《有機(jī)光電材料和器件》課程建設(shè)探索*

劉俊霞，張文凱，房曉敏

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的科學(xué)家們聚焦于信息、生命、材料和物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域，力爭在一些戰(zhàn)略性基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位，并在關(guān)鍵核心材料與技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新，促使國家在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中贏得競爭優(yōu)勢。柔性電子學(xué)便是在這樣的時(shí)代背景下，經(jīng)過學(xué)科高度交叉融合產(chǎn)生的新興學(xué)科，在我國自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位。柔性電子學(xué)的核心是“柔性”，因此各種有機(jī)光電材料的設(shè)計(jì)及其電子器件的制備成為了柔性電子技術(shù)的關(guān)鍵。為滿足我國當(dāng)代柔性電子學(xué)方面的人才需求，我校從2018年開始對應(yīng)用化學(xué)專業(yè)、材料化學(xué)等開設(shè)專業(yè)選修課程《有機(jī)光電材料和器件》。該課程主要是通過對有機(jī)光電材料的基本結(jié)構(gòu)及其前沿科研動態(tài)的介紹，使學(xué)生深入認(rèn)識有機(jī)光電材料的性質(zhì)，并系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)材料在光致變色、場效應(yīng)晶體管、電致發(fā)光、太陽能電池等光電器件的制備和應(yīng)用，為高素質(zhì)的專業(yè)人才奠定重要的理論基礎(chǔ)。

1 課程建設(shè)的必要性

進(jìn)入21世紀(jì)，作為現(xiàn)代高科技發(fā)展中重要物質(zhì)基礎(chǔ)，光電材料越來越受到各國政府及科學(xué)家的關(guān)注。在光電信息高速發(fā)展的時(shí)代，光電材料種類需求與日俱增、性能日新月異，迫切需要開發(fā)一批新型的光電材料。有機(jī)光電材料是一類具有光和(或)電活性的有機(jī)化合物，能夠在分子尺度上實(shí)現(xiàn)對電子運(yùn)動的調(diào)控，又稱為有機(jī)半導(dǎo)體?；谟袡C(jī)光電材料的器件能夠突破經(jīng)典硅電子學(xué)的本征局限，具有光電響應(yīng)快、易加工、成本低、質(zhì)輕、柔性及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感、可穿戴設(shè)備、晶體管、顯示與照明、信息存儲及太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。因此，有機(jī)光電材料和器件已經(jīng)成為化學(xué)和材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)，并且取得了一系列重大進(jìn)展。同時(shí)，基于有機(jī)光電材料和器件的產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，正逐步改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ?，比如基于有機(jī)電致發(fā)光(OLED)技術(shù)手機(jī)和電視隨處可見，最近又推出了基于OLED的地鐵“魔窗”，使未來顯示觸手可及，為更智能、更高效和更安全的智慧出行提供技術(shù)支撐。由此可見，有機(jī)光電材料和器件已經(jīng)與我們的生活密不可分了，并且在自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位。

