指导物理类本科生毕业设计的一些尝试

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q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 *** 作能力。笔者认为，只会 *** 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。

21世纪，社会进入了信息时代，电子信息工程是现代科学技术发展最快、推动社会前进最为卓越的学科之一，是衡量一个国家现代化水平的重要标志，我国现正处在信息产业的发展期，国家和社会各个领域都需要大量的电子信息工程高级人才。电子信息工程专业是在无线电技术专业和电子工程专业的基础上，为适应社会对人才需求发展的趋势而设立的。本专业进一步完善了专业培养的知识结构，并且加强计算机应用能力、研究开发与设计能力的培养，以适应飞速发展的信息社会对高级电子信息工程技术人才的需要。本专业学生除了学习大学公共课外，还将学习电路分析基础、电子线路基础、数字逻辑电路、信号与线性系统、电磁场理论、微型计算机原理与应用、C++与数据结构、数字信号处理、通信原理、计算机网络技术等专业基础课，以及信息论与编码、数字图像处理、电视原理、电子信息系统等课程，学生可以根据自己的情况和意愿选修通信网、移动通信、光纤通信、自动控制理论等专业课以及反映学科前沿技术的任选课。使学生在构建专业结构时能充分发挥主动性，激发学生的求知欲，并满足学生对能力培养的需求。本专业的师资力量雄厚，有全国知名的专家、教授，并聘有数名国内外知名的专家学者为本专业的客座教授。本专业有教师33名，其中教授10人副教授11人，博士生导师10人，硕士生导师11人。专业具有两个一级学科博士点，并设有博士后流动站；两个工学硕士点（信号与信息处理、电路与系统），一个工程硕士领域。每年招收博士生15名左右，硕士生60名左右。本科生中学习成绩优秀者可以被直接推荐为硕士博士连读研究生。本专业近年出版了20多部教材和专著，承担大量的国家高科技研究项目，如国家自然科学基金项目，国家“863”高科技项目，“九五”、“十五”科技攻关项目，天津市自然科学基金项目，以及教育部、航天部、信息产业部、石化总公司等部门的攻关项目，年科研经费达到数百万元以上。本专业教学设施先进，共设有三个实验室，其中包括新建的流媒体信息平台实验室，电子信息工程实验室和多媒体信息安全实验室，配备有先进的实验仪器、计算机、开发工具等，为学生提供了良好的实习和实验场所。本专业培养的学生具备电子信息系统的设计、应用与研究能力，并能进行现代电子系统及各种信息处理系统方面的研究、设计和制造，就业面宽，发展潜力大。本专业有超过一半的本科毕业生考取本校和其他重点高校的研究生继续深造，已有许多学生进入国内外知名企业、公司担当重任，深受邮电、信息产业、广播电视等部委所属单位、外资企业及合资企业的欢迎。该系学生除学习大学公共课外，将学习电路分析基础、模拟电子线路、数字逻辑电路、信号与线性系统、电磁场与电磁波、计算机原理与应用、C语言与程序设计、数字信号处理、通信原理等专业基础课。还将学习两个专业的专业课以及反映学科前沿课题的任选课程本系培养的人才具备下述几方面的能力:通信、信息的采集、处理、传输、交换、检测，电子技术应用、微波技术、计算机技术的开发与应用以及电子设备与电子仪器、智能仪器、信息系统的设计、研制、开发与应用。本系学生的课外科技活动活跃，在全国和天津地区组织的各种比赛中多次荣获大奖，最近，在世界性的全球DSPS（数字信号处理系统）大赛中进入半决赛。本系师资力量雄厚，具有全国知名的专家、教授，并聘有国内外知名专家学者数名为本系的课座教授。本系共有教师47人，教授14人，占教师总数的29.8%，副教授17人占教师总数36%,博士导师6人,硕士导师16人,设有一个博士点，四个硕士点（通信与信息系统、信号与信息处理、电路与系统、电磁场与微波技术），一个工程硕士学科点。本科生学习成绩优秀者可直接推荐为硕士研究生或直接攻读博士学位。每年招博士生10名左右，硕士生30名左右。本系历年来承担大量的国家高科技项目，如：国家自然科学基金，国家863高科技项目、国家七五、八五、九五科技攻关项目、天津市自然科学基金项目、航天部、航空部、信息部、石化总公司攻关项目、年科研经费最高时超过600万元人民币。电子科学与技术是现代电子科学的心脏和基础，也是国家重点发展的学科之一。本学科的发展状况是衡量一个国家高技术水平的重要标志，目前国家急需电子科学与技术专业的高级人才。电子科学与技术系是在原电子材料与元器件专业及微电子技术专业的基础上，进一步拓宽专业，加强基础，为满足社会人才需求的发展趋势而设立的。新专业进一步完善了专业知识结构，加强电子信息基础、重视外语能力、计算机应用能力，研究开发与设计能力的全面培养，为培养高水平和高素质的高级人才打下了可靠的基础。本系有80%的课程为全院公共课，学生将系统学习电路分析基础、电子线路基础、数字逻辑电路、信号与系统、电磁场理论、微机原理与应用、计算机应用基础、通信技术基础、理论物理、专业物理等专业基础课。