基于研究型半導體光電類課程的教學探索

楊國鋒　朱焯煒　張秀梅　闕立志　高淑梅

摘要：半導體光電學科是理論性和實踐性較強的新興專業(yè)，針對專業(yè)的特點和半導體光電技術的發(fā)展需求，本文結合地域和學科的實際情況，提出了學科在課堂理論教學措施改善、協同實驗平臺建造以及校企合作模式建設的探索性思考。

關鍵詞：半導體光電；研究型；實踐；教學探索

中圖分類號：G42 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0123-02

近幾年來，隨著半導體電子產業(yè)和光學專業(yè)的快速發(fā)展，半導體光電正逐漸成為一門新興的學科。半導體光電技術是集現代半導體技術、電子學技術和光學信息處理技術等學科于一體的綜合性學科，要求學生具有扎實的半導體物理、光電子、數學和計算機等基礎知識。該學科作為光、機、電、算、材一體的交叉學科，專科課程較多，涉及知識面較廣，有其自身的課程特點：既要講授半導體相關的專業(yè)知識，又要補充光電專業(yè)的知識，還要加強數理基礎理論教學；既要圍繞半導體光電專業(yè)核心，又要涉足其他專業(yè)領域；既要重視教學方法，提高教學質量，又要加強前沿知識的學習和科研，不斷更新知識體系，將最新的行業(yè)信息灌輸給學生。同時，隨著近年來固態(tài)半導體LED照明技術、半導體激光、太陽能光伏和半導體探測器等高新行業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量的具有創(chuàng)新研究能力的技術人才來從事半導體光電材料、器件以及系統的研究和開發(fā)。這就需要高校培養(yǎng)具有動手能力強，基礎知識扎實，綜合分析能力優(yōu)秀的研究型人才。但是目前高校半導體光電學科的教學普遍停留在理論層面，缺乏實踐性內容的提升。因而作為一門實用性很強的專業(yè)，應著重加強理論與實踐相結合的全面教學，逐步開展研究性課程的教學探索，打破傳統的教學理念，以形成學生在課程學習中主動思考探索并重視創(chuàng)新性交叉研究的積極教學模式，為半導體光電學科建立一個全新的培養(yǎng)方式。

一、理論教學中創(chuàng)設前沿性課題，引導學生進行探究性學習

在傳統的教學模式中，專業(yè)課程的講授主要依靠講解概念、分析原理、推導公式、得出結論。而學生就是按部就班地記筆記、做習題、應付考試。課堂教學效果完全取決于教師的教學經驗，最終學生所接受的知識也僅僅停留在課本的層面，這完全達不到迅猛發(fā)展的高新的半導體光電學科的培養(yǎng)要求。這就需要教師打破傳統的教學理念，開展研究性的教學方式。研究性教學是以學生的探究性學習為基礎，教師提出一些創(chuàng)新性的問題，以及與專業(yè)相關的一些前沿性科技專題報道，學生在創(chuàng)新性的問題中，借助課本提供的基礎理論和教師提供的相關資料，借鑒科學研究的方法，或獨立探索、或協作討論，通過探究學習、合作學習、自主學習等方式最終找到解決問題的方案，甚至提出更具有創(chuàng)新性的思路。因此，在教學過程中，我們應嘗試減少課堂講授時間、增加課堂討論時間，有意識地提出一些較深層次的問題：如提高太陽能電池的光電轉換效率的方法、新型的半導體材料制作光電器件的優(yōu)異性等，有針對性地組織專題討論。考核方式以課程設計或者專題論文的形式進行，以培養(yǎng)學生的思考和創(chuàng)新研究能力。此外，要重視階段性總結和檢查工作，培養(yǎng)學生綜合素質和能力。教師在注重教學方式改進的同時，也要重視學生學習效果的階段性檢查和總結。傳統的課堂教學是以作業(yè)為考察標準，這種考察的弊端是給學生提供了抄襲作業(yè)的機會，學習效果不佳。因此應考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段。可以讓學生將多媒體課件與教材和參考書相結合，根據教師在課堂教學中指出的難點和重點，單獨總結出學習筆記，并進行定期檢查。

