)的測(cè)定及帕郉定律的驗(yàn)證。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練，對(duì)理論課上所學(xué)的知識(shí)加深認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究等方面的綜合能力，特別是能了解等離子體的產(chǎn)生技術(shù)，能利用等離子體技術(shù)在材料合成、表面改性、材料加工等方面進(jìn)行初步的應(yīng)用。

2.1 學(xué)生參與到教學(xué)中

一方面，理論的教學(xué)內(nèi)容較為空洞，換位思考，讓學(xué)生認(rèn)真聽(tīng)完50分鐘的課程，并且全神貫注、思維活躍，這是非常困難的事情。因?yàn)榈入x子體是多時(shí)空尺度、多自由度的多粒子體系，所以存在著大量的運(yùn)動(dòng)模式，等離子體中存在的可以激發(fā)這些模式的自由能是有限的。如果這些自由能集中驅(qū)動(dòng)某一個(gè)快尺度模式，則這個(gè)模式會(huì)很快增長(zhǎng)起來(lái)，這些模式都可能被激發(fā)但是都長(zhǎng)不大，我們可以看到一個(gè)具有一定寬度的譜帶。如果這個(gè)譜帶很窄，則我們可以用波包或者準(zhǔn)線性理論來(lái)處理。如果譜的分布很寬，那么就成為湍流。等離子體的一個(gè)最重要特性是不穩(wěn)定性。微小的擾動(dòng)就能在等離子體中激起各種等離子體波（或稱為等離子體激元）。所以，需要很多的原理和假設(shè)來(lái)理解等離子體的狀態(tài)，針對(duì)理論教學(xué)的枯燥性，設(shè)計(jì)了一種“小老師”的模式，在課程講授一半以后，尤其在學(xué)生學(xué)完了第四章“等離子體的特性”之后，對(duì)等離子體的基本原理已經(jīng)掌握，書(shū)中剩下的內(nèi)容，重點(diǎn)在于理論和實(shí)踐的結(jié)合。所以，讓學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行幻燈片的制作和課堂教學(xué)，讓學(xué)生投入到實(shí)際教學(xué)中，在制作幻燈片的同時(shí)，學(xué)生可以更深刻地理解相關(guān)的內(nèi)容，并且在調(diào)研的過(guò)程中，對(duì)等離子體的相關(guān)知識(shí)有了更全面更廣泛的了解。在知道我們學(xué)習(xí)的理論知識(shí)是可以投入到工業(yè)生產(chǎn)中，是可以成為武漢支柱產(chǎn)業(yè)時(shí)，是可以自主創(chuàng)業(yè)時(shí)，是某些高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新核心力量時(shí)，我認(rèn)為學(xué)生的積極性將會(huì)被調(diào)動(dòng)，從被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)。在聽(tīng)到有些師兄已經(jīng)利用學(xué)到的等離子體知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)業(yè)，學(xué)生們非常振奮，專業(yè)基礎(chǔ)課程對(duì)于我們今后的工作選擇和考研專業(yè)的選擇非常重要，身處一個(gè)有前途有發(fā)展的行業(yè)，對(duì)學(xué)生的積極性調(diào)動(dòng)起到非常重要的作用。

2.2 課堂理論教學(xué)與企業(yè)實(shí)踐相結(jié)合的重要性

為了讓同學(xué)們更加透徹地理解工業(yè)等離子體的原理和應(yīng)用，實(shí)踐起到重要支撐作用。武漢工程大學(xué)的等離子體省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京泰克諾基團(tuán)一直保持著良好的合作，我們的畢業(yè)生進(jìn)入泰克諾基團(tuán)工作，成為技術(shù)骨干。在工業(yè)等離子體原理課程講授完成以后，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入泰克諾集團(tuán)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，讓同學(xué)們看到、操作到、參與到工業(yè)等離子體的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)踐中來(lái)，學(xué)生對(duì)書(shū)本中學(xué)到的理論有了更深層次的理解。例如，工業(yè)等離子體的應(yīng)用，大家想到的往往是等離子體顯示器，這當(dāng)然是等離子體非常重要的應(yīng)用。但是，在普通的工業(yè)生產(chǎn)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，等離子體也發(fā)揮了重要的作用。

