新工科背景下“光電材料和器件物理”研究生課程教改初探

劉 浪，馮 艷

（江西理工大學國際創(chuàng)新研究院 江西 南昌 330013）

隨著全球科技競爭的加劇，國家之間的競爭已經(jīng)從經(jīng)濟、軍事等領域擴展到了科技領域，科技創(chuàng)新是國家發(fā)展的重要引擎，而研究生教育是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的關鍵環(huán)節(jié)。通過研究生教育，國家能夠培養(yǎng)出具有創(chuàng)新思維和實踐能力的人才，推動科技創(chuàng)新的不斷突破和進步，為國家的長遠發(fā)展提供強大支持。

我國研究生教育在過去幾十年中發(fā)生了巨大的變化。從最初注重技術型人才培養(yǎng)，到后來注重技術型與綜合素質(zhì)相結合的培養(yǎng)，再到如今注重技術創(chuàng)新和探索以及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。這些變化反映了國家對科技發(fā)展的需求不斷增大，對人才培養(yǎng)的重視與推進。我國研究生教育規(guī)模與規(guī)劃經(jīng)歷了從小到大，從標準化到多元化，從技術性到創(chuàng)新性的轉變，也在不斷適應和推動著國家科技發(fā)展的步伐。

我國研究生教育在2012 年黨的十八大召開以來，迎來了快速發(fā)展的一個階段，這個階段研究生教育規(guī)模發(fā)展速率不斷上升[1]。在2022 年9 月22 日，國家發(fā)布了《關于加快新時代研究生教育改革發(fā)展的意見》。其指出：“研究生教育肩負著高層次人才培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造的重要使命?！盵2]充分說明研究生教育是培養(yǎng)創(chuàng)新與應用型科技人才的重要途徑，對于國家參與科技競爭與國家長遠發(fā)展具有重要意義[3]。如何培養(yǎng)創(chuàng)新型研究生，培養(yǎng)什么樣的研究生一直是教育事業(yè)不斷探索與研究的主題。本文以研究生課程“光電材料和器件物理”出發(fā)，通過對我國研究生教學活動過程中教學方法與教學評價方面面臨的困境進行分析，探索當前研究生課程教學改革之路。

1 當前教學的主要問題

研究生教育不同于本科生教育，其更趨向于在傳授學生“光電材料和器件物理”課程理論知識的基礎上，引導學生探索，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與吃苦耐勞的科研精神。本文對近幾年課程講授的過程進行了反思與總結，從以下幾個方面進行闡述：

1.1 課堂模式

光電材料和器件物理是一個廣泛而復雜的領域，由于傳統(tǒng)課堂結構的設置，教學模式比較單一，課堂講授多以教師講授、學生聽課為主。此模式比較單一，不足以滿足學生的學習需求，時間存在局限性，易忽略課堂應以學生為主的理念，教師很難判斷課程實施效果，進而呈現(xiàn)以灌輸?shù)姆绞浇虒W生，課堂枯燥無味，學生易失去興趣，失去積極性，學習態(tài)度敷衍，存在“唯分數(shù)論”的現(xiàn)象。

1.2 課程性質(zhì)及課堂內(nèi)容

“光電材料和器件物理”課程確實是一門理論性很強的學科，它研究半導體材料的物理性質(zhì)以及半導體器件的原理和工作機制。在這門課程中，學生需要學習電學、光學、熱學等相關知識，以理解半導體材料和器件的行為和特性。課程內(nèi)容會包含大量的公式推理和假設簡化。這是因為光電材料和器件物理是一個復雜且抽象的領域，通過數(shù)學模型和假設簡化，可以更好地描述和解釋半導體材料和器件的行為。這些公式和簡化假設提供了一種理論框架，幫助學生理解和分析半導體器件的性能和行為。另外，光電材料和器件物理領域的發(fā)展非常迅速，新的材料、器件和技術不斷涌現(xiàn)。然而，課程內(nèi)容可能沒有及時更新，無法跟上最新的研究和發(fā)展動態(tài)。這可能導致學生學到的知識已經(jīng)過時，無法滿足實際需求。

