半導(dǎo)體光電子學(xué)教學(xué)改革的探索

韓曉博

如今，伴隨著各種智能技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性愈發(fā)凸顯。半導(dǎo)體不僅是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)智能化升級的基礎(chǔ)支撐，還是推動新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。基于此，世界范圍內(nèi)圍繞半導(dǎo)體領(lǐng)域的競爭正不斷加劇，愈演愈烈。小而強大的半導(dǎo)體已經(jīng)成為高科技世界不可或缺的一部分。因而，培養(yǎng)光電信息科學(xué)與工程方面的人才，離不開半導(dǎo)體光電子學(xué)課程。該課程從理論入手，研究半導(dǎo)體材料中電子與光子之間的相互作用，引導(dǎo)學(xué)生從物理機制上對材料的基本特性加以理解；繼而緊扣當(dāng)前半導(dǎo)體材料應(yīng)用前沿——光電子器件，從實際應(yīng)用方面帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識半導(dǎo)體材料的優(yōu)點。該課程結(jié)合物理機制，分析光電子器件的本質(zhì)，既注重了物理思維模式的培養(yǎng)，同時又為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了理論以及技術(shù)支持。

一、教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化， 建立知識框架

半導(dǎo)體光電子學(xué)是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程涵蓋了量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)等課程的基礎(chǔ)理論知識，涉及的知識面廣而深，概念繁多且抽象[1-2]。這容易導(dǎo)致教師在教學(xué)的過程中，習(xí)慣平鋪直敘，“填鴨式”傳授理論知識。而學(xué)生在學(xué)習(xí)時稍有疏忽，就會遺漏重要知識概念，進而喪失學(xué)習(xí)興趣。因此，在有限的教學(xué)時間里，教師如何高效率地講解半導(dǎo)體光電子學(xué)，使得學(xué)生快速吸收消化且靈活運用知識點是一個大的挑戰(zhàn)。教師需要針對目前教學(xué)過程中存在的問題與不足，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，探索形象化教學(xué)手段，同時結(jié)合科技發(fā)展熱點問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體光電子學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

首先是增強與相關(guān)專業(yè)課教師之間的交流溝通。半導(dǎo)體光電子學(xué)研究的是半導(dǎo)體中微觀的電子狀態(tài)，以及電子與光子之間的相互作用過程，屬于凝聚態(tài)物理學(xué)的一個重要分支。研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)是以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和點陣動力學(xué)為基礎(chǔ)的，因而對先修課程中知識內(nèi)容的理解和掌握對本門課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，特別是對關(guān)鍵知識點的遺忘會極大降低學(xué)習(xí)效能。例如，固體物理學(xué)課程中所講授的關(guān)鍵知識點——金剛石結(jié)構(gòu)，屬于晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)備知識。這對理解IV 族如硅、鍺的光電特性具有關(guān)鍵性作用。然而對于那些對該知識點掌握不牢固的學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)新知識的過程中可能會遇到較大問題。因此，教師根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)方案，了解學(xué)生對相關(guān)知識點的掌握程度，掌握學(xué)生對先修課程知識點的學(xué)習(xí)狀態(tài)是很重要的。尤其是對重難點知識點來說，在正式開始授課之前，花費時間回顧相關(guān)概念是可取的。此外，考慮到不同課程之間的相對獨立性，以及不同課程之間必然存在的關(guān)聯(lián)性，專業(yè)課教師通過溝通交流，靈活調(diào)節(jié)與整合本專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)重難點，是處理專業(yè)課和基礎(chǔ)課之間銜接的重要環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體光電子學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容繁雜，涉及大量的簡化假設(shè)和理論公式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來生疏且枯燥，進而造成學(xué)習(xí)效果不理想。如果教師在上課的時候，一味地向?qū)W生灌輸抽象的概念，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]。教師授課時應(yīng)結(jié)合學(xué)生的實際情況，進行相對簡單的理論推導(dǎo)，以使學(xué)生理解半導(dǎo)體內(nèi)部電子之間及其與光子之間相互作用的機制，以現(xiàn)實應(yīng)用問題為導(dǎo)向[4]。同時，教師也應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生建立物理思維模式的能力、靈活運用所學(xué)知識的能力，充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。此外，半導(dǎo)體光電子學(xué)這門課程前期主要為概念講解，后期為半導(dǎo)體器件的介紹，前期是為后期服務(wù)的，后期可以檢測前期學(xué)習(xí)的掌握程度[5]。因此，教師對課程知識點進行串聯(lián)，可以幫助學(xué)生清楚了解課程結(jié)構(gòu)（見圖1），同時使得教學(xué)內(nèi)容邏輯清晰、思路明確，也可以更加直觀地讓學(xué)生感受到這門課程的重難點以及學(xué)習(xí)價值[6]。除了對整個課程進行框架構(gòu)建之外，教師同樣要對不同概念以及小的知識點之間的關(guān)系進行及時梳理，整理歸納，分類總結(jié)?？偨Y(jié)回顧的過程是進一步引導(dǎo)學(xué)生整理學(xué)習(xí)思路的過程，也是強化學(xué)生記憶的過程。教師通過總結(jié)知識框架，對學(xué)生進行引導(dǎo)，這不僅可以幫助學(xué)生明確半導(dǎo)體光電子學(xué)知識的重難點，同時還可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