從我們經(jīng)?？吹降碾娀≌勂?，電氣放電的電弧狀態(tài)也是等離子體態(tài)，電弧是由Sir Humphrey Davy在1808年報(bào)道的，他是用皇家研究所大電池組所做的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的，根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，我給同學(xué)們講了一些故事，講授歐洲和亞洲的不同，歐洲的建筑大都是石頭，我國(guó)喜歡木制，而Davy的父親就是一位愛(ài)好木藝的工匠，引出Davy做出重大發(fā)明的前后過(guò)程和巨大付出，Davy從小性格活潑，是發(fā)明化學(xué)元素最多的科學(xué)家，而且都是活潑的元素；他做實(shí)驗(yàn)用的就是伏特電堆，其實(shí)準(zhǔn)確的說(shuō)是伏特堆，因?yàn)槟菚r(shí)候還沒(méi)有電的概念。Davy曾經(jīng)經(jīng)常以表演的形式做科學(xué)傳播，當(dāng)年，聞“笑氣”成為一種時(shí)尚。Davy在地下室做實(shí)驗(yàn)，他將許多當(dāng)個(gè)的電池以串-并聯(lián)形式連接起來(lái)，第一次容許在適中的高電壓下同時(shí)產(chǎn)生大電流，這就是最早期的電弧實(shí)驗(yàn)，電弧水平的運(yùn)行，其灼熱氣體的浮力引著電弧向上彎曲，所以得名：弧。因?yàn)殡娀〉母吣芰扛吡炼?，Davy的眼睛也受傷了。另外，講授了Davy當(dāng)時(shí)的崇拜者和助手法拉第，講授性格如何決定人生，就像材料物理專業(yè)，材料物理是研究材料的本質(zhì)，例如金剛石具有很大的硬度和折射率，為什么？結(jié)構(gòu)和原子堆積決定了材料的性質(zhì)。所以同學(xué)們的日積月累，性格和好的學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成至關(guān)重要。

在我們實(shí)驗(yàn)室中，等離子體技術(shù)可以用來(lái)制備金剛石晶體，金剛石多晶可應(yīng)用于磨具、鉆頭等，具有諸多用途，金剛石單晶被譽(yù)為第四代半導(dǎo)體以及終極半導(dǎo)體，是國(guó)家重要的戰(zhàn)略材料。在我們痛恨的“薩德”系統(tǒng)中，用到了第一代、第二代、第三代半導(dǎo)體材料，所以高質(zhì)量的金剛石單晶是對(duì)國(guó)家重要的國(guó)防戰(zhàn)略材料。國(guó)際上售賣的金剛石制備裝置，往往受到很多制約，或者已經(jīng)是淘汰的舊的裝置，或者是根本不告知工藝參數(shù)，無(wú)法得到高質(zhì)量大尺寸的金剛石晶體。我們實(shí)驗(yàn)室的特色就是微波等離子體裝置制備金剛石晶體，學(xué)生們懂得了等離子體的重要應(yīng)用，也有了更多的興趣學(xué)習(xí)等離子體這門課程。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以利用等離子體鍍膜、材料后處理，在科學(xué)研究中，中科院化學(xué)所、北京理工大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)等等諸多大學(xué)都采用等離子體技術(shù)進(jìn)行新材料的探索。讓同學(xué)們實(shí)際參與設(shè)計(jì)這些設(shè)備，親手操作這些設(shè)備，看到從等離子體產(chǎn)生、材料鍍膜成功、新材料制備成功等一系列等離子體的重要應(yīng)用，再結(jié)合課堂中學(xué)到的內(nèi)容：輝光放電、弧光放電。在理論和實(shí)踐中，將等離子體的原理理解到更深的層次。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近年來(lái)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，形成了理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的教學(xué)模式，該模式教學(xué)效果良好。在近幾年的本科生就業(yè)和研究生入學(xué)考試中，更多比例的學(xué)生選擇到等離子體領(lǐng)域進(jìn)行深造，說(shuō)明對(duì)于同學(xué)們起到了積極的引導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] J.R.Roth，工業(yè)等離子體原理[M].科學(xué)出版社，1998.