1.3 研究生培養(yǎng)的特殊性

同一課程研究生階段所選擇的方向不同，對于課程的重視程度也會存在差異，部分同學存在“唯分數(shù)論”的觀念，課程活躍度不高，學生參與積極性不強。

1.4 人工智能對于學習與教育的沖擊

隨著人工智能的發(fā)展與深入，人工智能課根據(jù)強化學習、深度學習等算法[4]，與人進行“溝通與交流”，并能根據(jù)數(shù)據(jù)特征給出預設答案，固化了學生思維，強化了學生對人工智能的依賴程度，導致學生缺乏創(chuàng)新與探索精神。

基于上述問題，各高校對于教學改革的內(nèi)容非常重視，西北工業(yè)大學李偉等在高校人才培養(yǎng)中，指出將思政思想融入專業(yè)課程，實現(xiàn)“三位一體”教學課程模式[5]；北京工業(yè)大學金玉紅等采用“師生雙主體-燈塔模式”推進思政課程的進行[6]；王園等基于產(chǎn)教融合理念對教學模式及內(nèi)容進行分析與探索[7]。本文針對目前的課程所存在的教學問題，對課程教改也進行了分析與探索。

2 課堂教學模式改革

光電材料和器件物理課程是材料科學與工程學科碩士研究生專業(yè)選修課程，內(nèi)容涵蓋半導體學、材料學和器件制備等方面的知識，并具有較高的理論深度。通過學習該課程，學生可以掌握光電器件的基本概念、理論和規(guī)律，培養(yǎng)分析和應用半導體物理知識解決實際問題的能力。此外，該課程還旨在讓學生對半導體物理學科有整體的認知，并掌握學習該領域課程的方法。因此，該課程的建設是研究生課程建設的核心內(nèi)容。本文從以下幾個方面進行探索：

2.1 線上線下混合模式

針對學生的研究方向，可以推薦他們參與相關領域的課程學習，同時通過查閱除課堂教材之外的專業(yè)資料來擴充知識儲備。利用線上課堂的優(yōu)勢，量身制訂學生的專業(yè)學習計劃，滿足其個性化的學習需求。此外，學生還可以參與教師的科研項目，積累科研經(jīng)驗，培養(yǎng)耐心和勤奮的品質(zhì)，開闊視野，有助于他們撰寫自己的碩士論文。

2.2 任務導向型教學模式

任務導向型教學模式是以解決問題為導向，約翰 布魯貝克與皮婭 索卡爾（Piya Sorcar）教授曾講過：任務導向型教學通過案例問題分析促進學生在多個學科領域進行交叉學科探討，培養(yǎng)學生分析問題的能力[8-9]。①在案例教學中，教學PPT 可展示涉及多個學科領域的案例，學生分組案例分析，并在教師指導下設計可行性方案。此方法不僅能提高學生對學習的參與度，還能培養(yǎng)他們分析復雜問題的能力。②在研討會中，首先由教師確定學生所討論與研究的主題，必要時可提供可選擇的文獻。接著小組對主題闡述與交流，最后由小組組長代表本組對討論的結果進行展示。如“材料分為導體、半導體與絕緣體，為什么半導體更適用于制作器件”內(nèi)容，課堂上分配10~15min的討論時間，由學生小組進行討論，時間結束，各小組發(fā)表本組的觀點，教師可將優(yōu)秀的觀點進行總結，并給予加分鼓勵，最后由一名研究生對此部分知識的學習發(fā)表感想[10]。教師針對課堂內(nèi)容進行總結，引出目前相關技術及市場發(fā)展的情況，采用鼓勵政策，由學生自愿報名，收集技術發(fā)展及市場需求的相關內(nèi)容進行PPT匯報或收集資料文獻，課堂小組討論與鑒賞。教師也可引導學生對文獻內(nèi)容的主題、論點、論據(jù)進行分析與總結。

