新舊動能轉換戰略下“半導體照明原理與技術”課程教學改革研究

尹正茂 孫長龍 李桂村 孫瓊 王莉 石良 于立巖 杜芳林

[摘 要]半導體照明原理與技術是新能源材料與器件專業的重要基礎課程，在新舊動能轉換戰略下半導體照明原理與技術課程的教學改革，對促進半導體照明產業創新發展及國家半導體產業突破升級具有重要意義;慕課教學、啟發教學、實物教學、翻轉課堂、實踐教學等多種教學手段的綜合運用促進本課程的教學改革。

[關鍵詞]新舊動能轉換;半導體照明原理與技術;教學研究

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）48-0-02[收稿日期] 2020-05-11

半導體照明是以發光二極管（LED）為核心的固體發光器件，具有節能、環保、智能等優點，成為21世紀最有發展前景的“綠色”光源。在新舊動能轉換戰略下，半導體照明產業如何不斷突破新技術，如何從跟蹤超越到引領，如何從做大到做強，成為重要目標和課題。半導體照明創新發展離不開對半導體照明人才的培養，而半導體照明原理與技術是一門重要的專業基礎課。

半導體照明原理與技術是新能源材料與器件專業和材料學相關專業的基礎課程，涉及光學、固體物理、半導體物理與器件、光電子學等內容[1，2]，是一門集合材料合成、器件結構設計、工藝制備等的應用綜合交叉課程。在培養學生創新性思維、工程設計、綜合應用能力方面起到重要作用。因此，為了適應新舊動能轉換戰略下半導體照明的發展要求，培養學生創新能力和解決實際問題的能力，需要探索本課程的新型教學方法。

一、課程改革思路目標

本課程改革的總體思路是教學形式靈活多樣、啟發引導為主、以學生為中心、激發學生主動性、注重實踐應用。對教師目標要求：運用現代教學手段建立線上課程，豐富教學手段;改變填鴨式教學，注重啟發互動;教學內容形象化可視化，同時公式原理回歸傳統板書教學;將更多實物帶入課堂，激發學生學習興趣;以學生為中心，探索翻轉課堂;注重實踐教學，培養學生綜合能力。對學生目標要求：養成主動學習習慣，主動思考并勇于提問，課上跟上教師思路，注重理論聯系實際，培養團隊合作、歸納總結、語言表達、動手實踐的能力;掌握半導體照明相關的理論知識，具備半導體照明材料制備、結構設計、器件開發、產品應用的能力。

二、教學改革方法

為了實現新舊動能轉換戰略下半導體照明產業的突破和引領目標[3]，半導體照明原理與技術課程的教學過程中綜合運用了多種教學改革方法。具體內容如下：

（一）慕課教學

建立了以超星學習通為基礎的半導體照明原理與技術線上慕課課程，集合了視頻、PPT課件、習題、文獻等資料。課前學生預習課程內容;課上教師現場發送客觀題，學生線上答題，這種方式快速反饋學生對知識點的掌握情況;課后學生通過慕課系統隨時與老師、同學溝通討論，學生學習的積極性和時效性得到明顯提高。

（二）啟發式教學

知識點盡量以問題形式引入，啟發引導學生思考，注重學生獨立思考、分析和解決問題的能力。例如，問題：生活中哪些物品應用了LED，結構形式是什么？讓學生開動腦筋、發散思維、判斷解答問題。

（三）PPT和板書教學結合

豐富PPT課件內容，搜集和制作了大量彩色立體圖像和視頻動畫，把知識原理從苦澀的文字轉變成簡單可視易懂的影像，使知識更容易被接受，提高了學生的積極性和學習效率。例如，PN結通電時電子和空穴運動的動畫使載流子的運動清晰可見，LED中電子和空穴復合發光的動畫使發光過程一目了然;MOCVD設備的詳細拆解圖、LED芯片工藝流程圖、LED芯片的各種設備等圖表，使學生詳細了解LED外延生長過程、芯片工藝以及多種設備的工作原理和結構。對一些關鍵性的知識點要以板書為主，仔細講解原理內涵和公式推導，板書過程使學生看到知識點的來源和演變過程，學生理解更深刻。例如，PN結、異質結、雙異質結的能帶圖在黑板上邊畫邊講，異質結的進化過程一目了然。

