“電子與光電子材料”課程教學改革淺析

朱華麗

（長沙理工大學物理與電子科學學院 湖南·長沙 410114）

0 引言

電子材料和光電子材料是現代信息技術發展的基礎，它們是信息的獲取、傳輸、存儲、顯示及處理和運算的各種材料。[1]“電子與光電子材料”課程是我校光電信息科學與工程專業重要的選修課程之一，根據教學進程計劃安排在第七學期，課程講課32 學時，其中討論12 學時。光電信息科學與工程專業是信息科學類專業之一，其目標是培養學生具有扎實的數學與物理基礎、電子信息科學與技術的基本理論和基本知識，受到嚴格的科學實驗訓練和初步的科學研究訓練，創新意識好、動手能力強，能在國防、新能源、光通信、光電信息處理、光纖傳感等領域從事科學研究、技術開發和管理等工作的應用型高級專門人才和行業精英。在開設本課程前，學生已具有“普通物理”“固體物理與半導體物理”“光電子學”“光線通信技術”等相關課程的學習基礎，但對于各電子與光電子材料組成、性能和制備技術等涉及到的材料學知識、前沿及應用的了解不足，因此選取學習本課程的積極性和主動性欠缺。本文基于當前“電子與光電子材料”課程的教學現狀，圍繞課程教材和教學內容選取、教學方法含課程考核改進等方面進行了初步的探討，提出了一些有利于提高教學質量的舉措。

1 課程開設現狀

通過調研發現，國內很多高校為信息科學類本科學生開設了與本課程相近的一些課程，如“電子材料”[2-7]“光電子材料”[8]“電氣功能材料學”[9]電子材料與（元）器件[10,11]等。這些課程雖然名稱不完全一致，但教學內容有許多相同之處。同時，針對各自的專業培養規劃和學科優勢，課程教學的學時數不同，教學內容上也各有側重點。徐曼等[9]對比了美國麻省理工學院（MIT）開放的相近課程“Electrical, Optical & Magnetic Materials and Devices”和“Electronic and Mechanical Prosperities of Materials”，得到了許多值得國內借鑒和引進消化的經驗。國內有的高校還開設了“電子材料學”全英文教學，[12]為培養與國際接軌的現代化復合型人才開闊了思路。

2 教材的選擇和教學內容安排

我校光電信息科學與工程專業采用文獻[13]作為“電子與光電子材料”課程的主要參考教材，教學內容主要涉及電性材料、電介質材料、壓電材料、磁性材料、太陽電池材料、固體激光材料、光信息存儲材料和光顯示材料。此門課程涵蓋的理論基礎廣泛，課程學習難度較大。鑒于學生知識基礎的不完善和材料科學發展的更新，引入內容較新的文獻[14]作為參考教材。同時，根據專業教師的研究特長和學生就業需求，在教學內容的安排上進行適當取舍并補充最新的電子與光電子材料研究前沿和成果介紹。

2.1 增加電子材料分析表征和制備工藝介紹

材料的組成、結構決定了材料的性能。考慮到授課專業的學生雖然已完成“固體物理”方面的課程學習，但在課程學習后并沒有結合到具體材料的實踐應用，本課程需要對電子材料的晶體特征進行簡單的回顧。同時，由于所授課專業學生沒有材料學其它課程學習基礎，本部分內容重點介紹電子材料的分析和表征方法，如化學成分分析方法、X射線衍射分析法（XRD）、顯微分析法（SEM）、電導率測定方法等，以及功能材料制備的工藝，如薄膜工藝、厚膜工藝和陶瓷工藝等。這將有利于開闊信息科學類學生的視野，增強學科交叉融合的意識，為學生后續從事相關的科研工作培養良好的綜合能力。

2.2 增加超導材料內容

超導材料是一種物理化學性能優異的功能材料，在強電和弱電方面都具有良好的發展前景，如應用為超導磁體、超導輸電線、超導磁懸浮列車、核磁共振和磁共振成像等。本部分內容重點講解超導的發現歷程、超導材料的基本性質和應用，并特別介紹2016 年度國家最高科學技術獎獲獎人趙忠賢院士的主要科研貢獻。超導臨界溫度很低，其廣泛應用受到影響，尋找液氮溫區的高溫超導體甚至室溫超導體一直是科學家長期的夢想。在百余年超導研究史中，出現了兩次高溫超導的重大突破，趙忠賢院士及其合作者都取得了重要成果——獨立發現液氮溫區高溫超導體和發現系列50K 以上鐵基高溫超導體并創造55K 記錄。趙忠賢院士研究的高溫超導材料使中國超導技術走在世界前列，具有非常重大的意義。通過本內容的學習，激勵青年學子樹立家國情懷，學習新時代科學家精神，了解科學前沿，增強學生的時代責任感。