圖1 半導(dǎo)體光電子學(xué)的知識體系

二、教學(xué)方法與時俱進

半導(dǎo)體光電子學(xué)的特點是研究半導(dǎo)體內(nèi)部的一些微觀現(xiàn)象，因此所涉及的物理概念和理論模型非常抽象，難以理解。學(xué)生單從課本上學(xué)習(xí)，會感覺內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學(xué)習(xí)起來有一定難度。為了讓學(xué)生更好地掌握這些抽象的概念，需要教師采用多樣化的教學(xué)方法，充分利用多媒體軟件，同時借助網(wǎng)上現(xiàn)有的有價值的素材，以此增強教學(xué)的直觀性。例如，電子的向上躍遷以及向下躍遷過程的概念非常抽象，可以將這個過程制作成一個動畫來演示，讓學(xué)生直觀地看到躍遷過程，加深對概念的理解。此外，隨著線上資源的豐富，學(xué)習(xí)渠道越來越多，這使得學(xué)生的學(xué)習(xí)來源不再局限于課本。這也就意味著提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將會進一步引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使之學(xué)習(xí)課堂以外的知識，擴大知識面。因此，在課堂上，布置一些能引發(fā)學(xué)生思考的有意思的小問題，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

現(xiàn)代教育模式中，信息技術(shù)的運用對于學(xué)生理解能力的提升有著較強的促進作用。眾所周知，學(xué)生的理解能力的培養(yǎng)會直接影響其學(xué)習(xí)效果。同一班級或同一年級的學(xué)生，在學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)興趣乃至學(xué)習(xí)方法上千差萬別。部分學(xué)生對物理基礎(chǔ)概念的理解能力較差，尤其是對純文字或公式的解讀存在局限性。在教學(xué)過程中，教師利用信息技術(shù)強化學(xué)生理解能力是十分有效的方法。課堂上，相比純文字的描述，結(jié)合動畫演示過程，賦予文字靈魂，可以讓學(xué)生在記憶中建立畫面感。在教學(xué)中添加信息技術(shù)元素，可使學(xué)生快速理解基礎(chǔ)概念，使學(xué)生對概念的掌握更加扎實。與此同時，信息化教學(xué)模塊的輔助使用，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。個人的學(xué)習(xí)精力是有限的，長時間高強度的教學(xué)會使學(xué)生的專注度下降。信息技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，可以充分調(diào)動課堂氛圍，使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到進一步提高。

半導(dǎo)體光電子學(xué)這門課程中所講授的最關(guān)鍵的光電子器件是半導(dǎo)體激光器。隨著加工工藝的發(fā)展，我國在激光器的研發(fā)方面和其他國家的差距逐漸減小。半導(dǎo)體激光器的市場應(yīng)用也在飛速拓展，比如激光雷達、激光測距等領(lǐng)域。這些前沿行業(yè)的發(fā)展動態(tài)是書本中所缺乏的知識?！皩W(xué)以致用”是學(xué)習(xí)的目的，因此，課堂上穿插介紹當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀、遇到的瓶頸及其實際應(yīng)用領(lǐng)域，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的過程中了解所學(xué)知識的用途，與時俱進地提高對本專業(yè)的認(rèn)識，提高對科技前沿、行業(yè)發(fā)展情況的關(guān)注度。同時，教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生了解我國當(dāng)前核心技術(shù)水平，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。另外，基于產(chǎn)教融合的理念，嘗試讓企業(yè)的工程師走入課堂，帶領(lǐng)學(xué)生從實際的產(chǎn)品應(yīng)用層面，深刻理解本門專業(yè)課的用途。高科技企業(yè)的發(fā)展離不開高層次的專業(yè)人才，同樣，學(xué)校對人才的培養(yǎng)離不開企業(yè)的參與，二者是相輔相成的。教師要以行業(yè)需求為切入點，結(jié)合學(xué)科體系內(nèi)在規(guī)律，優(yōu)化課程所需的知識技能與素質(zhì)要求，將最新產(chǎn)業(yè)技術(shù)嵌入課程教學(xué)。

