先進科研測試技術在實驗教學中的應用研究

樊永祥 許晟瑞 康海燕

摘 ?要：面對行業需求和學科前沿的快速發展，以增強學生創新能力培養和建立科學研究信心為目的，在本科“微電子科學與工程”專業實驗教學平臺上，結合西電在寬禁帶半導體材料GaN領域的科研優勢，通過在實驗教學中引入先進的科研測試技術，討論科學研究促進教學改革的思路。以熒光光譜分析技術在半導體材料參數的測試應用為案例，探討先進科研測試手段在實驗教學中應用的模式、方法和問題等。

關鍵詞：測試技術;實驗教學;改革;半導體材料

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）18-0117-03

Abstract： Facing the demand of industry and the rapid development of discipline frontier， to enhance college students' ability to innovate and build confidence in scientific research， a study of new ideas on how ?science research can help education reform is discussed by using advanced technologies in science measurements， on the basis of the experimental teaching of "Microelectronics Science and Engineering" and the advanced science research of the wide band semiconductor materials GaN in Xidian University. As a case， the technology of fluorescence spectroscopic analysis in measurement of parameters of semiconductor materials is used for the experimental course to discuss the models， methods， and problems.

Keywords： technologies in measurements; experimental teaching; reform; semiconductor materials

一、概述

近年來，先進的科學研究對實踐教學的促進作用備受關注，發展迅速。GaN作為典型的第三帶半導體材料，相關材料與器件研究是西安電子科技大學的科研優勢，取得了眾多的研究成果[1-4]。同時行業對于工程型人才的實際需求也要求“微電子科學與工程”專業實驗教學要與行業迫切需求、科研前沿發展相適應。

“微電子科學與工程”專業是國家一級學科“電子科學與技術”的重要支撐專業，本科實踐教育對學生創新能力和創新意識的培養是至關重要的，這也是近年來高等教育的主要發展方向之一[5-8]。如何以科研優勢促進教學發展的思路由來已久[9-13]，將先進的科研測試技術引入本科相關專業的實驗教學環節是很好的“以研促教”方法，是一個重要的實驗教學研究課題。

二、行業對人才的客觀需求和本科實驗教學現狀

近年來，“微電子科學與工程”專業發展迅速，國家對集成電路產業非常重視，近年來美國對華為的百般刁難和出口限制充分說明了芯片產業對于國家的重要性和戰略意義。產業的快速發展和對相關人才需求，極大地推動了教學改革的發展。西安電子科技大學的“微電子科學與工程”本科專業屬于國家一類熱門專業。本科實驗教學對高層次理論型、工程型人才培養至關重要，但在本科專業實驗教學中存在一些問題，主要表現為：

（一）課程教學大綱滯后于學科發展前沿和行業實際需求

“微電子科學與工程”專業的前身是1965年設立“半導體材料與器件”專業，歷經50多年的發展，專業培養計劃進行了多次的修訂和完善，從課程內容、學時、能力培養、課程層次關系等多方面進行了改進。隨著近十年行業和學科的快速發展，學校的專業教育表現出在專業前沿領域涉及不足的問題，同時教學內容滯后于學科的快速發展，教學形式與行業脫節現象嚴重。

（二）重科研輕教學的現象一直客觀存在著

目前，對于高校的評價體系中，核心指標仍然主要是由科學研究工作完成的，其中論文、項目經費等是重要的量化評價指標，這就導致了重科研輕教學現象的客觀存在。國家政策是高等教育重要的發展指針，也是學校考核教師的重要方向，盡管在國家層面多次出臺政策促進教學的快速發展，但是重科研輕教學現象仍然存在，亟待有所改變。

（三）先進的科研測試手段在教學中的應用較難推廣

在西電“微電子科學與工程”專業的本科教學中，科研優勢對教學的促進作用不明顯。先進的科研設施和精密儀器很難面向本科教學用途推廣，精密的科研設備具有高昂的價格和維護成本，承擔著科研前沿和高層次研究型人才培養任務。學科前沿知識的傳遞在教學中有涉及，但延伸性較差。先進的科研技術手段在實驗教學中應用不足。

針對上述問題，在西電“微電子科學與工程”專業的實驗教學中，依托西電在第三帶半導體材料GaN研究領域的科研優勢，探索先進科研測試手段應用于教學并形成良性促進作用就顯得十分迫切和必要了。

三、案例內容和先進科研測試技術在實驗教學中的應用

結合本科專業實驗教學實際和人才培養需要，以新實驗教改項目的形式完成熒光光譜分析技術的實驗教學應用作為案例，研究應用先進科研測試技術于教學的模式、方法和難點等問題。

（一）光學測試手段在科研和實驗教學應用中的區別

GaN和InN形成的合金InGaN是發光二極管量子阱的核心區域，在InGaN材料的科學研究中，禁帶寬度、組分和晶格常數等是非常重要的指標。光譜分析技術的科研應用由來已久，目前主要有透射電子顯微鏡和X射線衍射為代表的測試技術，這些技術均很好地滿足了科學研究對測試精度的要求，但都存在設備價格高昂、場地要求高和維護成本高等特點，不利于實踐教學推廣。

