科研項目導向與興趣驅動模式下的光電工程本科生創新實踐能力培養研究與實踐

摘? 要：近年來，隨著“第三代”半導體等行業技術的成熟，我國光電產業迎來了重大發展機遇，國內光電人才的缺口主要集中在具有豐富行業經驗的工程人員以及具有創新能力的高端研究人員。本科教育是高等教育的基礎，對于高端人才的培養至關重要。半導體物理作為光電工程技術的基礎性研究學科，對光電工程學院的學生學習至關重要。但現有教學模式缺乏個性化，無法激發學生的自主學習激情，缺乏探索創新的意識。本項目通過構建以科研項目為導向，基于興趣驅動的培養模式，樹立學生的創新思維及創新能力，培養學生的實踐能力，激發其從事科學研究的積極性與熱情。

關鍵詞：項目導向;興趣驅動;半導體物理

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0033-05

Abstract： In recent years， with the maturity of the "third generation" semiconductor and other industries， photoelectric industry has ushered in a major development opportunity. The gap of domestic optoelectronic talents is mainly concentrated in engineers with rich industry experience and high-end researchers with innovative ability. Undergraduate education is the foundation of higher education， which is very important for the cultivation of high-end talents. As a basic research subject of optoelectronic engineering technology， "Semiconductor Physics" is very important to the students of photoelectric engineering college. However， the existing teaching mode is lack of individuation， unable to stimulate students' enthusiasm for autonomous learning， and lack of awareness of exploration and innovation. Through the construction of a scientific research project oriented and interest driven training mode， this project establishes students' innovative thinking and innovative ability， cultivates students' practical ability， and stimulates their enthusiasm and enthusiasm in scientific research.

Keywords： project oriented; interest driven; Semiconductor Physics

光電工程技術，是一種交叉光學、通信、信息、微電子等多學科的綜合性高新技術[1]，受到了學術界、產業界的廣泛關注，具有廣闊的行業應用前景，據Ovum等資訊機構估計光電行業規模已達數千億美元[2]。“十三五”以來，我國接連出臺了“中國制造2025”“互聯網+”等國家戰略政策，加上“第三代”半導體等行業技術的成熟，我國光電產業迎來了重大發展機遇，但我國相關基礎研發薄弱、產業創新能力不強、產業鏈發展不均衡情況依然存在，研究水平相對滯后已成為制約產業發展的瓶頸[3]。與此同時，高端光電工程技術幾乎被美日廠商壟斷，“貿易戰”陰影籠罩下美日等西方國家開始實施技術封鎖與商業制裁，對中國光電行業的發展造成了極大的危害[4-5]。為了突破技術封鎖，打破技術瓶頸，促進產業長遠發展，需要大力培養光電工程創新型人才。

行業研究表明，國內光電人才的缺口主要集中在：工程型人才，具有豐富行業經驗的工程人員;研究型人才，具有創新能力的高端研究人員[6]。本科教育是高等教育的開始和基礎，對于高端人才的培養至關重要。但現有工科人才培養較為模式化，缺乏個性化，無法有效激發學生的自主學習激情，缺乏探索創新的意識，容易造成學生厭學和功利性學習[7]。同時，現行的本科教育更加注重學科知識的傳授，對于科研能力的訓練不夠，這對學生后續進行碩士、博士研究生的深造是不利的[7-8]。對比南洋理工大學等國際高校，其在本科階段就鼓勵優秀學生進入科研實驗室，培養學生的科研能力，并設立專項經費支持本科生開展科研項目[9]。因此，為了激發學生的科研興趣，培養其創新實踐能力，本項目將基于“項目導向”與“興趣驅動”的理念，以學生個人興趣為驅動力，引導學生參與科研項目，讓學生在解決實際科研問題的過程中掌握科研實踐技能，樹立科學創新思維。

本文以光電工程學院核心課程半導體物理為例，基于我校教改項目的支持，擬對半導體物理課程進行一系列的教學改革。本次改革基于科研項目導向與興趣驅動，通過引導學生參與科研項目來提高學生的科研興趣，培養光電工程本科生的創新實踐能力。

