《半導體光電子學》課堂教學改革研究與實踐

梅紅櫻 周原 熊娟

【摘要】隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，學生獲取學習資源的方式越來越廣泛，教師在教學過程中要根據教學內容和教學對象進行有效的課堂教學改革，改善教學效果，從而有效提高人才培養(yǎng)質量。針對半導體光電子學這門課程，通常理論知識比較難懂，學生學習起來枯燥無味，缺乏學習興趣，希望優(yōu)化課堂教學模式，使課程教學實效化，真正達到半導體光電子學方面的知識傳授與能力培養(yǎng)為一體的效果。

【關鍵詞】教學改革;半導體光電子學;課堂教學;理論與實踐

【基金項目】黃淮學院2019年度高等教育教學改革研究項目（編號：2019XJGLX0173）;黃淮學院2018年度高等教育教學改革研究項目（編號：2018XJGLX0112）;黃淮學院青年骨干教師資助計劃。

中圖分類號：G223? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04.087

半導體材料的導電性能在外界條件的干擾下會發(fā)生顯著的變化，因此半導體光電子器件已經融入了我們生活的方方面面，一直是科學研究的熱點內容。隨著科學技術的發(fā)展，電子科學與技術專業(yè)逐漸形成了以電子系統(tǒng)設計為基礎，以光電信息工程為方向的培養(yǎng)模式。《半導體光電子學》主要研究半導體材料中的電子與所受到的光子之間的相互作用，包括電子與光子之間相互作用的科學理論，也緊扣光電子器件的實踐應用，通常作為電子科學與技術專業(yè)的選修課程。這門課程涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎物理，也關聯(lián)著半導體光電子材料及其相關器件，在信息（光通信、光顯示等）、照明、光學儀器（激光精密測距、光纖傳感等）、加工（激光打印、激光切割、激光焊接等）、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。這門課程要求學生不僅從理論上掌握半導體光電子學的基本概念、基本理論和基本思想，更重要的是掌握一些半導體光電子器件的實踐技術，為將來從事半導體光電技術領域的科研、開發(fā)和應用工作奠定基礎。

半導體光電子學內容涉及半導體光電子基礎和半導體光電子器件兩部分內容，課堂中需要講解的知識點較多，課程的公式繁多，推導較為復雜，抽象難記，理論分析部分難于理解。因此，在有限的教學安排時間內講解所有內容對教師來說是一個挑戰(zhàn)。因此，基于這些現狀教師必須要進行課程改革，以達到相對較好的授課效果。在本課程的教學過程中，形成了以學生為中心，從教學內容、教學方法和教學手段等多方面進行改革、嘗試，加強師生互動，講解深入淺出，擴寬知識面，加強理論與實踐結合等從多方面出發(fā)，改善教學效果，進而培養(yǎng)能掌握半導體光電子基礎理論及半導體光電子器件的面向世界的現代化專業(yè)人才。

1.課堂教學改革方式

1.1課堂教學內容的改革

在教學內容方面，第一是精選授課內容，緊跟科學發(fā)展的步伐，做到與時俱進。這門課程既是基本的原理內容，但又是滯后的材料和器件，若教師授課時只是按照教材內容講解，往往導致內容與技術發(fā)展脫節(jié)的后果。為了滿足對學生不同層次的需求，我們應及時更新教材內容，以拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生不同層面，不同方向的興趣，為學生將來就業(yè)，升學做好充分的準備。例如，根據科學技術的發(fā)展，在半導體材料方面，增加新型二維半導體材料如石墨烯、二維過渡金屬硫化物、黑磷等相關材料的基本特性闡述，詳細解釋不同器件之間的異同之處以及器件能夠應用的領域;在光電檢測方面，除了介紹基本的光子和光熱等光電探測器外，增加現在應用比較普遍的太赫茲時域光譜的電光效應的檢測原理，相比其它探測器的優(yōu)越性，擴寬學生的知識面的同時也與社會的科研發(fā)展緊密結合，使授課內容緊跟時代潮流。