多年以來，人才強(qiáng)國一直是我國的國家戰(zhàn)略，其中最基本的就是要加強(qiáng)高層次專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和隊(duì)伍建設(shè)。人才培養(yǎng)是大學(xué)的本職職能，而且本科教育是我國高等教育中的重中之重，承擔(dān)為國家和社會培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重任，因此其教育教學(xué)至關(guān)重要。本科生教育必須針對專業(yè)特點(diǎn)和社會對人才的需求制定相應(yīng)的培養(yǎng)模式[1]。本科生不僅掌握扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論，初步培養(yǎng)科研興趣，更需要與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)了解科研前沿和社會發(fā)展的動態(tài)，特別是與相關(guān)專業(yè)相關(guān)的領(lǐng)域。有機(jī)光電材料和器件的多學(xué)科高度交叉融合性，打破了傳統(tǒng)學(xué)科間的壁壘，促進(jìn)新興前沿交叉學(xué)科的建設(shè)，并激發(fā)各類人才的創(chuàng)新活力和潛能，為構(gòu)筑人類命運(yùn)的共同體作新貢獻(xiàn)。目前，國內(nèi)已有大批的科研院校開設(shè)有關(guān)有機(jī)光電材料和器件研究方向，如：華南理工大學(xué)的光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)的天津市“分子光電科學(xué)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，西北工業(yè)大學(xué)的柔性電子研究院等，在相關(guān)領(lǐng)域取得了國際領(lǐng)先的突破性進(jìn)展。同時(shí)，在有機(jī)光電材料和器件的研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化及生產(chǎn)方面，國內(nèi)有眾多企業(yè)堅(jiān)持自主創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難，涌現(xiàn)大批的先進(jìn)產(chǎn)品，如：華為的折疊手機(jī)、京東方的大屏OLED電視等。因此，根據(jù)目前的形勢，在新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)科命中，有機(jī)光電材料和器件必將有重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。以此為契機(jī)，筆者認(rèn)為有必要對本科生開設(shè)《有機(jī)光電材料和器件》課程。該課程的設(shè)立，既能提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，讓基礎(chǔ)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，又契合了我國對光電材料相關(guān)的人才需求，為學(xué)生從事光電材料相關(guān)的基礎(chǔ)研究或工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 課程內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)

作為大三本科生的一門專業(yè)選修課程，課程中學(xué)生的專業(yè)和背景不盡相同，選課的目的也各有差異。在課程建設(shè)中，如何滿足不同學(xué)生的需求，真正使選課的學(xué)生融入課堂，最終實(shí)現(xiàn)建設(shè)《有機(jī)光電材料和器件》課程的目的，課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)尤為重要。目前，國內(nèi)已有高校設(shè)立了《有機(jī)光電材料和器件》或類似課程[2-5]，而筆者所在學(xué)院于2019年才開始正式開設(shè)課程，目前設(shè)定課程為36課時(shí)。為了在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)提升學(xué)生的興趣，達(dá)到教學(xué)效果，本課程主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及教學(xué)素材三個(gè)方面考慮，對課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)探索。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的選擇設(shè)計(jì)

作為一門專業(yè)選修課，本課程選擇的內(nèi)容不僅要具有專業(yè)性，還要有通俗性，以適應(yīng)不同專業(yè)背景的學(xué)生。本課程學(xué)生主要來源于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)的大三本科生，先修課程主要有《有機(jī)化學(xué)》、《無機(jī)化學(xué)》、《物理化學(xué)》、《高分子化學(xué)》、《材料科學(xué)與基礎(chǔ)》等課程。雖然有相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，我們也要首先明確課程的基本特點(diǎn)?！队袡C(jī)光電材料和器件》是一門典型的交叉學(xué)科，是經(jīng)化學(xué)、材料及物理等多門學(xué)科相互交叉融合而形成的。同時(shí)，隨著基礎(chǔ)理論、科學(xué)研究和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有機(jī)光電材料與器件發(fā)展非常迅速，不斷有新理論、新材料、新技術(shù)和新產(chǎn)品涌現(xiàn)，無疑會賦予課程知識體系新、更新速度快及涉及面廣等突出特點(diǎn)。因此，在本課程教學(xué)中，必然將面臨知識點(diǎn)多、信息量大、學(xué)習(xí)難度較大及課時(shí)有限等問題。因此，在教材方面，本課程綜合考慮學(xué)生需求和課程特色，選擇了王筱梅、葉常青編著的《有機(jī)光電材料與器件》，與教學(xué)內(nèi)容契合度比較高；然后針對學(xué)生專業(yè)背景和課程特點(diǎn)，本課程將整個(gè)知識體系進(jìn)行梳理，以結(jié)構(gòu)-性能-器件為主線，將教學(xué)內(nèi)容分為了兩個(gè)篇章：理論篇和器件篇，構(gòu)筑理論到實(shí)踐間的橋梁。