二、建立半導體專業(yè)與光電專業(yè)協同的教學環(huán)境

半導體光電從理論上來講是研究半導體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉換的一門科學，涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎學科；從實踐層面來講，也關聯著半導體光電材料、光電探測器、異質結光電器件及其相關系統的研究。因此，在理論上應鼓勵教師根據教學情況，編寫有針對性的，并且包含基礎物理學、半導體電子學、光學和系統設計等具有交叉性理論的教材和講義，提升學生在半導體光電交叉領域的理論基礎。同時需要組織和調動各層次教師，建設教學研究中心。結合老教師的經驗和青年教師的創(chuàng)意，共同進行教學改革探索。另外，實現半導體光電學科的教學探索，不僅需要專業(yè)教師改進和完善課堂教學措施，提升教學水平和質量，同時也需要專業(yè)的半導體光電材料生長、器件制備和檢測設備，以及專業(yè)設計軟件供教學和科研使用。該學科的性質決定了教學的內容不能僅僅局限于理論方面，還需要實驗方面的補充和實踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實現協同的教學環(huán)境。在具體的操作過程中，以光譜分析為例，傳統的光譜分析光源采用的是一些氣體激光器，我們可以在教學中利用新型的半導體固體激光器來替代傳統的氣體激光器，將半導體光電器件和光學系統有機結合起來，提供兩者協同的新型設備。指導學生在實驗中分析新型的光譜系統和傳統系統的優(yōu)劣性，以及如何在現有的基礎上改進系統，提高系統的使用性能，在教學中鍛煉學生的協同學科的技能性訓練。進一步可以引入顯微鏡成像技術，采用簡易的一些光學元器件，在實驗室內讓學生動手搭建顯微成像設備，鍛煉學生對光學系統的整體認知能力，并且可以提升傳統設備的應用范圍。這一系列交叉協同教學實驗的建立有利于打破教學和研究的界限，打破學科的界限，突出半導體光電學科的交叉性特點，促進學生知識的全面性掌握，為研究型的教學模式開辟新的途徑。

三、建立前沿性半導體光電專業(yè)實驗教學平臺

半導體光電涉及的領域很廣泛，單純的理論教學不能滿足學生對于高新的工程應用的直觀認識，許多設備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學生不易理解。因而需要重視研究型實踐教學。在條件允許的情況的，將半導體材料生長和器件制造設備引入課堂，讓學生深刻掌握器件的制造流程。同時可以引入先進的光電檢測設備，讓學生開展一些器件的檢測實驗，在實驗過程中熟悉器件和光電系統的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同時還可以讓學生在實踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學研究問題。以半導體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設備較為精密、價格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當的LED材料生長設備MOCVD的一些生長過程的實物圖片和視頻，以及半導體器件制備的薄膜沉積、光刻制作和刻蝕工藝的流程圖和視頻，讓學生盡可能地將抽象的理論與具體實踐聯系起來。此外，購置現成的LED器件和光電檢測設備，利用光電測試設備對LED器件開展一些電學和光學性能的檢測，在測試過程中讓學生對LED光電轉換基本原理和不同測試條件對器件光電性能影響的物理機制開展探索性研究。對于阻礙LED發(fā)展的一些前沿性難題進行深刻的思考和分析，提出合理的改進和解決方案。基于學科的科研實驗條件，我們還可以提出項目教學法，把教學內容通過“實踐項目”的形式進行教學，為了能夠一個半導體和光電專業(yè)相協同的實驗平臺，可以設置一個系統的實驗項目包含多門課程的知識。項目教學是在教師的指導下，將相對獨立的教學內容相關的項目交由學生自己處理。信息的收集，方案的設計，項目實施及最終評價報告，都由學生負責完成，學生通過該項目的進行，了解并把握實驗制造和檢測得整個過程及每一個環(huán)節(jié)的基本要求，教師在整個過程中主要起引導作用。以此來培養(yǎng)學生的實踐性、研究性學習能力，讓學生扮演項目研究者的角色，在研究項目情景的刺激下及教師的指導下主動開展探究活動，并在探究過程中掌握知識和學習分析問題、解決問題的方法，從而達到提高分析問題、解決問題能力的目的。這樣才具備一門前沿性的學科所應該達到的理想效果。

四、建立專業(yè)校企合作基地

半導體光電專業(yè)需結合地域經濟發(fā)展特點，建立專業(yè)的校企合作基地。校企合作是高校培養(yǎng)高素質技能型人才的重要模式，是實現高校培養(yǎng)目標的基本途徑。以江南大學為例，可以依據無錫當地工業(yè)的發(fā)展中心，與半導體光電類企業(yè)，如無錫尚德太陽能股份有限公司、江蘇新廣聯LED器件制造企業(yè)、LED照明企業(yè)實益達、萬潤光子等公司進行深入合作，建立企業(yè)實訓創(chuàng)新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學生去企業(yè)進行參觀，了解半導體光電類產品的產線制造過程。還可以安排有興趣的學生在學有余力的同時進入企業(yè)進行實習，使學生能夠將課堂的理論知識應用到實際的應用生產中，并且可以利用理論知識來解決實際生產中所遇到的一些問題。以實際產線的需求分析為基礎，結合理論教學的要求，建立以工作體系為基礎的課程內容體系；實施綜合化、一體化的課程內容，構建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實驗室和生產車間三者結合的教學場所。最終積累一定的合作經驗后，校企可以合作開發(fā)教材，聘請行業(yè)專家和學校專業(yè)教師針對課程的特點，結合課堂基礎和生產實踐的要求，結合學生在相關企業(yè)實訓實習的進展，編寫出符合高校教學和企業(yè)生產需求的新型校企雙用教材。

綜上所述，要開展研究型半導體光電類課程的教學探索，首先要突破傳統的理論教學模式，根據課堂教學需求，改善課堂教學措施，形成有創(chuàng)意、有個性化的課堂特色，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

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