梅菲 周遠(yuǎn)明 張鵬 張威

一、教學(xué)內(nèi)容與課程體系的改革

教學(xué)活動(dòng)中，我們以培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才為目標(biāo)，提倡以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，制定有效的教學(xué)策略。對(duì)課程體系進(jìn)行有效改革，使教學(xué)達(dá)到知識(shí)、能力和素質(zhì)的目標(biāo)培養(yǎng)。

1.固體物理學(xué)發(fā)展史激發(fā)學(xué)生興趣

現(xiàn)代固體物理學(xué)中，每一個(gè)新理論的提出都有其獨(dú)特的歷史背景，在講述理論之前，可先敘述該理論的歷史背景和發(fā)展歷程，以活躍課堂氣氛，激發(fā)工科學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性。例如，在講述固體物理之前可先回顧一下微電子學(xué)的發(fā)展史，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利成功研制出世界上第一個(gè)晶體管。隨后，以諾依斯為首的著名“八叛逆”年輕科學(xué)家創(chuàng)建了仙童半導(dǎo)體公司，其中，天才科學(xué)家赫爾尼的平面處理技術(shù)標(biāo)志著硅晶體管批量生產(chǎn)的飛躍，摩爾博士天才地預(yù)言了經(jīng)典的“摩爾定律”，進(jìn)而創(chuàng)立了寓意集成電子的“Intel”公司，兩年后，世界上第一款CPU-Intel 4004誕生了，成就了小芯片征服大世界。

在講述X射線理論時(shí)，引入德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的過程，并介紹倫琴夫人帶結(jié)婚戒指的手骨像照片，具有歷史意義的世界上第一張X光片——表明人類可借助X射線透視骨骼。同時(shí)講解X射線在實(shí)際生活的應(yīng)用領(lǐng)域，并且延伸到不同波段光譜的應(yīng)用，無線電波、可見光、γ射線等都是電磁波，它們按頻率順序構(gòu)成了電磁波譜。其中無線電波用于電視和無線電廣播；微波多用在雷達(dá)或其他通訊系統(tǒng)；可見光是人們所能感知的波段；紫外線化學(xué)效應(yīng)最強(qiáng)；γ射線是伴隨放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)發(fā)出，對(duì)生物具有很強(qiáng)破壞力等。在固體物理教學(xué)中，適當(dāng)介紹著名科學(xué)家獲得偉大成就的史實(shí)，可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的“三觀”、方法論和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，對(duì)微電子專業(yè)學(xué)生邏輯能力的培養(yǎng)有著重要的幫助。

2.科學(xué)前沿知識(shí)開拓學(xué)生思維

固體物理課程的突出特點(diǎn)是接近前沿科學(xué)成果，如隨著石墨烯、二維過渡金屬硫化合物和有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦等納米材料的興起，納米技術(shù)在微電子學(xué)領(lǐng)域的研究開始深化拓展。因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容有選擇地介紹該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和研究成果，不僅使學(xué)生了解微電子學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，擴(kuò)展學(xué)生的視野，同時(shí)使學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的固體物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)能更深入理解、鞏固和應(yīng)用。例如，在講述能帶這一章節(jié)的時(shí)候，可講述諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者中村修二發(fā)明氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管，并由此帶來的新型節(jié)能光源的背景知識(shí)。同時(shí)，從能帶理論的知識(shí)體系講解氮化鎵基化合物隨著其合金組分的改變，其禁帶寬度可以從InN的0.7 eV連續(xù)變化到AlN 的6.2 eV，因此波段可以從650 nm連續(xù)調(diào)制到 210 nm，相當(dāng)于覆蓋了整個(gè)可見光譜范圍。

通過有選擇地安排科研內(nèi)容，既讓學(xué)生對(duì)固體能帶理論的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用有更深刻的理解，又能結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)和科研前沿引發(fā)學(xué)生對(duì)獲得新型微納米電子學(xué)器件的思考，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。

