新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下“半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)”課程教學(xué)改革研究

尹正茂 孫長(zhǎng)龍 李桂村 孫瓊 王莉 石良 于立巖 杜芳林

[摘 要]半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)是新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)課程的教學(xué)改革，對(duì)促進(jìn)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展及國(guó)家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突破升級(jí)具有重要意義;慕課教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)、實(shí)物教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、實(shí)踐教學(xué)等多種教學(xué)手段的綜合運(yùn)用促進(jìn)本課程的教學(xué)改革。

[關(guān)鍵詞]新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換;半導(dǎo)體照明原理與技術(shù);教學(xué)研究

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）48-0-02[收稿日期] 2020-05-11

半導(dǎo)體照明是以發(fā)光二極管（LED）為核心的固體發(fā)光器件，具有節(jié)能、環(huán)保、智能等優(yōu)點(diǎn)，成為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的“綠色”光源。在新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)如何不斷突破新技術(shù)，如何從跟蹤超越到引領(lǐng)，如何從做大到做強(qiáng)，成為重要目標(biāo)和課題。半導(dǎo)體照明創(chuàng)新發(fā)展離不開(kāi)對(duì)半導(dǎo)體照明人才的培養(yǎng)，而半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。

半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)是新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)和材料學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，涉及光學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理與器件、光電子學(xué)等內(nèi)容[1，2]，是一門(mén)集合材料合成、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制備等的應(yīng)用綜合交叉課程。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維、工程設(shè)計(jì)、綜合應(yīng)用能力方面起到重要作用。因此，為了適應(yīng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下半導(dǎo)體照明的發(fā)展要求，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，需要探索本課程的新型教學(xué)方法。

一、課程改革思路目標(biāo)

本課程改革的總體思路是教學(xué)形式靈活多樣、啟發(fā)引導(dǎo)為主、以學(xué)生為中心、激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性、注重實(shí)踐應(yīng)用。對(duì)教師目標(biāo)要求：運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段建立線上課程，豐富教學(xué)手段;改變填鴨式教學(xué)，注重啟發(fā)互動(dòng);教學(xué)內(nèi)容形象化可視化，同時(shí)公式原理回歸傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué);將更多實(shí)物帶入課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;以學(xué)生為中心，探索翻轉(zhuǎn)課堂;注重實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。對(duì)學(xué)生目標(biāo)要求：養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣，主動(dòng)思考并勇于提問(wèn)，課上跟上教師思路，注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、歸納總結(jié)、語(yǔ)言表達(dá)、動(dòng)手實(shí)踐的能力;掌握半導(dǎo)體照明相關(guān)的理論知識(shí)，具備半導(dǎo)體照明材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用的能力。

二、教學(xué)改革方法

為了實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的突破和引領(lǐng)目標(biāo)[3]，半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程中綜合運(yùn)用了多種教學(xué)改革方法。具體內(nèi)容如下：

（一）慕課教學(xué)

建立了以超星學(xué)習(xí)通為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)線上慕課課程，集合了視頻、PPT課件、習(xí)題、文獻(xiàn)等資料。課前學(xué)生預(yù)習(xí)課程內(nèi)容;課上教師現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送客觀題，學(xué)生線上答題，這種方式快速反饋學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況;課后學(xué)生通過(guò)慕課系統(tǒng)隨時(shí)與老師、同學(xué)溝通討論，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和時(shí)效性得到明顯提高。

（二）啟發(fā)式教學(xué)

知識(shí)點(diǎn)盡量以問(wèn)題形式引入，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考，注重學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問(wèn)題的能力。例如，問(wèn)題：生活中哪些物品應(yīng)用了LED，結(jié)構(gòu)形式是什么？讓學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋、發(fā)散思維、判斷解答問(wèn)題。

（三）PPT和板書(shū)教學(xué)結(jié)合

豐富PPT課件內(nèi)容，搜集和制作了大量彩色立體圖像和視頻動(dòng)畫(huà)，把知識(shí)原理從苦澀的文字轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單可視易懂的影像，使知識(shí)更容易被接受，提高了學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效率。例如，PN結(jié)通電時(shí)電子和空穴運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)使載流子的運(yùn)動(dòng)清晰可見(jiàn)，LED中電子和空穴復(fù)合發(fā)光的動(dòng)畫(huà)使發(fā)光過(guò)程一目了然;MOCVD設(shè)備的詳細(xì)拆解圖、LED芯片工藝流程圖、LED芯片的各種設(shè)備等圖表，使學(xué)生詳細(xì)了解LED外延生長(zhǎng)過(guò)程、芯片工藝以及多種設(shè)備的工作原理和結(jié)構(gòu)。對(duì)一些關(guān)鍵性的知識(shí)點(diǎn)要以板書(shū)為主，仔細(xì)講解原理內(nèi)涵和公式推導(dǎo)，板書(shū)過(guò)程使學(xué)生看到知識(shí)點(diǎn)的來(lái)源和演變過(guò)程，學(xué)生理解更深刻。例如，PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)的能帶圖在黑板上邊畫(huà)邊講，異質(zhì)結(jié)的進(jìn)化過(guò)程一目了然。