一、半導體物理教學現狀

半導體物理是一門理論性很強的學科，其中涉及大量的公式推理和假設簡化，不僅導致教學內容的繁雜，也容易使學生在學習過程中感到枯燥無味，難以理解，進而不能取得良好的學習效果。半導體物理作為固體物理的一門分支，是研究半導體的原子、電子狀態及其器件內部電子過程的學科，在學習之前，需要先學習固體物理、量子力學和材料化學等多門學科作為基礎鋪墊，才能更好地理解其中包含的抽象的物理概念和繁瑣的公式推導。其本科教學內容主要分為兩部分：一是半導體材料屬性，主要討論固體晶體結構、量子力學、固體量子理論、平衡半導體、運輸現象和半導體中的非平衡過剩載流子等內容;二是半導體器件基礎，主要討論pn結、pn結二極管、金屬半導體和半導體異質結、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管和雙極晶體管等內容[10]。在課程教學中，最大的難點莫過于怎樣讓學生準確地理解物理過程及其相關公式推導，但材料內部發生的物理過程往往難以表征追蹤，常采用理論建模方式加以解釋，而在傳統的教學中，往往側重公式推導與理論計算，課程內容抽象，缺乏吸引力[11]。因此，大部分學生感覺學習吃力且枯燥乏味，進而導致學生學習態度消極，自主學習能力匱乏。

此外，隨著半導體相關技術更新越來越快，新的科研成果相繼涌現，各學科之間的交叉也逐步深入，僅依靠教師課堂上短暫的教學時間，難以完成知識的傳授，相比而言，提高學生的學習興趣，讓他們在課余時間主動去接觸相關領域知識，才更為重要。但傳統教學尚未實現與實際應用結合，仍然采用教師講解、學生聽課的方式。老師的講解通常只局限于書本內容，而學生的學習也僅限于老師講解的部分，課外擴展很少。書中有很多結論是通過數學公式來表示的，整體抽象而難以理解，而為了通過考試拿到學分，部分學生會采取死記硬背的方式來應付考核，不能較為深刻地理解相關內容并熟練運用[12]。還有課程考核方式未將理論與實際相結合，這就導致了在實際應用中，學生很難達到理想效果。采用實踐教學的方式，不僅可以鞏固學生所學知識，深化理解內容，還可以培養學生的動手能力，發散思維，實現創新能力的提高，促進專業學習水平的提升。將實驗仿真和科研等加入教學過程中，使學生能夠深入理解知識，提高分析問題的能力，將所學知識應用于實踐中，當以后科研遇到問題時，可以積累經驗，更好地實現科研創新。還可以增加學生對相關知識點的理解，喚起學習的熱情，提高自學的能力，培養學生的探索精神和創新能力，豐富課堂內容。

但就目前情況而言，一些學校仍采取單一的教學方式，未開設相關實驗課程，或者是仍采取以基礎內容為主的實驗設計，不僅設備簡單，且器件陳舊，學生根本沒機會了解新材料器件的新功能，這對科研是十分不利的。因此，如何在實驗教學中，將理論與實踐相結合，使學生在理解知識的同時創新性應用半導體物理相關知識，是當前教學的另一大難點[13-15]。

二、項目導向式與興趣驅動教學方法的實施

以光電工程學院專業核心課程半導體物理為例，說明項目導向與興趣驅動式教學方法的具體實施措施。半導體物理是固體物理學的一個分支，融合了量子力學、材料化學、固體物理等眾多先修學科。理解并掌握該門課程的相關知識與應用技能對學生專業能力的培養與提升具有重要意義。半導體技術，是交叉光學、通信、信息和微電子等多學科的綜合性高新技術，受到了學術界、產業界的廣泛關注，具有廣闊的行業應用前景。因此，在教學中，引用項目導向式方法，讓學生主動地探索知識頗為重要。

（一）興趣誘導，分成小組，調動學生自主學習積極性

針對光電工程學院教師教學中存在的問題并結合學生自身學習的特點，可以從培養學生的學習興趣入手。“興趣是最好的老師”，在教學過程中，教師可以以興趣為載體，精心設計半導體物理課程內容的導入點和切入點，積極創造條件，從而培養學生的興趣，使學生在愉悅中學習知識，掌握技能，使教學效果達到最佳。如果學生在課程學習中對某一知識點產生了興趣，并主動去搜集相關資料，求知欲被激發，學習將會成為快樂的過程，有了第一次的探索，將會有后續主動攝取知識的收獲，如果能讓興趣貫穿整個教學環節之中，則有事半功倍之效。