还将按照不同的专业方向学习功能材料理论基础、薄膜电子学、晶体管原理、半导体器件工艺原理、信息传感技术、厚薄膜混合集成电路、半导体集成电路、计算材料科学、电子元件可靠性、半导体器件可靠性原理、半导体敏感器件及技术、VLSICAD等专业课及选修课，并参加相关课程的教学实验。本系培养的学生具有扎实的电子科学与技术领域内宽厚的理论基础、实验能力、专业知识和雄厚的电路、信息与系统、计算机的理论基础与应用。毕业生能在该领域内从事各种电子材料、器件、信息传感技术、半导体器件与集成电路、电路与微电子系统、IC设计及计算机应用技术等方面的设计、制造、研究、开发、应用和管理。毕业生除继续攻读硕士、博士学位外，主要分配到科研单位、高等院校、电子信息产业部门等单位。目前，培养的本科生、硕士生、博士生供不应求。本系师资力量雄厚，具有全国知名的专家、教授，并聘请美国耶鲁大学等著名大学教授为本系客座教授。本系共有教师二十余人，工程技术人员近十人。博士生导师、硕士生导师二十余人。设有“微电子学与固体电子学”的硕士点与博士点，并设有博士后工作站。本科生学习成绩优秀者可直接推荐为硕士研究生或直接攻读博士学位。本系历年来承担大量的国家高科技项目，如：国家自然科学基金，国家863高科技项目，国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目，信息产业部、教育部、国家计委等部委的科技攻关项目，天津市自然科学基金项目，博士点基金项目，国家重点联合实验室项目等，“七五”到“九五”期间共完成八十余项国家和省部级重点项目。获国家教委、电子部、天津市等科技进步奖多项。近年来，在国内外学术期刊上共发表论文100多篇，出版专著十几本，获国家专利多项。目前我系在研项目二十余项，总经费达800多万元。本专业在基础研究和应用研究方面已形成了自己的特色。主要研究方向有固体电子学方向和微电子学方向。集成电路设计与集成系统专业介绍集成电路设计与集成系统是微电子、通信、信息、计算机和自动化等领域的交叉学科，是现代电子信息技术的核心和基石，是自主创新的集中体现。本专业主要以培养高层次、应用型、复合型的人才为目标，为集成电路、通信、电子信息和计算机领域培养具有集成电路设计和电子系统知识的新型研究人才和工程技术人才。近年来，中国集成电路产业取得了飞速发展，由集成电路产业带动下的数字化3C技术（计算机（Computer）、通讯（Communication）和消费电子产品（ConsumerElectronic））、电子信息技术、汽车电子技术、数字医疗技术的融合发展以及计算机国际互联网的广泛应用孕育了大量的新兴产业迅速发展和壮大，对集成电路设计与集成系统专业领域的人才具有庞大的需求。集成电路设计与集成系统专业是教育部根据“面向国家战略需求、面向世界科技前沿”的方针，而设立的专业，培养国家急需的高层次人才。本专业有国家集成电路人才培养基地作支撑，是微电子学与固体电子学国家重点学科的重要组成部分，是教育部高等学校特色专业建设点和国家信息技术培养工程首批设定的紧缺专业之一。天津市集成电路设计中心、天津市集成电路设计技术培训中心、天津大学专用集成电路设计中心是本专业的重要教学和科研基地。本专业所属学科拥有一级学科博士点，博士后流动站，博士和硕士学位授予权。本专业拥有一支实力雄厚的师资队伍，其中包括国外专家、享受国务院特贴专家等。现有教授10人，副教授7人，其中博士生导师8名，硕士生导师13名。本专业组建了由20名国内外院士、专家构成的“专家讲师团”，定期进行访问讲学，并同美国耶鲁大学、伯克利大学、德州A&M大学、休斯顿大学、日本广岛大学、加拿大多伦多大学、温莎大学、萨省大学、东京理科大学等国际知名大学长期开展学术交流。本专业拥有先进的教学手段及国际一流现代化的教学科研设施，集成电路与集成系统设计软硬件教学环境优越，仪器设备总价值上亿元。近五年来，本专业教师先后承担了国家863、973、自然科学基金、国家各部委、天津市和国内外企业委托的科研任务50余项，涉及数字集成电路、模拟集成电路、射频集成电路、系统芯片、通信电路和集成系统等领域。本专业学生在学习电类课程的基础上，将系统学习：信号与系统、通信原理、计算机体系结构、半导体物理与器件、集成电路工艺技术、集成电路封装与测试技术、半导体集成电路、射频集成电路、集成电路设计专用语言、系统芯片SOC设计技术、嵌入式系统等课程。本专业在注重理论知识的同时，强化实践教学环节。本专业与天津市集成电路设计中心和著名企业（摩托罗拉、三星电子、中芯国际、飞思卡尔半导体、中国科学院、中电科技集团、航天科技集团）共建了十余家实训基地和联合实验室，开展课程设计、实验、生产实习和毕业设计等环节，使学生将所学理论知识转化为实际的技能，为学生提供良好的实践教学环境、广阔的择业空间和良好创新平台。本专业毕业生基础扎实、实践能力强，具备集成电路设计、制造、测试和集成系统的研发能力。绝大部分考取国内外著名大学和研究机构研究生，可从事集成电路、电子系统、通信、计算机等领域的工作，毕业生供不应求，待遇优厚。

集成电路中的二极管不同于一般的二极管，通常是采用三极管来作为二极管使用的。

可参见“http://blog.163.com/xmx028@126/”中的有关"IC中的pn结二极管"的说明。

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