黃雨竹　黃致新

關鍵詞 中美教材比較;芯片技術卡脖子問題;高中物理

1 什么是芯片技術卡脖子問題

21世紀以來，隨著我國科技、經(jīng)濟的飛速發(fā)展，美國為了壓制我國的復興，對中國展開技術封鎖。在此背景下，《科技日報》首版頭條推出“亟待攻克的核心技術”專欄，開篇以“是什么卡了我們的脖子”為引題，共報道了35項“卡脖子”技術[1]。此后，研究者們常用“卡脖子問題”代指與技術強國相比我國所面臨的核心技術瓶頸問題，其大多具有攻克難度較大、壟斷性強和技術壁壘高的特點。在“卡脖子問題”中最迫切需要解決的就是芯片技術卡脖子問題。2018年到2019年兩年間，美國限制我國中興和華為兩大科技公司購買其“敏感”產(chǎn)品，其中涉及最多的就是芯片相關技術。美國對我國芯片行業(yè)的技術封鎖，導致很多計算機、手機等高科技產(chǎn)品無法正常生產(chǎn)，直接威脅到了我國科技企業(yè)的正常發(fā)展，給我國造成了嚴重的經(jīng)濟損失， 芯片技術卡脖子問題成為亟須解決的熱點問題[2]。

芯片技術卡脖子問題的背后，是我國科技研發(fā)不獨立、基礎研究人才缺乏的問題。長期以來，研發(fā)人員用技術集成回避關鍵技術的開發(fā)，導致我國基礎研究不夠深入，科技研發(fā)長期依賴于他國的核心技術。要解決芯片技術卡脖子問題，就需要培養(yǎng)出一批擁有基礎研究能力、創(chuàng)新能力的人才，從根本上實現(xiàn)核心技術自主化，打破西方技術霸權[3]。高中物理是理工科專業(yè)學習的基礎課程，要培養(yǎng)研究型人才，就需要從高中就打好基礎。作為知識載體的教材更是教師開展教學基本工具，所以從“卡脖子”問題出發(fā)，研究比較中美高中物理教材的異同，取其精華，去其糟粕，借鑒美國高中物理教材中的優(yōu)勢之處，補足我國高中物理教材的不足，顯得尤為重要。

2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學”內容的比較分析

以往的高中物理教材比較研究主要分為兩大類，一類是從不同視角（如從核心素養(yǎng)視角、科學思維視角或STSE 視角等）比較教材整體的內容結構、欄目設置[4]、呈現(xiàn)方式等特點。另一類是詳細對教材中某一特殊板塊的內容（如電學、力學、科學史、學科交叉滲透內容或近代物理等）做比較[5]。在以往的研究中，有不少研究者雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我國高中物理教材與國外（美國、英國和日本等）相比，缺少“固態(tài)電子學”部分的知識，但是并沒有研究者對“固態(tài)電子學”內容進行深入分析。很明顯，在教材比較研究中，“固態(tài)電子學”板塊的內容分析嚴重缺失。

美國高中物理教材中“固態(tài)電子學”章節(jié)講了哪些內容？ 我國高中物理教材中是否有涉及“固態(tài)電子學”相關知識？ 如果有，我國高中物理教材中的“固態(tài)電子學”相關內容與美國教材中的“固態(tài)電子學”相關內容有何差異？ 這些差異是否有可能會影響我國科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)？ 這些問題都值得進一步深挖。筆者分別對中國《普通高中物理教科書（人教版）》（2019年版）[6]和美國最常用的高中物理教科書《物理原理與問題》[7]中“固態(tài)電子學”相關內容進行比較，探尋中美教材中“固態(tài)電子學”相關內容的差異，明確我國教材的優(yōu)勢與不足，從解決芯片技術“卡脖子”問題的角度為教材編寫和人才培養(yǎng)提出建議。

