基于研究型半導(dǎo)體光電類課程的教學(xué)探索

楊國鋒　朱焯煒　張秀梅　闕立志　高淑梅

摘要：半導(dǎo)體光電學(xué)科是理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的新興專業(yè)，針對專業(yè)的特點(diǎn)和半導(dǎo)體光電技術(shù)的發(fā)展需求，本文結(jié)合地域和學(xué)科的實(shí)際情況，提出了學(xué)科在課堂理論教學(xué)措施改善、協(xié)同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建造以及校企合作模式建設(shè)的探索性思考。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光電；研究型；實(shí)踐；教學(xué)探索

中圖分類號：G42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0123-02

近幾年來，隨著半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)和光學(xué)專業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體光電正逐漸成為一門新興的學(xué)科。半導(dǎo)體光電技術(shù)是集現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)信息處理技術(shù)等學(xué)科于一體的綜合性學(xué)科，要求學(xué)生具有扎實(shí)的半導(dǎo)體物理、光電子、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)知識(shí)。該學(xué)科作為光、機(jī)、電、算、材一體的交叉學(xué)科，專科課程較多，涉及知識(shí)面較廣，有其自身的課程特點(diǎn)：既要講授半導(dǎo)體相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，又要補(bǔ)充光電專業(yè)的知識(shí)，還要加強(qiáng)數(shù)理基礎(chǔ)理論教學(xué)；既要圍繞半導(dǎo)體光電專業(yè)核心，又要涉足其他專業(yè)領(lǐng)域；既要重視教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，又要加強(qiáng)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)和科研，不斷更新知識(shí)體系，將最新的行業(yè)信息灌輸給學(xué)生。同時(shí)，隨著近年來固態(tài)半導(dǎo)體LED照明技術(shù)、半導(dǎo)體激光、太陽能光伏和半導(dǎo)體探測器等高新行業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量的具有創(chuàng)新研究能力的技術(shù)人才來從事半導(dǎo)體光電材料、器件以及系統(tǒng)的研究和開發(fā)。這就需要高校培養(yǎng)具有動(dòng)手能力強(qiáng)，基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，綜合分析能力優(yōu)秀的研究型人才。但是目前高校半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)普遍停留在理論層面，缺乏實(shí)踐性內(nèi)容的提升。因而作為一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)，應(yīng)著重加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的全面教學(xué)，逐步開展研究性課程的教學(xué)探索，打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，以形成學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中主動(dòng)思考探索并重視創(chuàng)新性交叉研究的積極教學(xué)模式，為半導(dǎo)體光電學(xué)科建立一個(gè)全新的培養(yǎng)方式。

一、理論教學(xué)中創(chuàng)設(shè)前沿性課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，專業(yè)課程的講授主要依靠講解概念、分析原理、推導(dǎo)公式、得出結(jié)論。而學(xué)生就是按部就班地記筆記、做習(xí)題、應(yīng)付考試。課堂教學(xué)效果完全取決于教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，最終學(xué)生所接受的知識(shí)也僅僅停留在課本的層面，這完全達(dá)不到迅猛發(fā)展的高新的半導(dǎo)體光電學(xué)科的培養(yǎng)要求。這就需要教師打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，開展研究性的教學(xué)方式。研究性教學(xué)是以學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，教師提出一些創(chuàng)新性的問題，以及與專業(yè)相關(guān)的一些前沿性科技專題報(bào)道，學(xué)生在創(chuàng)新性的問題中，借助課本提供的基礎(chǔ)理論和教師提供的相關(guān)資料，借鑒科學(xué)研究的方法，或獨(dú)立探索、或協(xié)作討論，通過探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等方式最終找到解決問題的方案，甚至提出更具有創(chuàng)新性的思路。因此，在教學(xué)過程中，我們應(yīng)嘗試減少課堂講授時(shí)間、增加課堂討論時(shí)間，有意識(shí)地提出一些較深層次的問題：如提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的方法、新型的半導(dǎo)體材料制作光電器件的優(yōu)異性等，有針對性地組織專題討論?？己朔绞揭哉n程設(shè)計(jì)或者專題論文的形式進(jìn)行，以培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新研究能力。此外，要重視階段性總結(jié)和檢查工作，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。教師在注重教學(xué)方式改進(jìn)的同時(shí)，也要重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果的階段性檢查和總結(jié)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是以作業(yè)為考察標(biāo)準(zhǔn)，這種考察的弊端是給學(xué)生提供了抄襲作業(yè)的機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)效果不佳。因此應(yīng)考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段?？梢宰寣W(xué)生將多媒體課件與教材和參考書相結(jié)合，根據(jù)教師在課堂教學(xué)中指出的難點(diǎn)和重點(diǎn)，單獨(dú)總結(jié)出學(xué)習(xí)筆記，并進(jìn)行定期檢查。

