電子科學與技術專業電子材料導論課程教學改革方案

張均營 侯志靈 邵曉紅 馮志芳 林承友

摘? 要：電子材料導論是我校電子科學與技術專業的專業選修課，是電子材料與器件專業方向的核心課程。針對電子科學與技術專業的特點、電子材料導論課程的特點，本文重點介紹了該課程的現行的理論教學和實驗教學的內容，進而分析了現行教學內容的特點和不足之處。最后給出了更加合理、可行的理論教學內容和實驗教學內容的改革方案、豐富有效的教學手段以及科學合理的考核方式，為本課程的發展提供了借鑒意義。

關鍵詞：電子科學與技術? 電子材料導論? 教學改革? 理論教學? 實驗教學? 教學手段? 考核方式

中圖分類號：G420 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0229-04

Teaching Reform Plan of Introduction of Electronic Material Course for Electronic Science and Technology Major

ZHANG Junying? HOU Zhiling? SHAO Xiaohong? FENG Zhifang? LIN Chengyou

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029 China）

Abstract： Introduction of electronic material course is a professional elective course of electronic science and technology major and also a core course of electronic material and device direction. According to the characteristics of electronic science and technology major and the characteristics of introduction of electronic material course. This paper mainly introduces the current theoretical teaching and experimental teaching contents of this course and further analyzed the characteristics and shortcomings. Finally， we provided a more reasonable and feasible theoretical teaching and experimental teaching content reform plan， abundant and effective teaching methods， scientific and reasonable assessment methods， which may provide reference significance for the development of this course.

Key Words： Electronic science and technology; Introduction of electronic material; Teaching reform; Theory teaching; Experiment teaching; Teaching methods; Assessment methods

信息科學和技術的發展對人類進步與社會發展產生了重大的影響，信息技術和相關產業成為世界各國經濟增長和社會發展的關鍵要素。進入21世紀，信息科學與技術的發展依然是經濟持續增長的主導力量之一，發展信息產業是推進新型工業化的關鍵。我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中，將信息技術列為國家競爭力的核心技術之一。電子信息技術是信息產業的重要發展領域，需要大量專業人才，電子信息類專業承擔著電子信息產業領域人才培養的重要任務。作為電子信息類專業的主干學科，電子科學與技術（簡稱“電科”）專業培養具備包括物理電子學、微電子與固體電子學、電路與系統、電磁場與微波技術等領域的理論基礎、實驗能力和專業知識的高級技術人才和管理人才[1-2]。學生主要學習數學、物理、物理電子、光電子、電子材料、光—電檢測技術等領域的基本理論和基本知識，受到相關的信息電子實驗技術、計算機技術等方面的基本訓練，掌握各種電子材料及工藝、器件及系統的設計，具有一定研究與開發的基本能力。畢業生工作選擇主要集中在微電子、光電子、電子信息、集成電路等相關行業，許多畢業生目前已經成為技術首席、研發負責人等，為我國電子產業的發展做著貢獻。

目前，我國在芯片技術、智能裝備和機器人等產業人才急缺，急需培養多學科交叉的人才。人工智能、印刷電子、云計算和物聯網等新技術和產業迅猛發展，集成電路領域的諸多卡脖子問題急需培養大量相關領域高技術人才。作為綜合研究型大學，我校電子科學與技術專業應更注重研究型人才的培養，在培養學生基礎知識和技能的基礎上，重點培養學生的綜合能力和科學思維。結合國家重大需求，需調整優化我校電子科學與技術專業的課程培養方案，完善戰略性電子材料專業方向。從而滿足新工科背景下對創新型人才的迫切需求，推動一流學科建設，實現“寬口徑、厚基礎、復合型人才”的人才培養目標。

電子材料導論作為我校電子科學與技術專業的專業選修課，是電子材料與器件專業方向的核心課程，是磁性材料與器件、光電子技術、微波技術、表面與界面物理及半導體物理等課程的重要前期課程，是電子材料領域最為重要課程之一[3]。同時，課程涉及的導電漿料、新型電阻材料、超導材料、半導體材料及介電材料都是涉及多種材料領域的重要研究課題。因此，電子材料導論課程的學習，不僅可以支撐本專業的學生培養目標，同時也為其從事相關材料領域的科學研究奠定了理論和知識基礎。作者根據自身教學經驗，在總結課程現行的理論教學、實驗教學的基礎上，分析了現行教學內容的特點和不足之處。最后給出了更加合理、可行的理論教學內容和實驗教學內容的改革方案、豐富有效的教學手段以及科學合理的考核方式，為本課程的發展提供了借鑒意義。