2.1 美國高中物理教材“固態(tài)電子學”章節(jié)主要內容

如圖1所示，美國物理教材“固態(tài)電子學”章節(jié)分成兩大板塊編寫，第一部分講固體是如何導電的。教材通過回憶晶體排列和原子能級等知識，引出能帶理論，并從能帶理論的角度重新區(qū)分導體、絕緣體和半導體。接著，通過介紹本征半導體的局限性，引入摻雜工藝，介紹p型半導體和n型半導體的制作原理和特性。第二部分講電子元件，從生活中常用的電子器件引入，介紹了最基本、最簡單的兩個半導體器件（半導體二極管和半導體三極管）的基本組成、制作原理和作用。最后，介紹了由導體、半導體、二極管和三極管等集成的微型芯片的制作工藝，并介紹了微型芯片在生活中的廣泛應用。整個章節(jié)的編排邏輯層層遞進，從基礎理論引入，到生產(chǎn)應用結束。

2.2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學”相關知識比較

中國高中物理教材中雖然沒有專設一章講“固態(tài)電子學”，但在各本書中均有相關知識點涉及。所以筆者進一步整體比較了中美教材中與“固態(tài)電子學”相關的知識內容的分布、主要知識點和要求掌握程度[8]，繪制出了如下表格（見表1、表2）。

通過對比兩國教材中所涉及的“固態(tài)電子學”知識，筆者發(fā)現(xiàn)我國教材中涉及的固態(tài)電子學知識具有科普應用知識多、位置分布零散和要求掌握的程度低的特點。

首先，與美國教材相比，我國教材中“固態(tài)電子學”的科普應用知識更多。我國教材對固態(tài)電子學相關知識的介紹大部分都是以滲透應用的形式，比如在介紹靜電吸附的應用時，由于靜電復印機中用到了有機光導體，所以滲透有機光導體的特性;在講授光的衍射時，簡單介紹了利用X射線衍射探測晶體結構的方法，以及X 射線衍射技術的應用成果。美國教材中所涉及的固態(tài)電子學知識則是理論更多。比如在講解固體熱膨脹的原因時，美國教材中將固體比作彈簧連接分子的集合，彈簧代表分子間的吸引力。當固體加熱時，動能增加，振動加快，分子間距增大，這一比喻滲透了固體物理晶格動力學的假設。

其次，與美國教材相比，我國教材中固態(tài)電子學的知識分布更零散，在“序言”“正文”“旁批”“科學漫步”“拓展學習”和“腳注”各個欄目中都有分布。而美國教材中的固態(tài)電子學知識則較為集中，大部分內容分布在“第二十九章 固態(tài)電子學”部分，知識點出現(xiàn)的位置均在教材正文部分。

最后，與美國教材相比，我國教材中固態(tài)電子學知識要求掌握的程度更低，深度不夠。由于教材中大部分固態(tài)電子學知識都是以滲透應用的形式出現(xiàn)，很多內容都分布在“拓展應用”和“科學漫步”等要求掌握程度較低的欄目，新課標對這些知識點的要求程度都在“了解”或“無要求”程度，且與美國教材相比，知識深度較低。比如在必修三中，我國教材介紹了金屬微觀結構模型能解釋與金屬導電有關現(xiàn)象，但其未具體講明絕緣體和金屬電子運動難易程度差異的原因。而美國教材則在第二十章從電子運動難易程度的角度介紹了絕緣體和導體的區(qū)別，并通過金剛石和石墨的例子介紹了物體的導電性會隨著存在形態(tài)改變，讓學生理解了物質的導電性是可變的。接著在第二十九章，從能帶理論的角度重新介紹導體、絕緣體和半導體能帶結構上的區(qū)別，讓學生從根本上上理解影響物質導電性的原因是物質的組成和結構，有利于學生建立正確的物質觀。

