指導物理類本科生畢業(yè)設計的一些嘗試
指導物理類本科生畢業(yè)設計的一些嘗試郭立平 劉傳勝
�。ㄎ錆h大學物理科學與技術學院，湖北武漢430072）
[摘要] 介紹了筆者在指導物理類大學本科生進行畢業(yè)設計工作中的一些思考和嘗試。針對不同學生的畢業(yè)去向和個人興趣，結(jié)合筆者的科研需要，提出畢業(yè)設計題目、研究目標和應當完成的基本任務。將畢業(yè)設計內(nèi)容與畢業(yè)后繼續(xù)攻讀研究生學位相結(jié)合、與出國留學相結(jié)合、與參加工作的職業(yè)性質(zhì)相結(jié)合，盡可能使學生獲得基本的科研和技術訓練，為畢業(yè)后盡快向所從事工作的順利過渡打下基礎。
[關鍵詞] 畢業(yè)設計；學術研究；研究生學位；出國留學；職業(yè)發(fā)展
[中圖分類號]G642.477
[文獻標識碼] A
[文章編號] 1005-4634 （2012） 06-0049-03
0 引言
作為大學教學的最后一個綜合性環(huán)節(jié)，畢業(yè)設計是學生極為重要的一個學習和訓練過程。畢業(yè)設計的目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。對理工科學生而言，提高畢業(yè)設計的質(zhì)量，是學生提高技術能力并獲取初步科研能力的一個重要環(huán)節(jié)。不同的學生未來所面臨的實際問題可能差別很大。據(jù)統(tǒng)計，近五年來，武漢大學物理科學與技術學院物理類專業(yè)的本科生畢業(yè)后約65%繼續(xù)攻讀研究生學位，20%的學生出國留學，其他學生參加工作。對這些畢業(yè)后不同去向的學生，在畢業(yè)設計階段盡可能進行一些有針對性的科研和技術訓練，對于學生畢業(yè)后盡快向工作過渡是很有意義的。筆者在2008年至2012年期間共指導了23名物理系本科畢業(yè)生作畢業(yè)設計，題目全部來自于所承擔的科研項目，要求學生參加科研項目的某個部分或者環(huán)節(jié)。本文介紹了筆者在指導物理專業(yè)本科生進行畢業(yè)設計方面的一些思索、嘗試和效果。
1 畢業(yè)設計內(nèi)容與出國留學相結(jié)合
在筆者指導的本科生中，先后有多人被國外高校錄取為研究生繼續(xù)深造，如2009屆學生徐水鋼被香港科技大學錄取，2012屆學生周明亮被美國石溪大學錄取。相對而言，國內(nèi)高校的本科生在理論知識的學習上比較系統(tǒng)、深入，而動手能力的培養(yǎng)則比較薄弱；對傳統(tǒng)知識的掌握比較牢固，而對學科前沿的最新動態(tài)則了解不多，專業(yè)知識面和學科視野不夠?qū)拸V。對于這些即將出國深造的學生而言，國外的課程學習并不困難，比較困難的是研究能力的欠缺，因此盡快過渡并適應國外高校的研究工作顯得比較迫切。在指導這些本科生畢業(yè)設計時，特別注意對文獻調(diào)研能力和動手能力的鍛煉。
在文獻調(diào)研方面，要求學生做系統(tǒng)深入的國內(nèi)外文獻檢索，完成對被國際權(quán)威數(shù)據(jù)庫SCI和EI收錄的英文論文的檢索，特別是對本學科國際和國內(nèi)主要專業(yè)期刊和國際頂級權(quán)威期刊的論文檢索，獲得所研究課題的最新文獻和最權(quán)威文獻，以及發(fā)展過程中的關鍵文獻和早期的基礎文獻。在充分掌握文獻的基礎上，先閱讀中文文獻，后閱讀英文文獻，并在組內(nèi)做文獻閱讀報告，進行文獻討論，幫助學生理解文獻內(nèi)容。在此基礎上，撰寫調(diào)研報告，并在組內(nèi)做文獻綜述報告。通過完整的文獻調(diào)研、大量的文獻閱讀、深入的文獻討論和系統(tǒng)的文獻綜述，學生不僅極大地開拓了視野，更重要的是大大提高了獲取知識的能力，為日后快速適應國外研究生生活打下良好基礎。
