解決芯片技術(shù)卡脖子的問(wèn)題,應(yīng)從高中物理教學(xué)抓起

黃雨竹　黃致新

關(guān)鍵詞 中美教材比較;芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題;高中物理

1 什么是芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題

21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，美國(guó)為了壓制我國(guó)的復(fù)興，對(duì)中國(guó)展開(kāi)技術(shù)封鎖。在此背景下，《科技日?qǐng)?bào)》首版頭條推出“亟待攻克的核心技術(shù)”專(zhuān)欄，開(kāi)篇以“是什么卡了我們的脖子”為引題，共報(bào)道了35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)[1]。此后，研究者們常用“卡脖子問(wèn)題”代指與技術(shù)強(qiáng)國(guó)相比我國(guó)所面臨的核心技術(shù)瓶頸問(wèn)題，其大多具有攻克難度較大、壟斷性強(qiáng)和技術(shù)壁壘高的特點(diǎn)。在“卡脖子問(wèn)題”中最迫切需要解決的就是芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題。2018年到2019年兩年間，美國(guó)限制我國(guó)中興和華為兩大科技公司購(gòu)買(mǎi)其“敏感”產(chǎn)品，其中涉及最多的就是芯片相關(guān)技術(shù)。美國(guó)對(duì)我國(guó)芯片行業(yè)的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致很多計(jì)算機(jī)、手機(jī)等高科技產(chǎn)品無(wú)法正常生產(chǎn)，直接威脅到了我國(guó)科技企業(yè)的正常發(fā)展，給我國(guó)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失， 芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題成為亟須解決的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題的背后，是我國(guó)科技研發(fā)不獨(dú)立、基礎(chǔ)研究人才缺乏的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，研發(fā)人員用技術(shù)集成回避關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致我國(guó)基礎(chǔ)研究不夠深入，科技研發(fā)長(zhǎng)期依賴(lài)于他國(guó)的核心技術(shù)。要解決芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題，就需要培養(yǎng)出一批擁有基礎(chǔ)研究能力、創(chuàng)新能力的人才，從根本上實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主化，打破西方技術(shù)霸權(quán)[3]。高中物理是理工科專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，要培養(yǎng)研究型人才，就需要從高中就打好基礎(chǔ)。作為知識(shí)載體的教材更是教師開(kāi)展教學(xué)基本工具，所以從“卡脖子”問(wèn)題出發(fā)，研究比較中美高中物理教材的異同，取其精華，去其糟粕，借鑒美國(guó)高中物理教材中的優(yōu)勢(shì)之處，補(bǔ)足我國(guó)高中物理教材的不足，顯得尤為重要。

2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”內(nèi)容的比較分析

以往的高中物理教材比較研究主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是從不同視角（如從核心素養(yǎng)視角、科學(xué)思維視角或STSE 視角等）比較教材整體的內(nèi)容結(jié)構(gòu)、欄目設(shè)置[4]、呈現(xiàn)方式等特點(diǎn)。另一類(lèi)是詳細(xì)對(duì)教材中某一特殊板塊的內(nèi)容（如電學(xué)、力學(xué)、科學(xué)史、學(xué)科交叉滲透內(nèi)容或近代物理等）做比較[5]。在以往的研究中，有不少研究者雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我國(guó)高中物理教材與國(guó)外（美國(guó)、英國(guó)和日本等）相比，缺少“固態(tài)電子學(xué)”部分的知識(shí)，但是并沒(méi)有研究者對(duì)“固態(tài)電子學(xué)”內(nèi)容進(jìn)行深入分析。很明顯，在教材比較研究中，“固態(tài)電子學(xué)”板塊的內(nèi)容分析嚴(yán)重缺失。

美國(guó)高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)講了哪些內(nèi)容？ 我國(guó)高中物理教材中是否有涉及“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)知識(shí)？ 如果有，我國(guó)高中物理教材中的“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容與美國(guó)教材中的“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容有何差異？ 這些差異是否有可能會(huì)影響我國(guó)科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)？ 這些問(wèn)題都值得進(jìn)一步深挖。筆者分別對(duì)中國(guó)《普通高中物理教科書(shū)（人教版）》（2019年版）[6]和美國(guó)最常用的高中物理教科書(shū)《物理原理與問(wèn)題》[7]中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行比較，探尋中美教材中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容的差異，明確我國(guó)教材的優(yōu)勢(shì)與不足，從解決芯片技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題的角度為教材編寫(xiě)和人才培養(yǎng)提出建議。

2.1 美國(guó)高中物理教材“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)主要內(nèi)容