二、建立半導(dǎo)體專業(yè)與光電專業(yè)協(xié)同的教學(xué)環(huán)境

半導(dǎo)體光電從理論上來講是研究半導(dǎo)體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉(zhuǎn)換的一門科學(xué)，涉及量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理等一些基礎(chǔ)學(xué)科；從實(shí)踐層面來講，也關(guān)聯(lián)著半導(dǎo)體光電材料、光電探測器、異質(zhì)結(jié)光電器件及其相關(guān)系統(tǒng)的研究。因此，在理論上應(yīng)鼓勵(lì)教師根據(jù)教學(xué)情況，編寫有針對性的，并且包含基礎(chǔ)物理學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、光學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具有交叉性理論的教材和講義，提升學(xué)生在半導(dǎo)體光電交叉領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。同時(shí)需要組織和調(diào)動(dòng)各層次教師，建設(shè)教學(xué)研究中心。結(jié)合老教師的經(jīng)驗(yàn)和青年教師的創(chuàng)意，共同進(jìn)行教學(xué)改革探索。另外，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)探索，不僅需要專業(yè)教師改進(jìn)和完善課堂教學(xué)措施，提升教學(xué)水平和質(zhì)量，同時(shí)也需要專業(yè)的半導(dǎo)體光電材料生長、器件制備和檢測設(shè)備，以及專業(yè)設(shè)計(jì)軟件供教學(xué)和科研使用。該學(xué)科的性質(zhì)決定了教學(xué)的內(nèi)容不能僅僅局限于理論方面，還需要實(shí)驗(yàn)方面的補(bǔ)充和實(shí)踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同的教學(xué)環(huán)境。在具體的操作過程中，以光譜分析為例，傳統(tǒng)的光譜分析光源采用的是一些氣體激光器，我們可以在教學(xué)中利用新型的半導(dǎo)體固體激光器來替代傳統(tǒng)的氣體激光器，將半導(dǎo)體光電器件和光學(xué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，提供兩者協(xié)同的新型設(shè)備。指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中分析新型的光譜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)劣性，以及如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上改進(jìn)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的使用性能，在教學(xué)中鍛煉學(xué)生的協(xié)同學(xué)科的技能性訓(xùn)練。進(jìn)一步可以引入顯微鏡成像技術(shù)，采用簡易的一些光學(xué)元器件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓學(xué)生動(dòng)手搭建顯微成像設(shè)備，鍛煉學(xué)生對光學(xué)系統(tǒng)的整體認(rèn)知能力，并且可以提升傳統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍。這一系列交叉協(xié)同教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建立有利于打破教學(xué)和研究的界限，打破學(xué)科的界限，突出半導(dǎo)體光電學(xué)科的交叉性特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的全面性掌握，為研究型的教學(xué)模式開辟新的途徑。

