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指导物理类本科生毕业设计的一些尝试
郭立平 刘传胜
（武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉430072）
[摘要] 介绍了笔者在指导物理类大学本科生进行毕业设计工作中的一些思考和尝试。针对不同学生的毕业去向和个人兴趣，结合笔者的科研需要，提出毕业设计题目、研究目标和应当完成的基本任务。将毕业设计内容与毕业后继续攻读研究生学位相结合、与出国留学相结合、与参加工作的职业性质相结合，尽可能使学生获得基本的科研和技术训练，为毕业后尽快向所从事工作的顺利过渡打下基础。
[关键词] 毕业设计；学术研究；研究生学位；出国留学；职业发展
[中图分类号]G642.477
[文献标识码] A
[文章编号] 1005-4634 （2012） 06-0049-03
0 引言
作为大学教学的最后一个综合性环节，毕业设计是学生极为重要的一个学习和训练过程。毕业设计的目的是培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。对理工科学生而言，提高毕业设计的质量，是学生提高技术能力并获取初步科研能力的一个重要环节。不同的学生未来所面临的实际问题可能差别很大。据统计，近五年来，武汉大学物理科学与技术学院物理类专业的本科生毕业后约65%继续攻读研究生学位，20%的学生出国留学，其他学生参加工作。对这些毕业后不同去向的学生，在毕业设计阶段尽可能进行一些有针对性的科研和技术训练，对于学生毕业后尽快向工作过渡是很有意义的。笔者在2008年至2012年期间共指导了23名物理系本科毕业生作毕业设计，题目全部来自于所承担的科研项目，要求学生参加科研项目的某个部分或者环节。本文介绍了笔者在指导物理专业本科生进行毕业设计方面的一些思索、尝试和效果。
1 毕业设计内容与出国留学相结合
在笔者指导的本科生中，先后有多人被国外高校录取为研究生继续深造，如2009届学生徐水钢被香港科技大学录取，2012届学生周明亮被美国石溪大学录取。相对而言，国内高校的本科生在理论知识的学习上比较系统、深入，而动手能力的培养则比较薄弱；对传统知识的掌握比较牢固，而对学科前沿的最新动态则了解不多，专业知识面和学科视野不够宽广。对于这些即将出国深造的学生而言，国外的课程学习并不困难，比较困难的是研究能力的欠缺，因此尽快过渡并适应国外高校的研究工作显得比较迫切。在指导这些本科生毕业设计时，特别注意对文献调研能力和动手能力的锻炼。
在文献调研方面，要求学生做系统深入的国内外文献检索，完成对被国际权威数据库SCI和EI收录的英文论文的检索，特别是对本学科国际和国内主要专业期刊和国际顶级权威期刊的论文检索，获得所研究课题的最新文献和最权威文献，以及发展过程中的关键文献和早期的基础文献。在充分掌握文献的基础上，先阅读中文文献，后阅读英文文献，并在组内做文献阅读报告，进行文献讨论，帮助学生理解文献内容。在此基础上，撰写调研报告，并在组内做文献综述报告。通过完整的文献调研、大量的文献阅读、深入的文献讨论和系统的文献综述，学生不仅极大地开拓了视野，更重要的是大大提高了获取知识的能力，为日后快速适应国外研究生生活打下良好基础。
例如，2012届学生周明亮同学的毕业设计题目是《武汉大学离子枪一电镜联机装置》，所研究的装置是我国唯一的一台，目前国际上正在运行的类似装置总共只有不到十台。这种装置可以在离子辐照注入现场原位研究材料的微观结构变化过程，是研究离子束与物质相互的极富特色的稀有设备。该同学不仅对国际上现有装置进行了全面调研，而且调研了自1961年Pashley和Pre sland国际上首次报道利用80 kV透射电子显微镜原位观察Au的电子束辐照损伤以来至今50年来的全部类似装置。通过对该类装置发展历程的完整调研，对该类装置的技术特点、关键技术、技术难点、主要应用和未来发展趋势有了全面深入的了解，并提高了文献调研、阅读和综述能力。