對于基礎(chǔ)理論部分(理論篇)：緒論部分主要讓學(xué)生對光電材料和器件的基本概念，明白其在基礎(chǔ)研究和科學(xué)技術(shù)中的重要地位。從結(jié)構(gòu)上來說，有機(jī)光電材料的分子中一般含有共軛π鍵和發(fā)色基團(tuán)，包括有機(jī)小分子和高分子材料。同時(shí)，鑒于碳基材料在當(dāng)今時(shí)代的重要科研和應(yīng)用價(jià)值，本課程也將對碳基光電材料進(jìn)行介紹。本課程學(xué)生具有化學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論，但是對結(jié)構(gòu)和光電性能的關(guān)系并沒有深刻地認(rèn)識。基于此，本課程首先從同學(xué)們已有的理論基礎(chǔ)-有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)而介紹材料應(yīng)用時(shí)的聚集態(tài)情況-晶體結(jié)構(gòu)，然后論述有機(jī)光電材料的這些特異性結(jié)構(gòu)賦予的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。由淺入深，首先調(diào)動學(xué)生的興趣，再層層遞進(jìn)，逐步提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。既加強(qiáng)了準(zhǔn)備考研學(xué)生的基礎(chǔ)理論，又能激起學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動力，為從事有機(jī)光電材料相關(guān)的研究和工作奠定基礎(chǔ)。

對于器件部分(器件篇)：基于有機(jī)光電材料的器件種類多樣，而且已經(jīng)在逐步改變我們的生活。但因?yàn)檎n時(shí)有限，本課程重點(diǎn)介紹了四種目前應(yīng)用相對比較成熟的器件應(yīng)用：光致變色、電致發(fā)光(OLED)、場效應(yīng)晶體管(OFET)及太陽能電池(OPV)。這部分通過對典型器件所用的材料分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)深入地介紹，建立結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用的思路。然后以我們?nèi)粘Ｉ钪械钠骷鳛榍腥朦c(diǎn)，如商品上光致變色防偽標(biāo)志、基于OLED的手機(jī)和電視等學(xué)生熟知的產(chǎn)品應(yīng)用，既克服基礎(chǔ)理論課程的枯燥，激發(fā)同學(xué)們興趣，又能充分學(xué)習(xí)專業(yè)知識及其應(yīng)用，為同學(xué)們的個(gè)人規(guī)劃提供新思路。在此部分中，課程還將相關(guān)的科學(xué)前沿引入到課堂，既使得學(xué)生的基礎(chǔ)理論得到升華，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

在整個(gè)課程教學(xué)過程中，基礎(chǔ)理論是基石，器件是應(yīng)用導(dǎo)向，二者緊密結(jié)合，構(gòu)成條理清楚、層次分明的教學(xué)內(nèi)容。既將《有機(jī)化學(xué)》、《高分子化學(xué)》等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論穿插入專業(yè)選修課程，又能理論聯(lián)系實(shí)際，介紹相關(guān)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，進(jìn)而升華到基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究和學(xué)生熟悉的日常用品，由淺入深、由抽象到具體。這樣的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，同學(xué)們的基礎(chǔ)理論知識的能夠得到加強(qiáng)和升華，又能為學(xué)生進(jìn)一步的科學(xué)研究和工作提供思路、培養(yǎng)創(chuàng)新的意識。