1? 電子材料導論課程教學現狀

1.1 電子材料導論課程理論教學內容

該課程目前理論教學內容包括電子材料概論、電子材料的分析和表征、導電材料、電阻材料、超導材料和電介質材料六個部分。其中電子材料概論部分，包括電子材料的分類與特點、無機電子材料、實際晶體、非晶體和準晶、電子材料的表面與界面及電子材料的應用與發展;電子材料的分析和表征部分，包括電子材料化學成分分析方法、X射線衍射分析法、顯微分析法、表面界面分析技術、掃描探針技術、光譜分析技術和熱分析技術;導電材料部分，包括導電材料的性質與分類、金屬導電材料、電極及電刷材料、厚膜導電材料和薄膜導電材料;電阻材料部分，包括電阻材料概述、電阻材料概述、厚膜電阻材料、薄膜電阻材料以及精密金屬膜電阻材料;超導材料部分，包括超導材料的發現歷程、超導材料的基本性質和應用、低溫超導材料、高溫超導材料以及新型超導材料;電介質材料部分，包括電介質材料的一般性質、電介質材料的一般性質、裝置陶瓷以及電容器介質材料。通過上述理論知識學習，讓學生掌握電子材料的分類以及具體應用領域，了解一些必需的材料分析表征手段;掌握導電材料、電阻材料的性能描述的物理量以及影響其性能的因素;掌握導電材料、電阻材料、厚膜和薄膜材料的制備方法工藝條件和性能之間的關系;了解超導材料的性能表征指標以及超導材料的研發過程和方法，與科學最前沿研究緊密接觸，拓展思維寬度和深度;掌握電介質材料的相關概念，了解功能材料如鐵電、壓電及熱釋電等材料的應用和研究方向。培養學生綜合運用電子材料基礎知識、材料制備方法，材料分析手段實現原材料的選擇、制備、表征和應用的能力。

1.2 電子材料導論課程實驗教學內容

該課程目前實驗教學內容主要包括四個相關實驗，包括：實驗一，直流濺射法制備導電薄膜材料;實驗二，蒸鍍法制備低熔點有機介電薄膜;實驗三，萬能電橋的使用;實驗四，硅光電池特性研究。通過材料性能測試以及自己制備材料實驗訓練學生的實際動手能力，培養學生根據所具有的能力進行材料制備，發現的問題通過有關手冊、參考書和文獻資料的查閱及整理，提出問題解決方案的能力。掌握相關實驗儀器設備（包括直流濺射儀、熱蒸發裝置、電子天平、萬用電橋和光電性能檢測儀等）的使用和日常維護。

2? 電子材料導論課程教學改革方案

2.1 電子材料導論課程理論教學內容改革方案

筆者結合自身教學經驗，對本課程理論教學提出以下改革方案。首先，在該課程目前理論教學的六部分內容的基礎上;密切聯系當前國家及產業的重大需求，結合相關材料領域的科研前沿動態，在課程教學中加入上述相關內容，總結歸納形成課程教學專題。

例如，當前材料表征方法中的原位表征測試，包括原位TEM、原位XRD測試等對于深入研究材料領域的反應機理、動力學過程等基礎問題具有非常重要的作用[4]。另一方面，新型功能材料的發展日新月異，2020年Nature期刊封面文章報道的室溫超導材料的發現。這種氫化物材料，能在15°C的溫度下無電阻地導電[5]。新型熱電材料[6]以及介電材料[7]等迅速發展。聚焦新型半導體產業及核心芯片等卡脖子技術方面涉及的電子材料的國家重大需求，結合我校在戰略性電子材料領域的技術優勢，增加相關專題的基礎知識和相關技術的講解，彰顯我校在微電子與固體電子學領域的人才培養特色，為突破新型半導體產業及核心芯片等卡脖子技術方面的高端人才培養做出積極貢獻。這些重要的新理論、新材料、新技術的集中講解對于豐富本課程的內容和加深學生對理論知識的理解都非常重要。

2.2 電子材料導論課程實驗教學內容改革方案

結合現有的教學硬件條件，在實驗教學中增加綜合性、創新性綜合實驗是人才培養目標的重要組成部分[8]。筆者結合自身教學經驗及實驗室條件，對該課程目前實驗教學內容的4個相關實驗進行改革。首先，根據理論教學重點和前沿研究領域更新實驗內容。更新后的實驗包括：實驗一，磁控濺射法制備導電薄膜;實驗二，四探針法測量電導率;實驗三，基于微電子打印機的電路設計;實驗四，硅光電池特性研究的仿真實驗。新的實驗內容保留了濺射法制備導電薄膜實驗。濺射法作為薄膜材料制備的重要方法之一，需要本專業學生熟練掌握。四探針法測量電導率實驗則重點培養學生電導率測量的實際操作能力、加深電導率的影響因素及相關理論知識的理解。基于微電子打印機的電路設計實驗重點培養學生掌握電子材料領域前沿設備的使用，學習柔性印刷電子材料領域的相關知識。硅光電池特性研究的仿真實驗則將原有的實際電路實驗改為仿真實驗，培養學生以計算機為工具，通過自學背景知識和實驗原理完成仿真實驗的能力。新的實驗體系更注重培養學生的自學能力，利用理論知識解決實際問題的能力，新設備的有效使用及計算機仿真實驗能力等。以學校智慧教學系統為依托，為學生構建線上線下相結合、虛擬與現實相結合的實驗學習空間，建立電子科學與技術專業的專業實驗虛擬仿真實驗的教學考核評價方式。同時激發學生對實驗和科研的興趣，為后續學生參與電子材料領域的相關創新課題以及進行研究生階段的學習奠定知識基礎和興趣基礎。