如圖1所示，美國(guó)物理教材“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)分成兩大板塊編寫(xiě)，第一部分講固體是如何導(dǎo)電的。教材通過(guò)回憶晶體排列和原子能級(jí)等知識(shí)，引出能帶理論，并從能帶理論的角度重新區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。接著，通過(guò)介紹本征半導(dǎo)體的局限性，引入摻雜工藝，介紹p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的制作原理和特性。第二部分講電子元件，從生活中常用的電子器件引入，介紹了最基本、最簡(jiǎn)單的兩個(gè)半導(dǎo)體器件（半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管）的基本組成、制作原理和作用。最后，介紹了由導(dǎo)體、半導(dǎo)體、二極管和三極管等集成的微型芯片的制作工藝，并介紹了微型芯片在生活中的廣泛應(yīng)用。整個(gè)章節(jié)的編排邏輯層層遞進(jìn)，從基礎(chǔ)理論引入，到生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)束。

2.2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)知識(shí)比較

中國(guó)高中物理教材中雖然沒(méi)有專(zhuān)設(shè)一章講“固態(tài)電子學(xué)”，但在各本書(shū)中均有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)涉及。所以筆者進(jìn)一步整體比較了中美教材中與“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容的分布、主要知識(shí)點(diǎn)和要求掌握程度[8]，繪制出了如下表格（見(jiàn)表1、表2）。

通過(guò)對(duì)比兩國(guó)教材中所涉及的“固態(tài)電子學(xué)”知識(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)我國(guó)教材中涉及的固態(tài)電子學(xué)知識(shí)具有科普應(yīng)用知識(shí)多、位置分布零散和要求掌握的程度低的特點(diǎn)。

首先，與美國(guó)教材相比，我國(guó)教材中“固態(tài)電子學(xué)”的科普應(yīng)用知識(shí)更多。我國(guó)教材對(duì)固態(tài)電子學(xué)相關(guān)知識(shí)的介紹大部分都是以滲透應(yīng)用的形式，比如在介紹靜電吸附的應(yīng)用時(shí)，由于靜電復(fù)印機(jī)中用到了有機(jī)光導(dǎo)體，所以滲透有機(jī)光導(dǎo)體的特性;在講授光的衍射時(shí)，簡(jiǎn)單介紹了利用X射線衍射探測(cè)晶體結(jié)構(gòu)的方法，以及X 射線衍射技術(shù)的應(yīng)用成果。美國(guó)教材中所涉及的固態(tài)電子學(xué)知識(shí)則是理論更多。比如在講解固體熱膨脹的原因時(shí)，美國(guó)教材中將固體比作彈簧連接分子的集合，彈簧代表分子間的吸引力。當(dāng)固體加熱時(shí)，動(dòng)能增加，振動(dòng)加快，分子間距增大，這一比喻滲透了固體物理晶格動(dòng)力學(xué)的假設(shè)。

其次，與美國(guó)教材相比，我國(guó)教材中固態(tài)電子學(xué)的知識(shí)分布更零散，在“序言”“正文”“旁批”“科學(xué)漫步”“拓展學(xué)習(xí)”和“腳注”各個(gè)欄目中都有分布。而美國(guó)教材中的固態(tài)電子學(xué)知識(shí)則較為集中，大部分內(nèi)容分布在“第二十九章 固態(tài)電子學(xué)”部分，知識(shí)點(diǎn)出現(xiàn)的位置均在教材正文部分。

最后，與美國(guó)教材相比，我國(guó)教材中固態(tài)電子學(xué)知識(shí)要求掌握的程度更低，深度不夠。由于教材中大部分固態(tài)電子學(xué)知識(shí)都是以滲透應(yīng)用的形式出現(xiàn)，很多內(nèi)容都分布在“拓展應(yīng)用”和“科學(xué)漫步”等要求掌握程度較低的欄目，新課標(biāo)對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的要求程度都在“了解”或“無(wú)要求”程度，且與美國(guó)教材相比，知識(shí)深度較低。比如在必修三中，我國(guó)教材介紹了金屬微觀結(jié)構(gòu)模型能解釋與金屬導(dǎo)電有關(guān)現(xiàn)象，但其未具體講明絕緣體和金屬電子運(yùn)動(dòng)難易程度差異的原因。而美國(guó)教材則在第二十章從電子運(yùn)動(dòng)難易程度的角度介紹了絕緣體和導(dǎo)體的區(qū)別，并通過(guò)金剛石和石墨的例子介紹了物體的導(dǎo)電性會(huì)隨著存在形態(tài)改變，讓學(xué)生理解了物質(zhì)的導(dǎo)電性是可變的。接著在第二十九章，從能帶理論的角度重新介紹導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，讓學(xué)生從根本上上理解影響物質(zhì)導(dǎo)電性的原因是物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生建立正確的物質(zhì)觀。

3 建議

基于上述比較，筆者從解決芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題的角度提出以下建議。

1） 借鑒美國(guó)教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識(shí)

