《拉曼熒光光譜基礎及應用》課程的科教融合教學探索

徐宗偉 吳 斌劉 蓉 王 鵬 薛 濤

（1.天津大學精密儀器與光電子工程學院 天津 300072；2.天津大學分析測試中心 天津 300072）

0 引言

教育，滋養著人才；科研，連接著創新[1]。如何讓兩臺引擎相互調諧、輸出最強合力，是高等教育的重要課題。高層次人才培養與高水平科學研究是互為依托、相互促進的[2]。發達國家最早成立的一批國立科研機構，如1810年成立的德國洪堡大學注重科研與教育的結合，一方面催生了一批一流的早期研究型大學，同時也在大學里產生了一批高水平的國家級科研機構[2,3]。

2020年1月13日，《教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》印發，決定自2020年起，在部分高校開展基礎學科招生改革試點（強基計劃）[4]。在意見中指明了強基計劃的培養模式包括：探索推進科教協同育人，鼓勵國家重點實驗室等吸納本-碩-博學生參與項目研究，探索建立結合重大科研任務進行人才培養的機制。

科教融合的難點是如何促使“教育”和“科研”形成有機的整體[5-7]，以國家重大戰略需求、重大科學問題等科研項目實踐為牽引，通過不斷豐富、完善教學內容等途徑，帶動教學的發展，并反哺/推動科研的進步。

1 把握科技發展脈搏，深挖科教融合案例

第三代半導體是提升新一代信息技術核心競爭力和推動新基建國家戰略的重要支撐。圍繞國家自然科學基金國際合作與交流項目、國家自然基金委與德國科學基金會合作研究項目、中德合作交流項目、國家自然科學基金項目等項目的實施，課程組搭建了共聚焦拉曼/熒光光譜儀，配備了激發波長范圍325 nm～1064 nm、高精度變溫臺、銦鎵砷紅外探測器以及偏振功能等，為科教融合的實踐、教學案例的凝練等提供了有效的硬件支撐。

在承擔國家縱向項目的同時，課程組也積極參與產學研合作。課程組成員與中國電子科技集團公司第46研究所、第13研究所等第三代半導體國內龍頭產業化單位保持緊密的產學研合作關系，課程組成員擔任河北省新型半導體材料重點實驗室學術委員會委員，與河北普興公司開展了聯合培養工程博士等深入合作模式，推動了科教融合的有效實施。

課程組基于變溫共聚焦拉曼/熒光光譜表征分析，研究了Al離子注入碳化硅的電學性能、碳化硅色心光致發光性能、金剛石和氧化鎵光譜特性等，相關成果已發表在Crystals,Diamond&Related Materials,Ceramics International,Journal of Alloys and Compounds等高水平期刊上，并被Horiba公司進行了專題介紹。同時，在International Conference on Silicon Carbide and Related Materials(2019)和第五屆國際碳材料大會等頂級半導體材料會議上受邀作報告展示，與本領域國際/國內同行建立了良好的交流和合作關系。

課程組堅持以科研項目實踐為牽引，通過豐富教學內容等帶動教學的發展。接下來分享兩個典型的科教融合案例。

科教融合案例1。半導體材料/器件因其具有多層膜的結構特征，共聚焦光譜的高精度逐層表征方法和技術在界面應力、電學性能、材料相變等高精度探測中發揮重要作用。載流子濃度作為半導體材料電學性能的關鍵參數，拉曼光譜等離激元與縱光學聲子耦合模（LOPC）的峰型、峰位等與載流子濃度相關，可以實現SiC等半導體載流子濃度的無損表征。而且，LOPC模和LO模在物理機制上的差異，可以作為光譜譜線的多普勒展寬和自然展寬機制，以及高斯洛倫茲峰型擬合函數的典型應用案例。

科教融合案例2。拉曼散射及熒光信號通量的計算公式中包含十多項參數，為了更直觀地理解關鍵參數的物理意義，如，探測器量子效率，授課選擇了光致發光波長在～1000 nm左右的硅空位缺陷發光信號等為分析對象，通過對比分析CCD探測器和銦鎵砷紅外探測器的表征結果，講授了探測器量子效率的影響機制和測試策略等。