3 建議

基于上述比較，筆者從解決芯片技術卡脖子問題的角度提出以下建議。

1） 借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學”基礎理論知識

“固體物理”作為材料科學研究和發(fā)展的根基，推動了半導體、超導、激光、納米材料等領域的發(fā)展[9]。一直以來，固體物理都是理工科學生的基礎前置課程，其對于培養(yǎng)研究型、創(chuàng)新型人才是至關重要的。盡管“固體物理”如此重要，但是其一直以“難學”著稱。筆者認為有兩大原因，第一，“固體物理”是以量子力學和統(tǒng)計物理為基礎建立起來的，課程本身的難度就很大。許多同學量子力學統(tǒng)計物理都學不好，更遑論固體物理。第二，從認知的角度看，知識的學習是螺旋式的，人們總是更容易接受一些熟悉的知識。我國高中物理中的“固態(tài)電子學”知識多為科普應用知識，缺乏理論知識，深度較淺，這直接導致了學生對“固體物理”的基本認識和興趣的缺乏，影響對技術人才的初期引導和培養(yǎng)。

美國教材中“固態(tài)電子學”章節(jié)是大學的“固體物理”課程的先導性知識，雖然不涉及很多復雜的運算，但卻可以讓學生了解固體物理的核心——能帶理論，讓學生分別從宏觀角度和微觀角度了解影響物體導電性能的因素，為學生搭建一個新的物質觀。此外，教材還介紹了非本征半導體、半導體器件和微型芯片的制作原理、工藝流程和特性，并結合智能手機、電腦等產(chǎn)品，介紹了集成電路中半導體器件的重要性。這些內容有利于幫助學生了解半導體器件、微型芯片的制作過程，拓寬學生的知識面，為學生未來學習電子學知識打下基礎。正如朱邦芬教授在其文章所說，中學物理知識不系統(tǒng)、不完整會導致高中物理學科體系的“碎片化”和中學生物理學科知識的結構性欠缺[10]。所以筆者認為借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學”基礎理論知識對解決我國芯片技術卡脖子問題，培養(yǎng)科研人才是很有必要的。

2） 建議師范院校將“固體物理”課程設為必修

筆者統(tǒng)計了校友排名靠前的20所師范大學的物理師范專業(yè)人才培養(yǎng)方案，發(fā)現(xiàn)雖然所有高校都開設了“固體物理”這門課程，但有近40%的院校未將“固體物理”設為必修課程。由于“固體物理”課程難度較大，令人望而生畏，因此大部分師范生并不會主動選修 “固體物理”，這會導致很多高中物理老師自身就缺乏對“固體物理”基本認識。我國現(xiàn)在使用的高中物理教材中還有部分與“固體物理”相關的知識，比如壓電效應、X射線衍射、掃描隧道顯微鏡等[11]。如果教師沒有學習過“固體物理”，自然也無法給學生講好這部分內容?！肮腆w物理”不僅是對大學物理知識的拓展與升華，而且能夠開拓教師的眼界，增強教師遇到問題解決問題的能力，所以筆者建議師范院校將“固體物理”課程設為必修。

4 結語

通過教材比較可以發(fā)現(xiàn)，我國教材中涉及固態(tài)電子學的科普應用知識較多，滲透了相關科技前沿和應用，有利于拓寬學生的知識面，激發(fā)學生學習物理的興趣。但其中理論知識較少，深度較為缺乏，新課標對這部分內容的要求也停留在了解程度，對學生未來學習固體物理相關理論知識幫助不大。美國教材中固態(tài)電子學知識則更為集中且深入，既有利于學生了解電子技術行業(yè)，培養(yǎng)學生對此行業(yè)的興趣，又降低了大學學習理工科相關知識的難度。筆者建議借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學”基礎理論知識，將師范院校的“固體物理”課程設為必修，從學生培養(yǎng)和老師培養(yǎng)兩個方面改進現(xiàn)有物理教育，為解決芯片技術卡脖子問題打好基礎。