第二是在授課過程中，讓學生明白教學內容的重難點，也就是要讓學生輕松地理解教材中知識點的基本概念，學會發(fā)現問題和解決問題的基本思路和方法。不建議學生過于注重繁瑣理論公式的推導，應正確理解公式中各物理量的含義，這樣有利于提高學生的學習興趣。如《半導體光電子學》中費米的“黃金定則”公式是從哈密頓量形式出發(fā)，利用薛定諤方程進行求解得到的，然而對于高等數學基礎知識比較薄弱的同學，求解起來可能比較困難，那教師在授課過程中要用易懂的語言講解公式的物理含義，即躍遷幾率，具體的推導過程視學生自己情況而定，以免影響學生的學習興趣。

第三是注重理論與實踐相結合，培養(yǎng)學生的動手能力，加深知識理解，提高學生興趣。理論與實踐的結合在教學領域一直受到高度評價。通過教師的理論傳授和學生的實驗操作，學生能夠及時完整地加深對于所學知識的理解與記憶。例如，在講解半導體中的載流子復合這一節(jié)內容時，結合科研動態(tài)，從砷化鎵材料的超快電子學實驗入手，研究砷化鎵材料在不同波長、不同功率的泵浦光激發(fā)后載流子的動力學行為，主要包括光激發(fā)過程、散射過程以及載流子的復合過程，實驗測試其超快光譜并結合PPT動畫的形式描述載流子的變化過程，使學生更能直觀地理解載流子的變化，加深對復合過程中的弛豫時間的理解。針對激光應用技術等內容進行講解時，結合激光精密測距實驗同時進行，通過了解時差法光電測距、相位法光電測距和三角法光電測距的基本原理，掌握激光傳感器測距的基本使用方法。實踐教學貫穿到理論教學中去，避免過多，繁雜的公式推導，突出半導體光電子學的“實踐”特色，培養(yǎng)學生具有理論聯(lián)系實際的本領，鍛煉學生的動手能力，提升學生學習的興趣。

1.2課堂教學方法的改革

在教學方法方面，根據學生的個體差異和實際情況，培養(yǎng)學生自主學習能力。為了達到有效的教學效果，我們改變以往“一言堂”的教學模式，注意實施互動式課堂教學方法。第一部分是半導體光電子理論，理論內容是基礎，是這門課程的難點，所以這部分內容由教師搜集相關通俗易懂的資料進行講授，學生課下需要進行復習、預習以及完成基本的課后作業(yè)。第二部分是半導體光電子器件，包括器件的發(fā)展歷史、構造原理以及應用領域，這部分內容需要學生和教師配合完成。學生課下利用學校的圖書館和網絡資源自主查找資料，自主學習和總結，撰寫相應的報告，課上先由分組的學生進行講解，最后由教師進行總結，通過學生們自己動手搜索，并從文獻中總結，可以加深對理論知識的理解，了解這方面的研究動態(tài)，有利于培養(yǎng)學生的科研探索精神。

1.3課堂教學手段的改革

在教學手段方面，根據教學內容合理采用教學手段，例如，授課教師利用傳統(tǒng)的黑板講授平板光波導理論中本征方程的推導，可以引導學生跟隨教師的思路，掌握本征方程的推導過程，鍛煉和活躍學生的思維。授課教師利用多媒體動畫演示半導體中的受激發(fā)射和受激吸收的過程，可以更好地理解發(fā)射幾率和吸收幾率。演示半導體中導帶電子和價帶空穴互相復合發(fā)射光子的現象，這樣能夠讓學生對抽象的概念有一定的感性認識。教師在課堂教學中開展多種教學方式，目的是采取切實有效的教學方法，努力引導學生去積極思考與討論問題，培養(yǎng)他們自主分析問題和解決問題的能力。

1.4課程考核的改革

在課程考核方面，除了平時考勤和作業(yè)之外，期末采用閉卷考試、自命題學期論文和實驗等形式進行考核，既有理論知識的檢驗，又有實驗動手能力的操作。大多數學生不重視學習過程，養(yǎng)成了在最后一刻磨槍的習慣。其實最終的評價標準不僅要看學生的考試成績，而且要與學期論文結合起來考察學生的掌握和應用知識的能力，達到真正的學以致用的效果。

2.結語

隨著現代化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的授課方式已不能滿足學生，通過研究和分析《半導體光電子學》這門課程教學中存在的問題，對其進行教學改革是學科發(fā)展的必然要求。同時，為了提高學生的主動性、積極性、自主學習的能力和團隊合作精神，主要從教學內容、教學方法、教學手段和課程考核等角度進行教學改革和實踐，改善教學效果，從而有效提高人才培養(yǎng)質量。

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