微電子專業(yè)“固體物理學(xué)”教學(xué)改革的探索

梅菲 周遠明 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。對課程體系進行有效改革，使教學(xué)達到知識、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(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(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，引入德國科學(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。同時講解X射線在實際生活的應(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；γ射線是伴隨放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)發(fā)出，對生物具有很強破壞力等。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，可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的“三觀”、方法論和嚴謹?shù)乃季S，對微電子專業(yè)學(xué)生邏輯能力的培養(yǎng)有著重要的幫助。

2.科學(xué)前沿知識開拓學(xué)生思維

固體物理課程的突出特點是接近前沿科學(xué)成果，如隨著石墨烯、二維過渡金屬硫化合物和有機無機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)域的最新研究進展和研究成果，不僅使學(xué)生了解微電子學(xué)的發(fā)展動態(tài)，擴展學(xué)生的視野，同時使學(xué)生對所學(xué)習(xí)的固體物理學(xué)知識點能更深入理解、鞏固和應(yīng)用。例如，在講述能帶這一章節(jié)的時候，可講述諾貝爾物理學(xué)獎獲得者中村修二發(fā)明氮化鎵基藍光發(fā)光二極管，并由此帶來的新型節(jié)能光源的背景知識。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(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)生對固體能帶理論的基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用有更深刻的理解，又能結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用熱點和科研前沿引發(fā)學(xué)生對獲得新型微納米電子學(xué)器件的思考，達到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。

3.理論知識與實踐相結(jié)合啟發(fā)學(xué)生思路

微電子專業(yè)學(xué)生注重理論知識與實踐的結(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)知識點緊密結(jié)合，不僅可以強化對理論知識的掌握，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)的時候進行聲子晶體的知識拓展，半導(dǎo)體的理論依據(jù)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(shè)計來模擬晶格以獲得新型功能材料和器件推進材料科學(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方程，可以設(shè)計所需要的聲子能帶，從而實現(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，以科研促進教學(xué)，并通過具體課題的研究和探討，提高學(xué)生運用理論知識分析和解決復(fù)雜實際問題的綜合能力。

結(jié)合國際固體物理發(fā)展的新趨勢，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，并針對教學(xué)內(nèi)容設(shè)計相關(guān)的研究性課題提出問題，讓學(xué)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(xué)生獨立思考的能力和探求新知識的意識，還能培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新能力，同時提高課堂教學(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的空間物理基礎(chǔ)，還要有良好的理論專業(yè)知識。

（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)特點相結(jié)合，利用材料模擬軟件設(shè)計材料結(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(jié)構(gòu)模型有效完善；如利用FDTD solutions 軟件模擬有機發(fā)光二極管復(fù)合金屬納米顆粒對發(fā)光二極管光輻射性能的影響機制，并進一步優(yōu)化有機發(fā)光二極管的器件結(jié)構(gòu)。

（3）固體物理學(xué)利用實驗儀器建立基礎(chǔ)知識與現(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)最新實驗儀器和測試設(shè)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(shù)實驗等設(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，也體會到固體物理學(xué)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(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、理論知識與科研應(yīng)用相結(jié)合，借助模擬軟件等教學(xué)優(yōu)勢，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)科的特點有機結(jié)合，使固體物理教學(xué)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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