2.3 電子材料導論課程教學手段改革方案

電子材料領域的研究進展和知識更新非常快，因此需要學生在掌握傳統的基礎知識的基礎上，及時了解和掌握本領域的前沿熱點和最新的研究進展。除通過上述專題教學內容涵蓋最新的研究及知識外。還需結合有效的課堂教學手段，從而有效開展新知識的教學[9]。首先，充分利用多媒體教學，通過PPT、視頻軟件等在展示文字素材的基礎上，更多地加入圖片、動畫、視頻等內容，讓學生更直觀地學習和了解相關知識。例如，薄膜生長工藝的動畫演示，可以讓學生更充分和直觀了解實際材料生長過程。再比如，電子材料的表征測試部分，給出表征設備的工作原理動畫，加深學生對相關過程的理解，同時加深記憶。其次，充分運用新的教學手段，包括雨課堂、慕課等多元化的教學手段和方法，打造魅力課堂，調動學生學習的積極性和主動性。最后，巧妙設計綜合設計題目，讓學生從問題分解、問題歸納、資料查閱、設計問題解決方案到撰寫設計報告得到全方位的鍛煉，充分鍛煉學生綜合運用所學知識來分析問題并解決問題的能力。

2.4 電子材料導論課程考核方式改革方案

傳統的課程考核方式包括平時成績（作業）及期末考核（考試）。在此基礎上可以將平時成績和期末考核進一步細化。平時成績在作業的基礎上，增加雨課堂或智慧課堂簽到，這種方式相比點名會節省時間，并且便利的數據統計功能有利于教學分析和教學反饋。另外，通過雨課堂增加隨堂考核題目，并以客觀題為主，在很短的時間內即可考查全體學生對相關知識點的理解和掌握程度。結合重點問題的口頭提問和解答，可以有效做到課堂的實時監控和反饋，提高教學的有效性，提高學生參與度，加深學生對知識點的理解和掌握程度，同時使教師利用反饋信息當堂解決課程難點的講解。期末考核在期末考試的基礎上，增加專題作業[10]。即在本文上述設計綜合設計題目的基礎上，讓學生分組完成課題，分工合作完成問題的分析，資料搜集，結果整理和口頭匯報，鍛煉學生的合作精神和解決實際問題的能力。

3? 結語

本文通過對電子材料導論課程的理論和實驗教學的課程教學現狀分析，提出了理論和實驗教學的課程教學改革方案，并分析了其重要性和必要性，提出了豐富有效的教學手段以及科學合理的考核方式;闡明了新理論、新材料、新技術的集中講解對于豐富本課程的內容和加深學生對理論知識的理解的重要性，強調了新的實驗體系對學生參與電子材料領域的相關創新課題以及進行研究生階段的學習奠定知識基礎和興趣基礎的重要意義;說明了新的豐富教學手段對充分鍛煉學生綜合運用所學知識來分析問題并解決問題的能力的巨大促進作用;分析了新的考核方式的合理性及實際意義。上述課程改革方案為打造課堂魅力，為進一步提升課程教學效果、充分鍛煉學生綜合運用所學知識來分析問題并解決問題的能力、加強學生綜合能力培養提供了重要的借鑒意義。

參考文獻

[1] 馮志芳，邵曉紅，戰可濤，等.探索生產實習新模式培養電科專業高素質人才[J].科技創新導報，2017（7）：149-151.

[2] 林承友，邵曉紅，祁欣，等.電子科學與技術專業的光電子材料與器件課程教學方法研究[J].科技創新導報，2014（26）：154-155.

[3] 李言榮，林媛，陶伯萬.電子材料導論[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4] JIANG CUI， HONGKUI ZHENG， KAI HE. In Situ TEM Study on Conversion-Type Electrodes for Rechargeable Ion Batteries[J].Advanced Materials， 2020， 2000699.

[5] ELLIOT SNIDER， NATHAN DASENBROCK-GAMMON， RAYMOND MCBRIDE， MATHEWDEBESSAI， HIRANYA VINDANA， KEVIN VENCATASAMY， KEITH V. LAWLER， ASHKAN SALAMAT， RANGA P. Dias. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride[J]. Nature，2020（586）：373-377.

[6] 黃海華.理論探索新型二維半導體熱電材料[D].長春：吉林大學，2020.

[7] 王茜.鈦酸鋇基鐵電陶瓷的介電儲能特性研究[D]. 濟南：山東大學，2020.

[8] 杜立飛，杜嫻.電子材料綜合實驗的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理，2017（7）：203-206.

[9] 王平.高等教育中多媒體技術與傳統教學手段相結合的改革初探[J].科教導刊，2016（29）：77.

[10] 盧照，姚青榮.《大學物理》課程新型考核方式的探索[J].教育現代化，2019（42）：53-54.