3.理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合啟發(fā)學(xué)生思路

微電子專業(yè)學(xué)生注重理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，教學(xué)過程中，把固體物理學(xué)在集成電路中的具體應(yīng)用同固體物理學(xué)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合，不僅可以強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的掌握，還可以拓展學(xué)生的思維深度。例如，在講述聲子這一章節(jié)的時(shí)候進(jìn)行聲子晶體的知識(shí)拓展，半導(dǎo)體的理論依據(jù)是固體電子的能帶理論。同時(shí)，聲子作為能量量子，人們可通過能帶設(shè)計(jì)來模擬晶格以獲得新型功能材料和器件推進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展，并由此提出了聲子晶體的新概念。研究證明，通過求解聲波在晶體中的波動(dòng)方程，可以設(shè)計(jì)所需要的聲子能帶，從而實(shí)現(xiàn)布拉格散射隔聲材料、局域共振隔聲材料、濾波器、聲波導(dǎo)、聲子晶體凸透鏡和聲子晶體平板透鏡等材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

4.教學(xué)教研結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

固體物理新材料、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)層出不窮，固體物理學(xué)新的科研成果和科研方法日新月異，教師要不斷提高課堂教學(xué)的科研含量，把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，以科研促進(jìn)教學(xué)，并通過具體課題的研究和探討，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決復(fù)雜實(shí)際問題的綜合能力。

結(jié)合國(guó)際固體物理發(fā)展的新趨勢(shì)，給學(xué)生介紹課題組的研究方向，如二維納米薄膜材料在太陽能電池或光電探測(cè)器中的應(yīng)用及能帶工程在提高光電效率中的工作原理，并針對(duì)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)相關(guān)的研究性課題提出問題，讓學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料并做成課件在課堂上分組講解討論。這樣不僅鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考的能力和探求新知識(shí)的意識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新能力，同時(shí)提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。

二、教學(xué)方法和手段的靈活多樣

固體物理學(xué)既要用到復(fù)雜的三維空間模型，又要用到抽象的量子力學(xué)理論。因此，該課程不僅要求有扎實(shí)的空間物理基礎(chǔ)，還要有良好的理論專業(yè)知識(shí)。

（1）通過晶體學(xué)模擬軟件等多媒體技術(shù)，如Materials Studio、Crystal和Diamond 等晶體結(jié)構(gòu)模擬軟件，采用動(dòng)態(tài)立體圖像形象、直觀地演示固體物理學(xué)中抽象的微觀晶體結(jié)構(gòu)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂教學(xué)效果。

（2）固體物理學(xué)科可以與微電子專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，利用材料模擬軟件設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)和器件模型，通過數(shù)據(jù)處理分析，從固體物理學(xué)知識(shí)體系揭示材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，如利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算鈣鈦礦太陽能電池的材料結(jié)構(gòu)及其性能，分析材料結(jié)構(gòu)對(duì)鈣鈦礦太陽能電池光電效率的影響機(jī)理，從而對(duì)鈣鈦礦太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)模型有效完善；如利用FDTD solutions 軟件模擬有機(jī)發(fā)光二極管復(fù)合金屬納米顆粒對(duì)發(fā)光二極管光輻射性能的影響機(jī)制，并進(jìn)一步優(yōu)化有機(jī)發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)。

（3）固體物理學(xué)利用實(shí)驗(yàn)儀器建立基礎(chǔ)知識(shí)與現(xiàn)代科學(xué)之間的橋梁。在固體物理教學(xué)中，通過講解固體物理相關(guān)最新實(shí)驗(yàn)儀器和測(cè)試設(shè)備的使用方法和實(shí)驗(yàn)原理，如對(duì)拉曼光譜、掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微技術(shù)實(shí)驗(yàn)等設(shè)備的演示和數(shù)據(jù)分析講解，使學(xué)生掌握微粒的波粒二相性以及在晶體衍射中的應(yīng)用原理，也體會(huì)到固體物理學(xué)知識(shí)對(duì)新材料和新器件研究的重要性和必要性。

綜上所述，微電子學(xué)是在固體物理學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上創(chuàng)建起來的，而微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了固體物理學(xué)的研究，并開辟了更為廣闊的領(lǐng)域。因此，科技的不斷發(fā)展將對(duì)固體物理學(xué)教學(xué)提出更高層次的要求，一是在原有教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上增加前沿科研概念；二是從新的理論高度組織課程教學(xué)，注重教學(xué)內(nèi)容優(yōu)選、理論知識(shí)與科研應(yīng)用相結(jié)合，借助模擬軟件等教學(xué)優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才。如何將固體物理學(xué)與微電子學(xué)科的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，使固體物理教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，還需要一線教育工作者不斷地研究和探索。

參考文獻(xiàn)：

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