2 強化實踐考核環節

《拉曼熒光光譜基礎及應用》課程加強實踐考核環節的比重，實驗成績、結課答辯成績占55%。與傳統的課程實驗設置相對陳舊不同，以“科教融合”為出發點的課程實驗環節設計相對靈活，新穎性和探索性也更強。課程實驗環節采用了科教融合、博士生助課的授課模式，分5組不同實驗方案，進行拉曼熒光光譜的實踐動手操作和數據分析等。另外，課程設置了結課答辯環節（5個答辯小組，每組5～6人），結合課程所學知識、實驗結果的數據分析和代表性科技論文的梳理，小組成員分工協作、共同完成課程的結課展示與答辯。

通過增加實踐環節的考核，提升同學們的課程學習所得，培養團隊協作精神，鍛煉提升本碩博的中/英文表達和邏輯思維等科研素養能力。在課程達成度統計反饋中，針對實驗環節和結課答辯環節的學習所得上，同學們給予了積極評價。

3 啟發式教學模式探索

實踐授課表明，通過對日常物理現象的解析來引導同學們對科學問題和課程知識的思考，是科教融合授課的有效途徑之一。

通過對日常物理現象的解析，來加深同學們對課程知識的理解。例如，通過對雨后彩虹的分析引入光譜儀的色散原理；利用極光、螢火蟲的發光原理，來展開闡述熒光的發光機制等；通過類比分析調幅（AM）廣播的信號傳播原理與拉曼非彈性散射原理的相通性，加深同學們對斯托克斯散射和反斯托克斯散射信號對稱分布有更直觀的理解，等等。

激光波長的選擇是共聚焦光譜表征分析的核心參數，其選擇依據可以通過日常光學現象分析進行更直觀的講授。一方面，利用晴朗天空的藍色是由于散射光效率與波長四次方成反比（瑞利散射定律）的原理，讓同學們理解短激發波長會提升散射光效率。另一方面，通過分析晚霞呈現紅色、汽車霧燈選擇紅光等由于長波長光穿透能力更強的解釋，引入不同波長激光的吸收、穿透能力的基本概念和規律的講解，為共聚焦光譜表征時激發波長的合理選擇提供支撐。

4 加強授課團隊的科教融合能力建設

不斷打磨和完善授課課件。主講老師們利用夏令營、冬令營等各種授課機會，通過授課實踐及持續改進等，不斷打磨和完善授課課件，優化授課思路和技巧等。

發揮分析測試中心的測試服務優勢。天津大學分析測試測試中心面向全校開展光譜測試技術服務，同時定期面向全校和社會開展拉曼光譜知識講座與培訓，為課程提供了豐富的課件素材。

推動研究生參與課程助課建設。積極鼓勵博士生和高年級研究生參與助課工作，鼓勵研究生積極參加學術交流、發表科技論文，在學術交流中不斷提升和磨煉科研素養，培養科研自信；在科技論文寫作過程中不斷加深對課程知識的理解。

5 持續改進建議

課程基于問卷星征集了課程持續改進建議，同學們建議增加“練習題”“閱讀文獻任務”等環節。分析原因，是課程設計之初側重于“科教融合”中“科研”部分內容的設計，而本科生的科研實踐經驗相對薄弱，通過提供適當題量的“練習題”等可以有效強化、加深基本知識的學習所得。另外，完善課程配套教材的建設也是推動科教融合課程的繼續改進的關鍵所在。

6 致謝

感謝天津大學研究生創新人才培養項目《面向強基計劃的貫通培養與科教融合實踐》（YCX202039）、天津大學研究生全英文教材建設項目《Raman/Photoluminescence spectroscopy of wide bandgap semiconductors》（YJC202004）資助。感謝宋瑩、張琨、董兵、劉嘉宇，劉濤等幾位助課同學，感謝天津工業大學王虹副教授，德國弗勞恩霍夫Mathias Rommel博士，中科院半導體所譚平恒研究員、劉雪璐博士，南開大學王玉芳教授，中國科學技術大學李強博士，天津大學分析測試中心畢明海老師，李威博士，胡恩萍博士，楊宇豐工程師，苗芃工程師，中國電子科技集團公司第46研究所、第13研究所對項目的支持。