三、聚焦科研前沿

科研與教學(xué)本質(zhì)上是源流關(guān)系，教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展離不開科研，教學(xué)與科研是統(tǒng)一的。隨著高等教育的快速發(fā)展，越來越多的教師兼顧教學(xué)與科研。因此，針對半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展趨勢，結(jié)合自身科研規(guī)劃，教師有必要將科學(xué)研究的熱點以及科研成果融入半導(dǎo)體光電子學(xué)課堂[7]。教師在課堂上傳授各方面的理論知識是促使學(xué)生掌握科學(xué)知識的重要環(huán)節(jié)。然而，如果僅僅照本宣科，學(xué)生的思維難免受到限制，且學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力不能得到鍛煉。教師應(yīng)準(zhǔn)確地將教學(xué)內(nèi)容與時代技術(shù)發(fā)展接軌，潛移默化地將學(xué)科發(fā)展的新理論、新技術(shù)貫穿課堂教學(xué)全過程。例如，相對于半導(dǎo)體激光器的電泵浦，科研人員更加常用的是光泵浦，這是因為光泵浦激發(fā)半導(dǎo)體進而產(chǎn)生激光的要求相對來說較低。教師通過所掌握的專業(yè)理論知識和積累的實踐經(jīng)驗，啟迪學(xué)生的思維，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。由此可見，在教學(xué)過程中結(jié)合當(dāng)前科研進展，融入更多與實踐相關(guān)的知識點，可以拓展學(xué)生的邏輯思路，激發(fā)學(xué)生從事科研工作的興趣。此外，隨著納米加工工藝水平的提高，納米半導(dǎo)體激光器逐漸發(fā)展起來。因而，關(guān)注當(dāng)前的新型材料體系，對優(yōu)化半導(dǎo)體光電子器件的性能至關(guān)重要。結(jié)合當(dāng)前科研前沿進行授課，可以讓學(xué)生接觸并了解半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的科研項目，培養(yǎng)科研創(chuàng)新探索思維，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索科學(xué)的動力。

四、優(yōu)化考核方式， 注重過程性評價

考核是衡量學(xué)生知識掌握情況的必不可少的步驟，也是教師及時了解學(xué)生對知識掌握程度的有效方式。傳統(tǒng)的考核方式是以閉卷形式的期末考試為主，平時成績?yōu)檩o，考核形式單一。一般期末成績占比較高，平時成績占比較低，且平時成績的考查方式簡單。例如平時成績一般包含出勤情況、作業(yè)完成情況以及課堂表現(xiàn)，這導(dǎo)致平時成績往往分值差距很小。這種評價機制忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異，使得教師很難去綜合、準(zhǔn)確判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。為了及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和進度，充分調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，教師有必要在考核方式上進行優(yōu)化改革。如可以合理增加小測驗或組織分組討論，督促學(xué)生對前期知識點進行回顧。在不同階段對學(xué)生進行考核。同時將考核成績納入課程的總成績，避免學(xué)生偶然性的發(fā)揮失常，或因其他原因?qū)е碌目荚嚱Y(jié)果不理想?！芭R時抱佛腳”的學(xué)習(xí)模式是當(dāng)代部分大學(xué)生應(yīng)對考試的一種方法。這也就意味著，即使期末卷面成績優(yōu)異，這部分學(xué)生依然不能靈活運用知識點，甚至考過就忘。此外，教學(xué)效果的反饋嚴(yán)重滯后。傳統(tǒng)考核方式導(dǎo)致教師難以實時把握學(xué)生對知識的理解和接受程度，同時學(xué)生對自身學(xué)習(xí)狀況不能進行準(zhǔn)確判斷。這樣日積月累下去，對于學(xué)生來說學(xué)習(xí)就不再是知識理解與掌握的過程，更多的是死記硬背。因而，教師在課堂上合理增加隨堂測驗，引導(dǎo)學(xué)生加深對所學(xué)知識的理解，對于提高學(xué)生學(xué)以致用的能力是十分有必要的。

綜上所述，半導(dǎo)體光電子學(xué)課程中基礎(chǔ)概念繁多且抽象，既包含理論知識又涉及器件應(yīng)用，對教師教學(xué)提出了更高要求。教師以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)為目標(biāo)，以提升學(xué)生專業(yè)知識能力為導(dǎo)向，通過對半導(dǎo)體光電子學(xué)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，靈活運用多種教學(xué)方法，緊密結(jié)合當(dāng)下市場，聚焦科技前沿，可以讓學(xué)生深入理解并掌握半導(dǎo)體的基礎(chǔ)理論知識，建立物理思維，探索解決實際應(yīng)用中存在的問題。