对于动手能力的培养，往往有一个误区，就是培养学生仪器设备的操作能力。笔者认为，只会操作是不够的，而是更加强调对设备的结构、部件的加工、功能的改进、故障的排除等多方面的锻炼。例如，给周明亮同学的毕业设计任务是绘制工图、改进真空、调节离子光路、测量离子束流。首先要求该生对装置进行工程制图，这对一个从未接触过工程制图的学物理的学生来说有一定难度，但他去美国攻读研究生的研究方向会经常涉及制图问题。(毕业设计 )由于了解工程制图对其未来研究工作的重要性，该生积极自学，在1个月时间内就掌握了基本的电脑制图技术，并绘制了满足基本要求的图纸，包括该装置的主要部件：离子源、聚焦透镜、双偏转板、四刀狭缝、光阑、离子束与电镜接口和真空接口的图纸，以及按离子光路传输的实际几何布局进行组装的完整装置图纸。在绘制图纸过程中，利用装置出现故障的机会，拆开了装置并测量其中各部件的尺寸。通过这一过程，该生既培养了绘图能力，又对装置的原理有了更直观的理解，并为后面的装置改进和调试打下了基础。例如，加工并改进了聚焦器与偏转器之间的过渡板，提高了装置的真空度；用激光准直完成了离子传输光路的调整。在测束流时发现聚焦高压加不上去，出现打火现象，高压摇表测试发现聚焦透镜的中间圆筒与地之间电阻很低，于是判断中间圆筒出现故障，取下后发现果然是圆筒被击穿，处理后恢复正常。通过参与束流测试工作，获得满意的测量结果。通过这些绘图、加工、改进、反复拆装、多次测量、故障排除、反复调试等过程，在使学生能力得到锻炼的同时，也对实际科研中的物理实验研究所需要的'细致、坚持、创新等必备品质有了真切的体会。
2 毕业设计内容与攻读国内研究生学位相结合
在笔者所指导的本科毕业生中，有的学生考上或被保送到国内高校或研究单位攻读研究生学位，包括在笔者的指导下攻读博士学位和硕士学位。对于这样的学生，笔者将其毕业设计的研究内容与即将开始攻读研究生学位期间的研究内容紧密衔接起来，以利于学生尽快进入研究生阶段的学习。实际上，由于研究生一年级学位课程学习任务很重，很难有时间从事研究工作，大多数学生是在研究生二年级才开始真正有时间投入到科研中。因此，从大学四年级上学期修完本科学分到研究生二年级，留下了一年半的空档期。但是，如果在毕业设计期间能受到良好的科研训练，那么就有可能在读研究生一年级时在课程学习的同时就能进行一部分研究工作。按照这个思路对准备继续攻读研究生学位的本科毕业生进行比较深入的科研训练，取得了较好效果。例如，2008届本科毕业生李铁成考上了笔者的博士研究生，博士论文的研究方向是核技术在材料科学中的应用，包括同步辐射和离子注入技术。为此，布置给该生的本科毕业设计题目是《Si1-xMnx稀磁半导体的同步辐射研究》，任务是应用同步辐射X射线精细结构谱学（XAFS）对过渡金属Mn离子参杂硅所制备的磁性半导体进行局域结构分析。其学术背景是，稀磁半导体同时兼有铁磁性和半导体性质，是未来自旋电子学的关键材料，在材料如硅单晶中注入峰值浓度约1%的Mn即可产生铁磁性，因此掺入的少量Mn原子对磁性的产生起着决定性作用。与所有其他物理性质一样，此磁性的产生也起源于其结构的变化，因此，研究Mn原子周围的局域结构，对于了解铁磁性的产生机理可以提供关键的信息，而XAFS方法则是研究局域结构的独特技术。该生在本科专业课学习期间曾系统地学习过XAFS方法，但没有用该方法研究过实际问题。毕业设计期间，通过在磁性半导体中的实际应用，学习并熟练掌握了XAFS数据处理方法和软件，并通过对实际数据的处理和分析，不但获得了多个样品的掺杂原子局域结构结果，合理解释了其磁性的微观结构起源，而且加深了对这种特色实验方法的理解。进入研究生学习后，立即先后赴上海光源和北京同步辐射装置做XAFS实验测量，进一步熟悉了实验技术，并获取了新的实验数据。该生将本科论文和研究生期间补充的工作进行总结后，在国际专业期刊《Vacuum》上发表SCI论文一篇，顺利实现了本科毕业设计与研究生阶段研究工作的有机衔接。
3 毕业设计内容与参加工作相结合
笔者指导的毕业生中有一部分直接参加工作，他们毕业的主要去向是企业类用人单位，将主要从事与生产实际相结合的技术工作，而不是实验室里的基础研究。对这部分学生，如何使其尽快从大学课程学习过渡到实际工作，也是值得思考的问题。笔者在指导其进行毕业设计时，根据其毕业后实际的工作性质，有针对性地安排毕业设计内容和任务。同时，作为综合性大学的物理系学生，最基本的科研训练也是不可缺少的。例如，2008届毕业生周国芹同学毕业后将去华为公司从事软件开发，笔者给他的毕业设计题目是《低活化钢的穆斯堡尔谱学研究》，主要任务是应用专业软件MOSFUN和MBT对穆斯堡尔谱进行拟合分析。同时，要求完成厚度小于30微米的样品制备、穆斯堡尔谱测量和拟合结果的物理分析。该同学通过毕业设计掌握了穆斯堡尔谱的数据处理方法和专业软件的使用，对软件所采取的算法也有了比较深入的了解，这种训练对于其日后从事软件开发是有益的。
4 结束语