在人才培養需求的帶動下，面向教學市場的巨大需求，基于熒光光譜分析技術的實驗系統出現了，這為增設本科專業實驗測試InGaN發光材料參數提供了可能。熒光光譜分析技術采用的光源為LED或LD光源，波長較長，能夠測試的半導體材料范圍比科研需求要窄，但它具有很高的測試精度，仍然能夠滿足本科的實驗教學需求，在技術上使得理論表征和實際測試先進材料InGaN成為可能，是第三代半導體材料相關理論教學的延伸。

（二）新實驗開發與熒光光譜分析技術的應用

通過申請設立“PL譜在摻雜半導體組分和禁帶寬度測量的實驗應用研究”新實驗教改項目，研究熒光光譜分析技術在實驗教學中的應用，就是先進科研測試技術在教學中的應用范例。在獲得學校對該項目的支持后，項目組成員先后完善了材料的參數表征理論到實驗原理的內容修訂，儀器光源波長對三代半導體材料適應性研究與實驗樣品制作，儀器測試誤差與教學要求關系研究，實驗推廣可行性分析等問題。

該項目完成后，應用于本科“微電子科學與工程”實驗教學環節，已歷時兩年，四個學期的實施結果表明該實驗作為《半導體工藝檢測實驗》課程的一個子項目，具有了年接納學生500人的能力，同時，很好地解決了實驗課程缺少光學測試手段、缺少先進材料測試內容、與學科前沿發展滯后性等問題。

四、先進科研測試技術在實驗教學中應用的模式總結

上述案例表明開發新的實驗項目可以很好地實現先進科研測試技術在實驗教學中的應用，通過“以研促教”形式實現先進科研成果在教學中的應用，是科研對教學的促進作用體現。那么，先進科研測試技術在實驗教學中應用又是如何進行的？

（一）調研與推動設備廠商研制教學設備的積極性

在面向科學研究時，所使用的測試儀器具有很高的測試精度、嚴格的放置環境、規范的操作流程、成本高昂的性能維護等，在實驗教學中存在很大的推廣難度。在經濟條件許可的情況下，小范圍應用科研級測試儀器到實驗教學是高水平人才培養的重要保障。在經濟條件不足的情況下，面向專業實驗教學需求，必須找到滿足前沿性測試需求，相對精度較低、性價比高的面向教學用途的替代設備。積極與儀器供應商廣泛的溝通，表達教學需求，使其充分認識到巨大的市場需求是促進廠商研發教學替代設備的重要途徑。

（二）合理選擇科學理論的前沿分支構建新實驗理論模型

在相關科學研究領域存在著眾多的細小分支，大多具有涉及專業知識面窄、難度大、知識水平要求高等特點。合理選擇適合人才培養需求和實際操作的研究內容，將是新實驗理論模型開發的重要保證。從事科學研究首要解決的就是理論問題，科學理論是科研成果產生的重要基礎。在充分與科研團隊成員交流后，選擇合適方向或分支并以其先進的科研理論為基礎，開發實驗理論模型將達到事半功倍的效果。

（三）對新實驗項目的設立進行論證與預判評估

新實驗項目開發環節包括：專業培養計劃、實驗課程大綱、實驗講義、實驗設備、實驗樣品和實驗教師等。在設立新實驗項目前，必須對這些環節中起到制約作用的培養計劃和實驗設備進行調研。內容有：是否存在滿足專業培養計劃和人才能力培養的新的實驗內容？是否存在滿足教學較低精度要求、高性價比的類似設備？在調研的基礎上，先進的科研理論就是實驗講義的和課程大綱的基礎，科研研究的對象就是很好的實驗樣品來源。

（四）加強實驗教師培訓或人才引進為新實驗實施提供保障

從事相關科學研究的教師就是最好的實驗教師引入對象。在無法引進相關教師的情況下，培訓已有的實驗教師就是重要的手段。針對現有教師的職業素養、儀器操作能力、理論知識水平等開展相關培訓工作，可以在從事相關科研工作的教師幫助下進行。需要系統性嚴謹地開展培訓工作，確保實驗教師充分掌握實驗理論、測試手段、儀器操作規范等內容。

（五）成功的應用模式的推廣價值評估

先進科研測試技術的應用作為重要的促進實驗教學發展的手段，有效地實際使用和必要合理的大力推廣，是高水平人才培養和教學改革發展的保證。在各門專業實驗中，通過增設新實驗的方法，以應用先進的科研測試手段為媒介，可以有效地整合西電的科研優勢，使科學研究發展拉動教學水平提升，先進的教學模式和高水平的教學方法必然會推動人才培養質量的有效提升，高層次人才又可以充實科研隊伍，達到教學反哺科研的目的。

五、結束語

在已經形成規模的集成電路實驗中心平臺上，結合學校先進的科研測試技術手段、科研前沿成果、科研從業教師隊伍及完整的學生創新能力培養實踐教學體系，證明了先進科研測試手段在專業實驗教學改革中的應用是可行的。借助已具備的科研優勢力量，在專業培養體系內，通過增設新的實驗項目的方式，引進先進的科研測試手段，可以進一步提高實踐教學質量。先進測試技術的推廣和應用是實現科研促進教學、教學反哺科研的重要手段，總結的經驗是值得借鑒的。

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