2.3 多媒體信息化

通過融合互聯(lián)網(wǎng)技術和課堂教學，利用先進多媒體信息化教學手段，實現(xiàn)最佳教學效果，傳授豐富多樣的知識。通過運用輔助工具如Flash 動畫來講解重點和難點知識，結合“學習通”網(wǎng)絡教學平臺和手機APP，豐富課堂教學活動。同時，采用雙語教學方法，不僅能提高學生對知識的理解深度，還能增加課堂的趣味性，并提升學生的外語閱讀能力。比如，在學習載流子擴散和漂移知識點時，由于公式繁多，過程復雜，關聯(lián)到的其他知識點也較多，僅通過普通的講述很難形象地還原p-n結中載流子的運動規(guī)律，而通過動畫的形式則能很好地再現(xiàn)載流子的運動場景。

2.4 思政課程

由于人工智能的發(fā)展，其算法推薦方式可能會強化學生的偏向和錯誤的價值觀念，干擾他們對知識的篩選。因此，教師可以將思政思想融入“光電材料和器件物理”課程，使學生的思想進一步得到升華。例如，課程中的雪崩擊穿就蘊含了一定的哲學思想。由課程知識可知，在一般情況下，給p-n 結施加反向偏壓得到的電流很小，此時器件處于截止狀態(tài)；但當反向偏壓高到一定數(shù)值時，p-n 結會被擊穿，產(chǎn)生非常大的反向電流。這個知識點蘊含的哲學思想是“物極必反，適度為宜”，數(shù)學思想中，值越大則為無窮大，數(shù)a 值小則為負無窮小，但無窮卻是不可精確表示的，沒有確定的數(shù)值。當事物發(fā)展到了無窮的地步，便會難以精確表示,可能會向相反的方面轉化。

3 課程考核多元化

根據(jù)“完善質(zhì)量評價機制，破除“五唯”評價方式”的指導要求，為保證教學評價多元化、全面化，基于上述探究內(nèi)容，對教學評價體系進行了完善。教學評價分為兩個部分：平時成績（40%）與期末成績（60%），平時成績根據(jù)學生小組討論討論成果、PPT匯報內(nèi)容、文獻資料鑒賞水平、考勤、課堂表現(xiàn)等進行評價；期末成績包括兩個部分：課堂內(nèi)容PPT 匯報總結與小論文內(nèi)容兩個部分，將PPT 總結是否完善，內(nèi)容要點是否全面，是否突出重點，結構是否清晰等作為評價指標；同樣小論文內(nèi)容是否緊跟技術發(fā)展，內(nèi)容是否具有新穎，結構是否完善等作為評價指標。

4 課程教改實踐

通過教學改革的實踐，發(fā)現(xiàn)教學活動多樣化有助于提升學生學習興趣，使得課堂知識的學習不再局限于課本，拓展了學生思維，引導學生對于課堂知識不斷進行探索與研究，學生對于文獻的學習與分析也更具有深度，學生的作業(yè)質(zhì)量及課程論文內(nèi)容也更具有專業(yè)特色，對于問題的剖析能力不斷加強。教學改革的實施，減少了研究生不同研究方向之間的差距，提升了學生對此門課程的重視程度，同時加強了教師與學生之間的交流，引導學生梳理了正確的價值觀念。

5 結論

“光電材料和器件物理”課程是一門理論性較高的課程，通過課程教改的實踐，學生興趣逐漸提升，上課積極性提高，課堂討論各抒己見，有助于促進不同研究方向的學生相互學習。此種教學改革有助于引導學生不斷探索與創(chuàng)新，為培養(yǎng)新工科背景下的應用型、創(chuàng)新型人才打下基礎。