（四）實(shí)物教學(xué)

在教學(xué)中引入章節(jié)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的實(shí)物，讓學(xué)生形象地看到實(shí)物具體什么樣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：講解光譜相關(guān)內(nèi)容，課堂上利用微型分光光度計(jì)和光纖光譜儀，現(xiàn)場(chǎng)將鹵鎢燈和太陽(yáng)光進(jìn)行分光并測(cè)試光譜;講解色度學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)場(chǎng)用微型光譜儀測(cè)量實(shí)物顏色;講解LED結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)合LED外延片、不同規(guī)格LED芯片和LED燈珠進(jìn)行實(shí)物講解;講解LED芯片制備流程時(shí)，結(jié)合LED芯片工藝隨工單實(shí)物給學(xué)生講解。通過(guò)實(shí)物教學(xué)，學(xué)生感官認(rèn)知增強(qiáng)，學(xué)生更加積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)的理解和把握更深入。

（五）翻轉(zhuǎn)課堂

對(duì)于新型發(fā)光材料和器件部分，采取課題研究、分組協(xié)作和翻轉(zhuǎn)課堂的開(kāi)放式教學(xué)模式。提供幾個(gè)研究課題：半導(dǎo)體激光器LD、有機(jī)發(fā)光二極管OLED、膠體量子點(diǎn)LED、鈣鈦礦LED、LED大屏顯示、LCD顯示技術(shù)等，讓學(xué)生自主選擇感興趣方向，自由組合形成課題組，學(xué)生分工合作、查閱資料和文獻(xiàn)，自學(xué)知識(shí)、提取有用內(nèi)容、整理知識(shí)、制作并講解PPT、相互提問(wèn)、相互打分。教師全程跟蹤和指導(dǎo)，對(duì)遇到的困難和問(wèn)題給予引導(dǎo)建議，并確保每個(gè)學(xué)生都能參與進(jìn)來(lái);每個(gè)課題的講解人在二人以上，全員參與問(wèn)題解答;教師主持各課題組講解現(xiàn)場(chǎng)，配合主講人調(diào)動(dòng)觀眾積極性，并對(duì)學(xué)生難以解答問(wèn)題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解答，制定詳細(xì)的打分規(guī)則。通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂，培養(yǎng)學(xué)生課題調(diào)研、學(xué)習(xí)知識(shí)、總結(jié)歸納、分工協(xié)作和演講表達(dá)的科研素養(yǎng)和能力，使學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體照明相關(guān)知識(shí)的綜合學(xué)習(xí)能力得到提高。

（六）開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)

開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)這類(lèi)后續(xù)實(shí)踐課程—“白光LED制備及性能研究”，通過(guò)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生動(dòng)手組裝和測(cè)試LED，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，學(xué)以致用?！鞍坠釲ED制備及性能研究”分為四部分：一是新型光轉(zhuǎn)換熒光納米材料（熒光碳點(diǎn)、碲化鎘量子點(diǎn)等）制備;二是新型光轉(zhuǎn)換熒光納米材料的性能測(cè)試（吸收、熒光、量子效率、TEM等）;三是新型熒光納米材料和傳統(tǒng)Ce3+：YAG熒光粉在藍(lán)光LED燈珠上的涂覆、調(diào)制白光和封裝，制備幾種白光LED;四是白光LED的光電性能測(cè)試。本專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生在新材料合成、材料性能測(cè)試、器件組裝、白光LED光電性能測(cè)試及分析、綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)和分析等方面的能力?！鞍坠釲ED制備及性能研究”專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)不僅是先導(dǎo)課程“半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)”的實(shí)踐課程，更是訓(xùn)練和提升學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體照明材料和器件研發(fā)綜合能力的課程。

（七）課程考核

半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)的課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握半導(dǎo)體照明知識(shí)并綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，期末總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（30%）和期末考試成績(jī)（70%）兩部分構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)由課堂問(wèn)題回答、課后習(xí)題作答、翻轉(zhuǎn)課堂成績(jī)組成;專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)單獨(dú)考核給分。

三、結(jié)論

本課題是在新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略下的教學(xué)改革研究項(xiàng)目，綜合運(yùn)用了多種教學(xué)手段來(lái)提升半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)的教學(xué)效果。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合了慕課教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)、PPT和板書(shū)教學(xué)、實(shí)物教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)等多種教學(xué)手段，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、掌握和實(shí)踐運(yùn)用能力，鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。本教學(xué)研究自2018年開(kāi)始在青島科技大學(xué)新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行改革和實(shí)踐，教學(xué)效果提升明顯，具有較高的理論意義和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李晉閩.新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換引領(lǐng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[J]. 中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)，2018（1）：54-55.

[2]王元元，吳子華，李文琴，等.基于工程認(rèn)證的半導(dǎo)體照明原理與技術(shù)課程的教學(xué)方法研究[J].化學(xué)工程與裝備，2019（9）：289- 290.

[3]楊廣華，牛萍娟，李玉蘭，等.基于半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的本科工程教育研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014（25）：21-25.