（四）實物教學

在教學中引入章節內容相對應的實物，讓學生形象地看到實物具體什么樣，激發學生的學習興趣。例如：講解光譜相關內容，課堂上利用微型分光光度計和光纖光譜儀，現場將鹵鎢燈和太陽光進行分光并測試光譜;講解色度學內容，現場用微型光譜儀測量實物顏色;講解LED結構時，結合LED外延片、不同規格LED芯片和LED燈珠進行實物講解;講解LED芯片制備流程時，結合LED芯片工藝隨工單實物給學生講解。通過實物教學，學生感官認知增強，學生更加積極主動學習，對知識的理解和把握更深入。

（五）翻轉課堂

對于新型發光材料和器件部分，采取課題研究、分組協作和翻轉課堂的開放式教學模式。提供幾個研究課題：半導體激光器LD、有機發光二極管OLED、膠體量子點LED、鈣鈦礦LED、LED大屏顯示、LCD顯示技術等，讓學生自主選擇感興趣方向，自由組合形成課題組，學生分工合作、查閱資料和文獻，自學知識、提取有用內容、整理知識、制作并講解PPT、相互提問、相互打分。教師全程跟蹤和指導，對遇到的困難和問題給予引導建議，并確保每個學生都能參與進來;每個課題的講解人在二人以上，全員參與問題解答;教師主持各課題組講解現場，配合主講人調動觀眾積極性，并對學生難以解答問題進行現場解答，制定詳細的打分規則。通過翻轉課堂，培養學生課題調研、學習知識、總結歸納、分工協作和演講表達的科研素養和能力，使學生對半導體照明相關知識的綜合學習能力得到提高。

（六）開設專業綜合實驗

開設專業綜合實驗這類后續實踐課程—“白光LED制備及性能研究”，通過專業綜合實驗讓學生動手組裝和測試LED，使學生理論聯系實踐，學以致用。“白光LED制備及性能研究”分為四部分：一是新型光轉換熒光納米材料（熒光碳點、碲化鎘量子點等）制備;二是新型光轉換熒光納米材料的性能測試（吸收、熒光、量子效率、TEM等）;三是新型熒光納米材料和傳統Ce3+：YAG熒光粉在藍光LED燈珠上的涂覆、調制白光和封裝，制備幾種白光LED;四是白光LED的光電性能測試。本專業綜合實驗培養學生在新材料合成、材料性能測試、器件組裝、白光LED光電性能測試及分析、綜合實驗報告的撰寫和分析等方面的能力。“白光LED制備及性能研究”專業綜合實驗不僅是先導課程“半導體照明原理與技術”的實踐課程，更是訓練和提升學生對半導體照明材料和器件研發綜合能力的課程。

（七）課程考核

半導體照明原理與技術的課程目標是培養學生掌握半導體照明知識并綜合運用知識的能力，期末總評成績由平時成績（30%）和期末考試成績（70%）兩部分構成，平時成績由課堂問題回答、課后習題作答、翻轉課堂成績組成;專業綜合實驗單獨考核給分。

三、結論

本課題是在新舊動能轉換戰略下的教學改革研究項目，綜合運用了多種教學手段來提升半導體照明原理與技術的教學效果。在實際教學過程中，結合了慕課教學、啟發教學、PPT和板書教學、實物教學、翻轉課堂、專業綜合實驗等多種教學手段，培養了學生的學習興趣和主動性，提高了學生對知識的理解、掌握和實踐運用能力，鍛煉了學生解決實際問題的綜合能力。本教學研究自2018年開始在青島科技大學新能源材料與器件專業實驗班進行改革和實踐，教學效果提升明顯，具有較高的理論意義和推廣價值。

參考文獻

[1]李晉閩.新舊動能轉換引領第三代半導體產業創新發展[J]. 中國科技產業，2018（1）：54-55.

[2]王元元，吳子華，李文琴，等.基于工程認證的半導體照明原理與技術課程的教學方法研究[J].化學工程與裝備，2019（9）：289- 290.

[3]楊廣華，牛萍娟，李玉蘭，等.基于半導體照明新興產業人才培養的本科工程教育研究[J].照明工程學報，2014（25）：21-25.