微電子專業“固體物理學”教學改革的探索

梅菲 周遠明 張鵬 張威

一、教學內容與課程體系的改革

教學活動中，我們以培養創新型應用人才為目標，提倡以學生為中心，以學生學習產出為導向，制定有效的教學策略。對課程體系進行有效改革，使教學達到知識、能力和素質的目標培養。

1.固體物理學發展史激發學生興趣

現代固體物理學中，每一個新理論的提出都有其獨特的歷史背景，在講述理論之前，可先敘述該理論的歷史背景和發展歷程，以活躍課堂氣氛，激發工科學生的學習趣味性。例如，在講述固體物理之前可先回顧一下微電子學的發展史，美國貝爾實驗室的肖克利成功研制出世界上第一個晶體管。隨后，以諾依斯為首的著名“八叛逆”年輕科學家創建了仙童半導體公司，其中，天才科學家赫爾尼的平面處理技術標志著硅晶體管批量生產的飛躍，摩爾博士天才地預言了經典的“摩爾定律”，進而創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，引入德國科學家倫琴發現X射線的過程，并介紹倫琴夫人帶結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。同時講解X射線在實際生活的應用領域，并且延伸到不同波段光譜的應用，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；微波多用在雷達或其他通訊系統；可見光是人們所能感知的波段；紫外線化學效應最強；γ射線是伴隨放射性物質或原子核反應發出，對生物具有很強破壞力等。在固體物理教學中，適當介紹著名科學家獲得偉大成就的史實，可培養學生科學的“三觀”、方法論和嚴謹的思維，對微電子專業學生邏輯能力的培養有著重要的幫助。

2.科學前沿知識開拓學生思維

固體物理課程的突出特點是接近前沿科學成果，如隨著石墨烯、二維過渡金屬硫化合物和有機無機雜化鈣鈦礦等納米材料的興起，納米技術在微電子學領域的研究開始深化拓展。因此，根據教學內容有選擇地介紹該領域的最新研究進展和研究成果，不僅使學生了解微電子學的發展動態，擴展學生的視野，同時使學生對所學習的固體物理學知識點能更深入理解、鞏固和應用。例如，在講述能帶這一章節的時候，可講述諾貝爾物理學獎獲得者中村修二發明氮化鎵基藍光發光二極管，并由此帶來的新型節能光源的背景知識。同時，從能帶理論的知識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連續變化到AlN 的6.2 eV，因此波段可以從650 nm連續調制到 210 nm，相當于覆蓋了整個可見光譜范圍。

通過有選擇地安排科研內容，既讓學生對固體能帶理論的基礎知識和實際應用有更深刻的理解，又能結合當前的應用熱點和科研前沿引發學生對獲得新型微納米電子學器件的思考，達到優化教學內容的目的。

3.理論知識與實踐相結合啟發學生思路

微電子專業學生注重理論知識與實踐的結合，教學過程中，把固體物理學在集成電路中的具體應用同固體物理學的教學知識點緊密結合，不僅可以強化對理論知識的掌握，還可以拓展學生的思維深度。例如，在講述聲子這一章節的時候進行聲子晶體的知識拓展，半導體的理論依據是固體電子的能帶理論。同時，聲子作為能量量子，人們可通過能帶設計來模擬晶格以獲得新型功能材料和器件推進材料科學的發展，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方程，可以設計所需要的聲子能帶，從而實現布拉格散射隔聲材料、局域共振隔聲材料、濾波器、聲波導、聲子晶體凸透鏡和聲子晶體平板透鏡等材料和結構的應用。

4.教學教研結合培養學生創新能力

固體物理新材料、新技術和新結構層出不窮，固體物理學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的科研含量，把科研成果轉化為教學內容，以科研促進教學，并通過具體課題的研究和探討，提高學生運用理論知識分析和解決復雜實際問題的綜合能力。

結合國際固體物理發展的新趨勢，給學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器中的應用及能帶工程在提高光電效率中的工作原理，并針對教學內容設計相關的研究性課題提出問題，讓學生通過查閱文獻資料并做成課件在課堂上分組講解討論。這樣不僅鍛煉了學生獨立思考的能力和探求新知識的意識，還能培養學生在學習過程中的創新能力，同時提高課堂教學的質量。

二、教學方法和手段的靈活多樣

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

（1）通過晶體學模擬軟件等多媒體技術，如Materials Studio、Crystal和Diamond 等晶體結構模擬軟件，采用動態立體圖像形象、直觀地演示固體物理學中抽象的微觀晶體結構，以激發學生的學習積極性，提高課堂教學效果。

（2）固體物理學科可以與微電子專業特點相結合，利用材料模擬軟件設計材料結構和器件模型，通過數據處理分析，從固體物理學知識體系揭示材料結構與性質的內在聯系，如利用基于密度泛函理論的第一性原理計算鈣鈦礦太陽能電池的材料結構及其性能，分析材料結構對鈣鈦礦太陽能電池光電效率的影響機理，從而對鈣鈦礦太陽能電池器件的結構模型有效完善；如利用FDTD solutions 軟件模擬有機發光二極管復合金屬納米顆粒對發光二極管光輻射性能的影響機制，并進一步優化有機發光二極管的器件結構。

（3）固體物理學利用實驗儀器建立基礎知識與現代科學之間的橋梁。在固體物理教學中，通過講解固體物理相關最新實驗儀器和測試設備的使用方法和實驗原理，如對拉曼光譜、掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微技術實驗等設備的演示和數據分析講解，使學生掌握微粒的波粒二相性以及在晶體衍射中的應用原理，也體會到固體物理學知識對新材料和新器件研究的重要性和必要性。

綜上所述，微電子學是在固體物理學研究成果的基礎上創建起來的，而微電子學技術的發展又促進了固體物理學的研究，并開辟了更為廣闊的領域。因此，科技的不斷發展將對固體物理學教學提出更高層次的要求，一是在原有教學內容基礎上增加前沿科研概念；二是從新的理論高度組織課程教學，注重教學內容優選、理論知識與科研應用相結合，借助模擬軟件等教學優勢，培養高素質創新人才。如何將固體物理學與微電子學科的特點有機結合，使固體物理教學與時俱進，還需要一線教育工作者不斷地研究和探索。

參考文獻：

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