三、建立前沿性半導(dǎo)體光電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

半導(dǎo)體光電涉及的領(lǐng)域很廣泛，單純的理論教學(xué)不能滿足學(xué)生對于高新的工程應(yīng)用的直觀認(rèn)識(shí)，許多設(shè)備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學(xué)生不易理解。因而需要重視研究型實(shí)踐教學(xué)。在條件允許的情況的，將半導(dǎo)體材料生長和器件制造設(shè)備引入課堂，讓學(xué)生深刻掌握器件的制造流程。同時(shí)可以引入先進(jìn)的光電檢測設(shè)備，讓學(xué)生開展一些器件的檢測實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中熟悉器件和光電系統(tǒng)的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同時(shí)還可以讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學(xué)研究問題。以半導(dǎo)體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設(shè)備較為精密、價(jià)格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當(dāng)?shù)腖ED材料生長設(shè)備MOCVD的一些生長過程的實(shí)物圖片和視頻，以及半導(dǎo)體器件制備的薄膜沉積、光刻制作和刻蝕工藝的流程圖和視頻，讓學(xué)生盡可能地將抽象的理論與具體實(shí)踐聯(lián)系起來。此外，購置現(xiàn)成的LED器件和光電檢測設(shè)備，利用光電測試設(shè)備對LED器件開展一些電學(xué)和光學(xué)性能的檢測，在測試過程中讓學(xué)生對LED光電轉(zhuǎn)換基本原理和不同測試條件對器件光電性能影響的物理機(jī)制開展探索性研究。對于阻礙LED發(fā)展的一些前沿性難題進(jìn)行深刻的思考和分析，提出合理的改進(jìn)和解決方案?；趯W(xué)科的科研實(shí)驗(yàn)條件，我們還可以提出項(xiàng)目教學(xué)法，把教學(xué)內(nèi)容通過“實(shí)踐項(xiàng)目”的形式進(jìn)行教學(xué)，為了能夠一個(gè)半導(dǎo)體和光電專業(yè)相協(xié)同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含多門課程的知識(shí)。項(xiàng)目教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，將相對獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理。信息的收集，方案的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施及最終評價(jià)報(bào)告，都由學(xué)生負(fù)責(zé)完成，學(xué)生通過該項(xiàng)目的進(jìn)行，了解并把握實(shí)驗(yàn)制造和檢測得整個(gè)過程及每一個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求，教師在整個(gè)過程中主要起引導(dǎo)作用。以此來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐性、研究性學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生扮演項(xiàng)目研究者的角色，在研究項(xiàng)目情景的刺激下及教師的指導(dǎo)下主動(dòng)開展探究活動(dòng)，并在探究過程中掌握知識(shí)和學(xué)習(xí)分析問題、解決問題的方法，從而達(dá)到提高分析問題、解決問題能力的目的。這樣才具備一門前沿性的學(xué)科所應(yīng)該達(dá)到的理想效果。

四、建立專業(yè)校企合作基地

半導(dǎo)體光電專業(yè)需結(jié)合地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，建立專業(yè)的校企合作基地。校企合作是高校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才的重要模式，是實(shí)現(xiàn)高校培養(yǎng)目標(biāo)的基本途徑。以江南大學(xué)為例，可以依據(jù)無錫當(dāng)?shù)毓I(yè)的發(fā)展中心，與半導(dǎo)體光電類企業(yè)，如無錫尚德太陽能股份有限公司、江蘇新廣聯(lián)LED器件制造企業(yè)、LED照明企業(yè)實(shí)益達(dá)、萬潤光子等公司進(jìn)行深入合作，建立企業(yè)實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學(xué)生去企業(yè)進(jìn)行參觀，了解半導(dǎo)體光電類產(chǎn)品的產(chǎn)線制造過程。還可以安排有興趣的學(xué)生在學(xué)有余力的同時(shí)進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用生產(chǎn)中，并且可以利用理論知識(shí)來解決實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的一些問題。以實(shí)際產(chǎn)線的需求分析為基礎(chǔ)，結(jié)合理論教學(xué)的要求，建立以工作體系為基礎(chǔ)的課程內(nèi)容體系；實(shí)施綜合化、一體化的課程內(nèi)容，構(gòu)建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間三者結(jié)合的教學(xué)場所。最終積累一定的合作經(jīng)驗(yàn)后，校企可以合作開發(fā)教材，聘請行業(yè)專家和學(xué)校專業(yè)教師針對課程的特點(diǎn)，結(jié)合課堂基礎(chǔ)和生產(chǎn)實(shí)踐的要求，結(jié)合學(xué)生在相關(guān)企業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)的進(jìn)展，編寫出符合高校教學(xué)和企業(yè)生產(chǎn)需求的新型校企雙用教材。

綜上所述，要開展研究型半導(dǎo)體光電類課程的教學(xué)探索，首先要突破傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，根據(jù)課堂教學(xué)需求，改善課堂教學(xué)措施，形成有創(chuàng)意、有個(gè)性化的課堂特色，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

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