在課堂教學中，還可以采取小組合作的方法，由幾位同學組成一個學習小組，在課程開始前，每組選定一個半導體物理技術應用方面的課題，并在課程結束后完成該課題的設計開發。這些課題的來源可以是教師的工程項目，需老師提前設計好課題庫，如半導體技術在智能終端、物聯網、4G通信、智能家居和汽車電子等新興領域的具體應用實例。因課題的完成需學生了解并掌握課程的重點知識，教師可在開始時為學生設置啟發性問題，增加學生完成課題的趣味性，增強學生的實踐能力。在授課過程中，教師可鼓勵學生主動查閱本課程相關資料，同時定期匯報，總結輔導學生。以此為基礎，要求學生總結查找的資料，完成文獻綜述的書寫，再試著應用學到的相關理論及技術完成某個子課題的方案設計和軟硬件開發。學生在完成課題的開發與設計中，可以學習如何查閱文獻，提升總結能力，了解目前研究的現狀，思考相關研究的不足之處，分析產生不足的原因，試著提出解決的方法，再預測未來的發展趨勢，試著取前人研究之長，運用于自己的具體方案設計中[16-17]。這將對學生日后的學習、工作能力大有提高。此外，因前期研究的鋪墊，可以鼓勵學生積極參加全國大學生物聯網設計競賽、大學生電子設計競賽或大學生創新創業訓練計劃等活動，在比賽中升華課題，學習撰寫科技論文。這種項目導向式的教學方式，實現了學生從被動接受知識到主動探索知識的轉變，在學生發現問題、解決問題的過程中，學習動機實現了根本轉變，跟著項目學習，學生成為了學習的主體，教師則成為了教學工作中的輔助者。

（二）引入模擬軟件與實驗教學，培養學生自主創新科研能力

半導體物理包括半導體器件和半導體材料兩部分內容，可以引用Materials Studio和Silvaco TCAD這兩種計算軟件進行仿真。引入這兩種模擬計算軟件，可以有效將教學與科研相結合，將所學理論知識活學活用，激發學生自主學習興趣，培養動手和創新能力，提升學生的科學素養。

1. 半導體材料物理性質模擬

Materials Studio是ACCELRYS公司為材料化學領域設計的一款可運行在PC上的模擬仿真軟件，可以有效解決當今化學、材料工業中的一系列問題。Materials Studio讓化學材料領域的研究者們可以更方便地建立三維分子模型，對有機晶體、無機晶體以及聚合物進行深入分析。Materials Studio中的CASTEP模塊是一種先進的量子力學程序，廣泛應用于半導體、陶瓷、金屬等多種材料，可研究晶體材料的性質（半導體、陶瓷、金屬和分子篩等）、表面和表面重構的性質、電子結構（能帶及態密度）、表面化學、點缺陷性質、晶體的光學性質、擴展缺陷（晶粒間界、位錯）、體系的三維電荷密度及波函數等[18-20]。通過CASTEP模擬計算常見硅、鍺等半導體材料的能帶結構及相關缺陷摻雜對其性質的影響，引導學生主動探索其他半導體材料（如寬禁帶半導體材料氮化鎵、碳化硅，超寬禁帶半導體材料氧化鋁等）的相關性質，加深學生對導帶價帶、費米能級、直接帶隙、間接帶隙和載流子運動等問題的理解，同時培養學生主動參與科研的興趣。

2. 半導體器件性質模擬

為了讓學生更加深入理解半導體器件的相關性能，可以引入TCAD（計算機仿真模擬技術）軟件仿真教學內容。Silvaco TCAD 軟件是由Silvaco公司出品的一款輔助設計軟件，它由工藝仿真模塊Athena和器件仿真模塊Atlas組成。通過設定相應的工藝和器件參數，可以模擬實現電路或者器件制造的全流程，也可以對電路或者器件的性能進行仿真分析，提取有關參數[21-23]。通過ATLAS模塊可以獲取直流、交流以及瞬態情況下器件的電學參數，仿真研究器件的器件參數（如器件尺寸、摻雜濃度等）變化對電壓電流的影響。通過ATLAS建立相關器件結構、添加模型與參數、劃分網格、設置求解內容，可以將學習的理論知識與當前的半導體前沿科研內容相結合，增強學生的科研意識及能力。