“固體物理”作為材料科學(xué)研究和發(fā)展的根基，推動(dòng)了半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、納米材料等領(lǐng)域的發(fā)展[9]。一直以來(lái)，固體物理都是理工科學(xué)生的基礎(chǔ)前置課程，其對(duì)于培養(yǎng)研究型、創(chuàng)新型人才是至關(guān)重要的。盡管“固體物理”如此重要，但是其一直以“難學(xué)”著稱(chēng)。筆者認(rèn)為有兩大原因，第一，“固體物理”是以量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理為基礎(chǔ)建立起來(lái)的，課程本身的難度就很大。許多同學(xué)量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理都學(xué)不好，更遑論固體物理。第二，從認(rèn)知的角度看，知識(shí)的學(xué)習(xí)是螺旋式的，人們總是更容易接受一些熟悉的知識(shí)。我國(guó)高中物理中的“固態(tài)電子學(xué)”知識(shí)多為科普應(yīng)用知識(shí)，缺乏理論知識(shí)，深度較淺，這直接導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)“固體物理”的基本認(rèn)識(shí)和興趣的缺乏，影響對(duì)技術(shù)人才的初期引導(dǎo)和培養(yǎng)。

美國(guó)教材中“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)是大學(xué)的“固體物理”課程的先導(dǎo)性知識(shí)，雖然不涉及很多復(fù)雜的運(yùn)算，但卻可以讓學(xué)生了解固體物理的核心——能帶理論，讓學(xué)生分別從宏觀角度和微觀角度了解影響物體導(dǎo)電性能的因素，為學(xué)生搭建一個(gè)新的物質(zhì)觀。此外，教材還介紹了非本征半導(dǎo)體、半導(dǎo)體器件和微型芯片的制作原理、工藝流程和特性，并結(jié)合智能手機(jī)、電腦等產(chǎn)品，介紹了集成電路中半導(dǎo)體器件的重要性。這些內(nèi)容有利于幫助學(xué)生了解半導(dǎo)體器件、微型芯片的制作過(guò)程，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，為學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)電子學(xué)知識(shí)打下基礎(chǔ)。正如朱邦芬教授在其文章所說(shuō)，中學(xué)物理知識(shí)不系統(tǒng)、不完整會(huì)導(dǎo)致高中物理學(xué)科體系的“碎片化”和中學(xué)生物理學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)性欠缺[10]。所以筆者認(rèn)為借鑒美國(guó)教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識(shí)對(duì)解決我國(guó)芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題，培養(yǎng)科研人才是很有必要的。

2） 建議師范院校將“固體物理”課程設(shè)為必修

筆者統(tǒng)計(jì)了校友排名靠前的20所師范大學(xué)的物理師范專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案，發(fā)現(xiàn)雖然所有高校都開(kāi)設(shè)了“固體物理”這門(mén)課程，但有近40%的院校未將“固體物理”設(shè)為必修課程。由于“固體物理”課程難度較大，令人望而生畏，因此大部分師范生并不會(huì)主動(dòng)選修 “固體物理”，這會(huì)導(dǎo)致很多高中物理老師自身就缺乏對(duì)“固體物理”基本認(rèn)識(shí)。我國(guó)現(xiàn)在使用的高中物理教材中還有部分與“固體物理”相關(guān)的知識(shí)，比如壓電效應(yīng)、X射線衍射、掃描隧道顯微鏡等[11]。如果教師沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)“固體物理”，自然也無(wú)法給學(xué)生講好這部分內(nèi)容。“固體物理”不僅是對(duì)大學(xué)物理知識(shí)的拓展與升華，而且能夠開(kāi)拓教師的眼界，增強(qiáng)教師遇到問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，所以筆者建議師范院校將“固體物理”課程設(shè)為必修。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)教材比較可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)教材中涉及固態(tài)電子學(xué)的科普應(yīng)用知識(shí)較多，滲透了相關(guān)科技前沿和應(yīng)用，有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。但其中理論知識(shí)較少，深度較為缺乏，新課標(biāo)對(duì)這部分內(nèi)容的要求也停留在了解程度，對(duì)學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)固體物理相關(guān)理論知識(shí)幫助不大。美國(guó)教材中固態(tài)電子學(xué)知識(shí)則更為集中且深入，既有利于學(xué)生了解電子技術(shù)行業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)此行業(yè)的興趣，又降低了大學(xué)學(xué)習(xí)理工科相關(guān)知識(shí)的難度。筆者建議借鑒美國(guó)教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識(shí)，將師范院校的“固體物理”課程設(shè)為必修，從學(xué)生培養(yǎng)和老師培養(yǎng)兩個(gè)方面改進(jìn)現(xiàn)有物理教育，為解決芯片技術(shù)卡脖子問(wèn)題打好基礎(chǔ)。