2.3 自主鞏固非線性光學材料和光纖材料內容

非線性光學材料和光纖材料是光電材料的重要組成部分。但是由于本專業在開設“光電子學”“光纖通信技術”等課程時，專任教師已涉及這部分內容，故這部分內容不作為課堂講授內容，留給學生自主學習和討論。另外，半導體材料也在本專業“半導體物理”等相關課程中涉及，故本課程弱化了這部分教學內容。

3 教學方法探討

3.1 多媒體結合板書

采用PPT 進行教學內容講授，講解思路和重要的公式推導采用板書展示，在增大課堂信息量、保持教學內容豐富和形象的同時，兼顧學生對知識的理解和前后關聯。通過圖片、視頻、動畫等多媒體手段，能夠很好的演示電子與光電子材料相關儀器設備構成、原理和工作模式，直觀形象的展示材料內部結構及其器件的工作原理。這些多媒體內容包含電子與光電子材料晶體結構的展示，如鐵氧體磁性材料和各類固體激光材料晶體；材料分析表征儀器及其工作原理和數據分析的演示，如XRD、SEM 分析；材料制備過程的動畫展示，如采用導模法（直拉法）將硅料在石英坩堝中加熱熔化，用籽晶與硅液面接觸，然后開始向上提升長出柱狀晶棒的生產過程。在講解太陽電池材料章節時，采用動畫和示意圖展示太陽電池工作原理，進而分析太陽電池器件各部件所采用的材料，增強學生對材料及其最終器件的感性認識。在講解超導材料章節前，播放一段最新的超導體磁懸浮列車的高速運行視頻，用離生活很近的先進高科技產品激發學生的學習興趣，并引導學生積極思考其理論依據。

3.2 實物教學

電子與光電子材料具有廣泛的應用領域，為了使大家有親身體驗的感受，引發學習的好奇心，教學上采用實物教學。將一些常見的電子材料和元器件帶入課堂做展示和傳閱，如電阻、電容、電感、傳感器、印制電路板、晶體管、激光器件、電子顯示器件、太陽電池、壓電、石英、陶瓷磁性材料等。將實驗器材和實驗過程的動畫帶入課堂，結合實物認識各類電子器件的組成材料，將理論與實踐結合，有利于彌補本選修課程沒有設置實踐環節導致學生對知識掌握不牢的不足。

3.3 專題討論結合科技論文寫作

為了達到更好的學習效果，課程的考核分成兩部分：平時成績和期末成績。其中平時成績包括考勤和課堂分組專題討論，期末成績為課程科技論文寫作。課堂專題討論為教學計劃中設定但任課教師沒有講解的內容，學生根據興趣自行組成討論小組，課外通過網絡和書籍收集并篩選與專題相關的電子或光電子材料的信息后制作成PPT，并由其中1-2 名學生代表在討論課上進行演示和講解，爭取每一位同學都得到資料整理鍛煉或學習成果展示的機會。專題討論分組匯報旨在通過發揮學生主觀能動性培養其探索知識、發現問題和解決問題的能力，同時鍛煉學生的團隊協作能力、書面和口頭表達能力。

課程科技論文的寫作要求在課程一開課即布置，要讓學生帶著目標、帶著問題主動去學習本門課程，并在學習過程中找到自己的興趣所在。論文寫作需要學生獨立完成，選取某種電子與光電子材料的研究現狀進行廣泛的文獻檢索和歸納，使學生掌握了解專業前沿動態的方法，按照本科畢業論文格式撰寫，從形式上和內容上切實發揮課程學習的作用，將教學和科研有機結合。本課程采用專題討論結合科技論文寫作的考核方式，有利于培養學生自主性和研究性學習能力。

4 結語

現代信息技術的發展依賴于電子和光電子材料性能的提升和新材料的涌現。本文基于“電子與光電子材料”課程開設現狀，從教材的選擇和教學內容安排、教學方法含課程考核方式等方面進行了幾點探討。嘗試將學科融合應用到本科教學實踐中，結合信息科學類專業特點，適當補充材料學知識，拓寬學生的知識面。同時將最新的科研成果引進課堂，讓學生緊跟專業發展前沿。不斷改進教學方式方法，靈活運用多媒體教學優勢，結合實物教學，提高課堂教學效果。通過專題研討和科技論文寫作，培養學生的自主性和研究性學習，為學生今后從事電子與光電子材料相關領域的科研和工程技術工作打下良好的基礎。