3. 器件實驗教學

仿真作為一種手段，是對理論的重現和驗證，在準確的仿真基礎和工藝邏輯上，可以準確預測不同結構和工藝效果，設計和優化器件。而實驗是檢驗和驗證仿真結果必不可少的一步。可以通過設置測量碳化硅二極管、MOSFET、GaN HEMT等器件的傳輸特性、輸出特性和擊穿特性等電學性能的實驗，將測量所得數據和前面器件仿真結果進行比較，可以讓學生對半導體物理知識有更深的理解， 開拓學生的創造性思維，激發學生的主動探索求知的精神和自學能力。

（三）確立多元化、多方位評價體系與激勵制度

從教師的角度出發，由傳統的“一考定全局”終結性評價轉向形成性評價和終結性相結合的全程評價。一方面，提倡開放性、多樣化的考核方式，多方面地評價學生的綜合素質和創新能力。如在半導體物理每章內容教學結束后，舉行一次小測驗，測驗形式可以采取課題匯報、分組討論等形式[24-26]。測驗結果作為平時成績，與期末成績按照一定比例結合，作為學生最終成績。另一方面，探索多元化的培養效果評價體系：借鑒同行評議制度，將評價主體，由單一教師主體轉向教師、同行、學生等多元化的評價主體，例如，將學生分成小組，在每個小組回答問題或者完成課程匯報后，由其他小組進行評價打分，這種方式可以充分調動學生的參與熱情與積極性。

從學生的角度出發，俗話說“師傅領進門，修行靠個人”，重點是對學生創新能力的培養，而不是知識的灌輸。這就需要對培養方案、教學方法和評價指標等一系列教學體系做出調整、改變。課上開展相關課題的匯報展示活動，對準備充足者、匯報優秀者給予一定的獎勵;課下則舉辦半導體物理相關的專題講座、現場參觀及網絡宣傳等活動，對積極參與并提交報告者積極回饋評價[27-30]。通過課上課下相結合的方式，學生的創新意識能獲得提高，實踐水平也能實現提升，為之后學生參與到科研工作中提供理論和實踐的基礎和能力。

從學院的角度出發，可建立長期激勵機制，設定專項獎學金，從精神、物質上鼓勵學生參與科研活動;還需完善教師考核、評價體系，讓更多的教師參與到本科生的科研指導工作中去。

三、結束語

在“科研項目導向，興趣驅動”的教學模式下，首先，通過增加項目中的趣味性吸引學生，從而大大提高學生學習的積極性。其次，教師在課程中設計多個項目，每個項目由多個工作任務構成，根據不同的工作任務開展教學，學生則選取自己感興趣的項目組成學習小組，充分調動了學生學習的主動性，發揮了其學習中的主導作用，教師則負責在學生學習過程中提供輔助，組織學生展開有序的學習。最后，在教學中增加與科研有關的軟件與實驗教學，學生自由選擇感興趣的項目，以小組為單位查閱資料，學習軟件，分析解決方案，逐步完成項目，撰寫科研論文。在此教學模式下，抽象的問題變得具體化，枯燥的問題得到趣味化，學生的邏輯思維、編程能力、實踐水平得到提升，還培養了團隊合作的精神，最終實現了教學的高效性。

本文一來為“教師為主導、學生為主體”的教育理念提供了新的范式。基于“科研項目導向、興趣驅動”的培養方法，教師在培養過程中只起到咨詢、指導與解答疑難的作用，充分考慮了學生的興趣方向，能夠充分發揮學生的主觀能動性，培養其理論結合實踐、分析問題和解決問題的綜合實踐能力。二來為促進師生職業發展提供了新途徑：科研項目導向與興趣驅動的人才培養方法，拓展了傳統的教學培養模式，使學生早期接觸專業，早期創新實踐，早期確定研究發展方向。在提高學生科研能力、獲得科研成果的同時，也增強了教師的職業價值感，達到了雙贏的目的。

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基金項目：重慶大學“基于STEM教育理念的《半導體物理》跨學科課程教學改革研究與實踐”（2019Y21）;重慶大學光電工程學院“基于科研項目導向與興趣驅動的光電工程本科生創新實踐能力培養研究”（2019J01）

作者簡介：陳顯平（1979-），男，漢族，重慶人，博士，教授，重慶市能源互聯網及智能裝備協同創新中心執行主任，研究方向為先進傳感器與感知技術，功率半導體器件設計、封裝及可靠性，新型電子材料及器件。