例如，2012屆學生周明亮同學的畢業(yè)設計題目是《武漢大學離子槍一電鏡聯(lián)機裝置》，所研究的裝置是我國唯一的一臺，目前國際上正在運行的類似裝置總共只有不到十臺。這種裝置可以在離子輻照注入現(xiàn)場原位研究材料的微觀結(jié)構(gòu)變化過程，是研究離子束與物質(zhì)相互的極富特色的稀有設備。該同學不僅對國際上現(xiàn)有裝置進行了全面調(diào)研，而且調(diào)研了自1961年Pashley和Pre sland國際上首次報道利用80 kV透射電子顯微鏡原位觀察Au的電子束輻照損傷以來至今50年來的全部類似裝置。通過對該類裝置發(fā)展歷程的完整調(diào)研，對該類裝置的技術特點、關鍵技術、技術難點、主要應用和未來發(fā)展趨勢有了全面深入的了解，并提高了文獻調(diào)研、閱讀和綜述能力。
對于動手能力的培養(yǎng)，往往有一個誤區(qū)，就是培養(yǎng)學生儀器設備的操作能力。筆者認為，只會操作是不夠的，而是更加強調(diào)對設備的結(jié)構(gòu)、部件的加工、功能的改進、故障的排除等多方面的鍛煉。例如，給周明亮同學的畢業(yè)設計任務是繪制工圖、改進真空、調(diào)節(jié)離子光路、測量離子束流。首先要求該生對裝置進行工程制圖，這對一個從未接觸過工程制圖的學物理的學生來說有一定難度，但他去美國攻讀研究生的研究方向會經(jīng)常涉及制圖問題。(畢業(yè)設計 m.hskjqur.cn)由于了解工程制圖對其未來研究工作的重要性，該生積極自學，在1個月時間內(nèi)就掌握了基本的電腦制圖技術，并繪制了滿足基本要求的圖紙，包括該裝置的主要部件：離子源、聚焦透鏡、雙偏轉(zhuǎn)板、四刀狹縫、光闌、離子束與電鏡接口和真空接口的圖紙，以及按離子光路傳輸?shù)膶嶋H幾何布局進行組裝的完整裝置圖紙。在繪制圖紙過程中，利用裝置出現(xiàn)故障的機會，拆開了裝置并測量其中各部件的尺寸。通過這一過程，該生既培養(yǎng)了繪圖能力，又對裝置的原理有了更直觀的理解，并為后面的裝置改進和調(diào)試打下了基礎。例如，加工并改進了聚焦器與偏轉(zhuǎn)器之間的過渡板，提高了裝置的真空度；用激光準直完成了離子傳輸光路的調(diào)整。在測束流時發(fā)現(xiàn)聚焦高壓加不上去，出現(xiàn)打火現(xiàn)象，高壓搖表測試發(fā)現(xiàn)聚焦透鏡的中間圓筒與地之間電阻很低，于是判斷中間圓筒出現(xiàn)故障，取下后發(fā)現(xiàn)果然是圓筒被擊穿，處理后恢復正常。通過參與束流測試工作，獲得滿意的測量結(jié)果。通過這些繪圖、加工、改進、反復拆裝、多次測量、故障排除、反復調(diào)試等過程，在使學生能力得到鍛煉的同時，也對實際科研中的物理實驗研究所需要的細致、堅持、創(chuàng)新等必備品質(zhì)有了真切的體會。
2 畢業(yè)設計內(nèi)容與攻讀國內(nèi)研究生學位相結(jié)合
在筆者所指導的本科畢業(yè)生中，有的學生考上或被保送到國內(nèi)高�；蜓芯繂挝还プx研究生學位，包括在筆者的指導下攻讀博士學位和碩士學位。對于這樣的學生，筆者將其畢業(yè)設計的研究內(nèi)容與即將開始攻讀研究生學位期間的研究內(nèi)容緊密銜接起來，以利于學生盡快進入研究生階段的學習。實際上，由于研究生一年級學位課程學習任務很重，很難有時間從事研究工作，大多數(shù)學生是在研究生二年級才開始真正有時間投入到科研中。因此，從大學四年級上學期修完本科學分到研究生二年級，留下了一年半的空檔期。但是，如果在畢業(yè)設計期間能受到良好的科研訓練，那么就有可能在讀研究生一年級時在課程學習的同時就能進行一部分研究工作。按照這個思路對準備繼續(xù)攻讀研究生學位的本科畢業(yè)生進行比較深入的科研訓練，取得了較好效果。例如，2008屆本科畢業(yè)生李鐵成考上了筆者的博士研究生，博士論文的研究方向是核技術在材料科學中的應用，包括同步輻射和離子注入技術。