2.2 教學(xué)手段的豐富

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，“以教師為中心，以課堂為中心，以課本為中心” 的傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)不適合現(xiàn)代本科生的教學(xué)和課程需求了。為了更好地傳遞有機(jī)光電材料和器件的基礎(chǔ)理論，激發(fā)學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，本課程在教學(xué)設(shè)計(jì)中除了常規(guī)的幻燈片講解，還穿插了視頻觀看和課堂討論等多種方式，并在課堂教學(xué)過程中取得了不錯的效果。例如，在首次上課時(shí)，在向同學(xué)們介紹有機(jī)光電材料和器件之前，先給同學(xué)們觀看2016年諾貝爾化學(xué)獎《分子機(jī)器》視頻，形象地介紹有機(jī)分子構(gòu)成的機(jī)器及其在生物、材料、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，由同學(xué)們的基礎(chǔ)課程有機(jī)化學(xué)進(jìn)行升華，擺脫傳統(tǒng)理論教學(xué)的單調(diào)和枯燥，極大激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲；在介紹有機(jī)電致發(fā)光材料和器件(OLED)時(shí)，先給同學(xué)們播放了《探索化學(xué)化工未來世界——OLED之夢》，并列舉一系列圖片、數(shù)據(jù)介紹我國OLED的發(fā)展及在國際中的地位，簡單而形象地介紹了OLED發(fā)光、顯示的原理，以及OLED在顯示和照明領(lǐng)域的應(yīng)用，展示了同學(xué)們所在的化學(xué)化工領(lǐng)域在電子行業(yè)的重要作用，不僅使學(xué)生更深刻地理解課程的核心和意義，更能激發(fā)了學(xué)生的探索欲望、樹立大局意識和培養(yǎng)創(chuàng)新觀念。

2.3 教學(xué)素材的時(shí)效性

隨著基礎(chǔ)研究的日新月異和相關(guān)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，有機(jī)光電材料和器件的研究和應(yīng)用也在不斷更新。本課程在介紹基礎(chǔ)理論的同時(shí)，通過互聯(lián)網(wǎng)、電視媒體、報(bào)刊及科研文獻(xiàn)等多種途徑進(jìn)行與課程相關(guān)的素材收集，力圖使課程的教學(xué)在傳達(dá)了基礎(chǔ)知識的同時(shí)，又能更好的貼近生活，感受創(chuàng)新科研，跟隨時(shí)代的發(fā)展。該課程是大三的第一學(xué)期專業(yè)選修課，初次上課時(shí)間在9月份左右，每年的9-10月份正是諾貝爾獎話題熱度比較高的時(shí)期。本課程適當(dāng)利用網(wǎng)絡(luò)及媒體的熱點(diǎn)，第一次課就將有關(guān)有機(jī)光電材料的諾貝爾獎引入到課堂，不僅拉近與學(xué)生們之間的距離，還能充分認(rèn)識到課程的重要性和前景，促使同學(xué)們積極地、認(rèn)真地對待課程。另外，該課程涉及到的有機(jī)光電材料的性質(zhì)和器件對于學(xué)生來說，相對比較抽象，而且很大部分涉及都跟國際學(xué)術(shù)前沿，因此課程教學(xué)過程中不斷更新教學(xué)素材。例如：在向同學(xué)們介紹有機(jī)材料的熒光性質(zhì)時(shí)，從同學(xué)們都好奇的夜明珠入手，適時(shí)地把黃維院士研究組的有機(jī)長余輝發(fā)光材料新進(jìn)展介紹給同學(xué)們，既能深入理解熒光性質(zhì)，又能培養(yǎng)創(chuàng)新思維；在向同學(xué)們介紹光電器件應(yīng)用時(shí)，把國內(nèi)外最新的產(chǎn)品展示給同學(xué)們，既能讓學(xué)生直觀地看到最新的科技成果，又能深切地感受到基礎(chǔ)理論的成果轉(zhuǎn)化，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

3 結(jié) 語

《有機(jī)光電材料和器件》是應(yīng)用化學(xué)、材料化學(xué)等相關(guān)專業(yè)本科生的專業(yè)選修課。通過該課程科學(xué)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、豐富的教學(xué)手段及時(shí)效性的教學(xué)素材，構(gòu)筑了理論聯(lián)系實(shí)踐的橋梁，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)知識的興趣、提升專業(yè)領(lǐng)域探索欲望和提升專業(yè)素養(yǎng)，還能使學(xué)生更好地掌握學(xué)科基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域、了解相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，并有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。這契合我國的人才發(fā)展和科技創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的戰(zhàn)略，有利于為日新月異的有機(jī)光電材料和器件領(lǐng)域培養(yǎng)更多高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人才，可以為高水平科研與技術(shù)研發(fā)提供人才支撐，最終提升我國在柔性電子領(lǐng)域的國際影響力和競爭力。