本文介绍了笔者在指导物理系本科生毕业论文方面的一些思考和尝试。主要是根据学生毕业后的去向有针对性地布置内容和任务，提高学生的文献调研能力、动手能力、数据处理能力、分析能力和科研论文写作能力，为尽快向毕业后工作的顺利过渡打下基础。通过毕业设计，有本科生作为第一作者在国际专业期刊上发表了SCI论文，有本科生作为第一作者获得了授权的实用新型专利，表明这些尝试获得了良好的效果。对于本科毕业生而言，虽然毕业设计只有短短的三个多月的时间，只占四年的大学学习时间的一小部分，然而却是大学学习的收官之作，是进行一些最基本的科研和技术训练的良机，值得不断地思考、探索和改进，为提高学生的科学和技术素质把好最后一关。
应用物理学专业的毕业生主要在物理学或相关的科学技术领域中从事科研、教学、技术开发和相关的管理工作。科研工作包括物理前沿问题的研究和应用，技术开发工作包括新特性物理应用材料如半导体等，应用仪器的研制如医学仪器、生物仪器、科研仪器等。应用物理专业的就业范围涵盖了整个物理和工程领域，融物理理论和实践于一体，并与多门学科相互渗透。
应用物理学专业的学生如具有扎实的物理理论的功底和应用方面的经验，能够在很多工程技术领域成为专家。我国每年培养本科应用物理专业人才约12000人。和该专业存在交叉的专业包括物理专业，工程物理专业，半导体和材料专业等。人才需求方面，我国对应用物理专业的人才需求仍旧是供不应求。
应用物理学专业的人才也存在一些问题，该专业的人才虽然就业面比较广，但是往往竞争力不够强，例如虽然他们可能也对半导体材料有一些研究，但是研究的深度比起半导体专业的人才又有一些差距。因此，往往在竞争最好公司的研发部门中，处于下风。也正因如此，人们认为学习应用物理，找到的工作环境一般不会太好，不过这在一定程度上有些夸大其实。有很多IT产业的公司如IBM、朗讯等，对应用物理行业的人才仍旧独有垂青。改革开放以来，我国东部沿海地区的经济中的某些行业，正在逐渐从劳动密集型向技术密集型和资金密集型发展，他们对基础技术的需求越来越大，这些技术虽然大部分从国外进口，但是掌握这些技术，操作这些技术载体的仪器，仍旧需要大量的应用物理专业的人才。这些技术密集型的企业现在大多集中于我国的东部沿海地区，随着新一轮的技术革命，将促进应用物理专业的研究继续向纵深方向发展。
目前，很多应用物理研究的课题仍旧是基础性的，往往需要大量的政府的政策性投入，难以实现产业化，这对于打算毕业后从事应用物理研究的人员来说，是应该做好思想准备的。但是近年来，随着科学发展速度的增快，很多应用物理行业研究出的前沿技术很快便得到了应用，例如中微子通信，就是目前热门课题之一。随着现在学科交叉与学科细分现象的日益明显，知识的更新程度非常快。像应用物理这样基础性专业的人才，由于其可塑性强，基础知识扎实，反而越来越能得到各个行业的重视。
作为一门基础学科的应用科学，近年来我国在应用物理学研究领域内取得了很大的发展，在很多领域内对其它学科也起到很好的促进作用，其中包括信息科学、材料科学、生命科学、能源与环境科学等。单晶硅技术的研究，为我国硬件产业的赶超提供了很好的支持。物理学研究材料的手段，如材料的电磁性能，光性能等，成为材料研究的基础。这些使得应用物理专业的人才在从事具体的科研工作时得心应手。目前，大部分应用物理专业的人才主要集中于以上所述高新技术开发部门，而作为物理的基础教育领域，则少有人问津，我国实际上急需一批应用物理专业的人才从事我国基础物理教育事业。那些有报负的应用物理专业学生，也应该敢于投身于基础教育领域，充分发挥自身的特长。
很多学科脱胎于物理技术的应用，现在又反过来为应用物理的研究创造了更好的条件，计算机技术目前正在逐渐渗入应用物理领域，计算机模拟物理实验，节省了大量的人力物力，这将为应用物理在新世纪迅速发展插翅添翼。因此，应用物理专业的人才应该发挥自身的优势，并且有意识地培养自己多学科的学术素质，这将为自己的事业铺上一条康庄大道。应用物理专业的学生应该注意发挥自身理工结合的特点。在个人动手能力方面进行培养，通过大量的物理学实验，增强自己基础理论的理解。另一方面，学生应该注重学习计算机知识，能够熟练的将计算机应用于工作当中，这样，才能更加发挥应用物理专业人才的优势，在各个领域内生根。
毕业后从事需要坚实的物理理论基础和动手能力的工作，扎实的理论知识以及应用能力，是很多企业任何时候都需要的人才：
技术工程师——企业的工程技术工程师；
教师——从事应用物理相关教育的教师；
发明家——应用物理专业是最富产发明家的地方
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