為此，布置給該生的本科畢業(yè)設計題目是《Si1-xMnx稀磁半導體的同步輻射研究》，任務是應用同步輻射X射線精細結(jié)構(gòu)譜學（XAFS）對過渡金屬Mn離子參雜硅所制備的磁性半導體進行局域結(jié)構(gòu)分析。其學術背景是，稀磁半導體同時兼有鐵磁性和半導體性質(zhì)，是未來自旋電子學的關鍵材料，在材料如硅單晶中注入峰值濃度約1%的Mn即可產(chǎn)生鐵磁性，因此摻入的少量Mn原子對磁性的產(chǎn)生起著決定性作用。與所有其他物理性質(zhì)一樣，此磁性的產(chǎn)生也起源于其結(jié)構(gòu)的變化，因此，研究Mn原子周圍的局域結(jié)構(gòu)，對于了解鐵磁性的產(chǎn)生機理可以提供關鍵的信息，而XAFS方法則是研究局域結(jié)構(gòu)的獨特技術。該生在本科專業(yè)課學習期間曾系統(tǒng)地學習過XAFS方法，但沒有用該方法研究過實際問題。畢業(yè)設計期間，通過在磁性半導體中的實際應用，學習并熟練掌握了XAFS數(shù)據(jù)處理方法和軟件，并通過對實際數(shù)據(jù)的處理和分析，不但獲得了多個樣品的摻雜原子局域結(jié)構(gòu)結(jié)果，合理解釋了其磁性的微觀結(jié)構(gòu)起源，而且加深了對這種特色實驗方法的理解。進入研究生學習后，立即先后赴上海光源和北京同步輻射裝置做XAFS實驗測量，進一步熟悉了實驗技術，并獲取了新的實驗數(shù)據(jù)。該生將本科論文和研究生期間補充的工作進行總結(jié)后，在國際專業(yè)期刊《Vacuum》上發(fā)表SCI論文一篇，順利實現(xiàn)了本科畢業(yè)設計與研究生階段研究工作的有機銜接。
3 畢業(yè)設計內(nèi)容與參加工作相結(jié)合
筆者指導的畢業(yè)生中有一部分直接參加工作，他們畢業(yè)的主要去向是企業(yè)類用人單位，將主要從事與生產(chǎn)實際相結(jié)合的技術工作，而不是實驗室里的基礎研究。對這部分學生，如何使其盡快從大學課程學習過渡到實際工作，也是值得思考的問題。筆者在指導其進行畢業(yè)設計時，根據(jù)其畢業(yè)后實際的工作性質(zhì)，有針對性地安排畢業(yè)設計內(nèi)容和任務。同時，作為綜合性大學的物理系學生，最基本的科研訓練也是不可缺少的。例如，2008屆畢業(yè)生周國芹同學畢業(yè)后將去華為公司從事軟件開發(fā)，筆者給他的畢業(yè)設計題目是《低活化鋼的穆斯堡爾譜學研究》，主要任務是應用專業(yè)軟件MOSFUN和MBT對穆斯堡爾譜進行擬合分析。同時，要求完成厚度小于30微米的樣品制備、穆斯堡爾譜測量和擬合結(jié)果的物理分析。該同學通過畢業(yè)設計掌握了穆斯堡爾譜的數(shù)據(jù)處理方法和專業(yè)軟件的使用，對軟件所采取的算法也有了比較深入的了解，這種訓練對于其日后從事軟件開發(fā)是有益的。
4 結(jié)束語
本文介紹了筆者在指導物理系本科生畢業(yè)論文方面的一些思考和嘗試。主要是根據(jù)學生畢業(yè)后的去向有針對性地布置內(nèi)容和任務，提高學生的文獻調(diào)研能力、動手能力、數(shù)據(jù)處理能力、分析能力和科研論文寫作能力，為盡快向畢業(yè)后工作的順利過渡打下基礎。通過畢業(yè)設計，有本科生作為第一作者在國際專業(yè)期刊上發(fā)表了SCI論文，有本科生作為第一作者獲得了授權(quán)的實用新型專利，表明這些嘗試獲得了良好的效果。對于本科畢業(yè)生而言，雖然畢業(yè)設計只有短短的三個多月的時間，只占四年的大學學習時間的一小部分，然而卻是大學學習的收官之作，是進行一些最基本的科研和技術訓練的良機，值得不斷地思考、探索和改進，為提高學生的科學和技術素質(zhì)把好最后一關。
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