半導(dǎo)體光電子學教學改革的探索

韓曉博

如今，伴隨著各種智能技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性愈發(fā)凸顯。半導(dǎo)體不僅是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)智能化升級的基礎(chǔ)支撐，還是推動新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。基于此，世界范圍內(nèi)圍繞半導(dǎo)體領(lǐng)域的競爭正不斷加劇，愈演愈烈。小而強大的半導(dǎo)體已經(jīng)成為高科技世界不可或缺的一部分。因而，培養(yǎng)光電信息科學與工程方面的人才，離不開半導(dǎo)體光電子學課程。該課程從理論入手，研究半導(dǎo)體材料中電子與光子之間的相互作用，引導(dǎo)學生從物理機制上對材料的基本特性加以理解；繼而緊扣當前半導(dǎo)體材料應(yīng)用前沿——光電子器件，從實際應(yīng)用方面帶領(lǐng)學生認識半導(dǎo)體材料的優(yōu)點。該課程結(jié)合物理機制，分析光電子器件的本質(zhì)，既注重了物理思維模式的培養(yǎng)，同時又為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了理論以及技術(shù)支持。

一、教學內(nèi)容整合優(yōu)化， 建立知識框架

半導(dǎo)體光電子學是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程涵蓋了量子力學、固體物理、熱力學等課程的基礎(chǔ)理論知識，涉及的知識面廣而深，概念繁多且抽象[1-2]。這容易導(dǎo)致教師在教學的過程中，習慣平鋪直敘，“填鴨式”傳授理論知識。而學生在學習時稍有疏忽，就會遺漏重要知識概念，進而喪失學習興趣。因此，在有限的教學時間里，教師如何高效率地講解半導(dǎo)體光電子學，使得學生快速吸收消化且靈活運用知識點是一個大的挑戰(zhàn)。教師需要針對目前教學過程中存在的問題與不足，優(yōu)化和整合教學內(nèi)容，探索形象化教學手段，同時結(jié)合科技發(fā)展熱點問題，激發(fā)學生的學習興趣，提高半導(dǎo)體光電子學課程的教學質(zhì)量。

首先是增強與相關(guān)專業(yè)課教師之間的交流溝通。半導(dǎo)體光電子學研究的是半導(dǎo)體中微觀的電子狀態(tài)，以及電子與光子之間的相互作用過程，屬于凝聚態(tài)物理學的一個重要分支。研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)是以晶體結(jié)構(gòu)學和點陣動力學為基礎(chǔ)的，因而對先修課程中知識內(nèi)容的理解和掌握對本門課程的學習至關(guān)重要，特別是對關(guān)鍵知識點的遺忘會極大降低學習效能。例如，固體物理學課程中所講授的關(guān)鍵知識點——金剛石結(jié)構(gòu)，屬于晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)備知識。這對理解IV 族如硅、鍺的光電特性具有關(guān)鍵性作用。然而對于那些對該知識點掌握不牢固的學生來說，在學習新知識的過程中可能會遇到較大問題。因此，教師根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)方案，了解學生對相關(guān)知識點的掌握程度，掌握學生對先修課程知識點的學習狀態(tài)是很重要的。尤其是對重難點知識點來說，在正式開始授課之前，花費時間回顧相關(guān)概念是可取的。此外，考慮到不同課程之間的相對獨立性，以及不同課程之間必然存在的關(guān)聯(lián)性，專業(yè)課教師通過溝通交流，靈活調(diào)節(jié)與整合本專業(yè)學生的學習重難點，是處理專業(yè)課和基礎(chǔ)課之間銜接的重要環(huán)節(jié)。

半導(dǎo)體光電子學課程的教學內(nèi)容繁雜，涉及大量的簡化假設(shè)和理論公式，導(dǎo)致學生學習起來生疏且枯燥，進而造成學習效果不理想。如果教師在上課的時候，一味地向?qū)W生灌輸抽象的概念，很難激發(fā)學生的學習興趣[3]。教師授課時應(yīng)結(jié)合學生的實際情況，進行相對簡單的理論推導(dǎo)，以使學生理解半導(dǎo)體內(nèi)部電子之間及其與光子之間相互作用的機制，以現(xiàn)實應(yīng)用問題為導(dǎo)向[4]。同時，教師也應(yīng)注重培養(yǎng)學生建立物理思維模式的能力、靈活運用所學知識的能力，充分調(diào)動學生主動學習的積極性。此外，半導(dǎo)體光電子學這門課程前期主要為概念講解，后期為半導(dǎo)體器件的介紹，前期是為后期服務(wù)的，后期可以檢測前期學習的掌握程度[5]。因此，教師對課程知識點進行串聯(lián)，可以幫助學生清楚了解課程結(jié)構(gòu)（見圖1），同時使得教學內(nèi)容邏輯清晰、思路明確，也可以更加直觀地讓學生感受到這門課程的重難點以及學習價值[6]。除了對整個課程進行框架構(gòu)建之外，教師同樣要對不同概念以及小的知識點之間的關(guān)系進行及時梳理，整理歸納，分類總結(jié)。總結(jié)回顧的過程是進一步引導(dǎo)學生整理學習思路的過程，也是強化學生記憶的過程。教師通過總結(jié)知識框架，對學生進行引導(dǎo)，這不僅可以幫助學生明確半導(dǎo)體光電子學知識的重難點，同時還可以提升學生的學習效率。

圖1 半導(dǎo)體光電子學的知識體系

二、教學方法與時俱進

半導(dǎo)體光電子學的特點是研究半導(dǎo)體內(nèi)部的一些微觀現(xiàn)象，因此所涉及的物理概念和理論模型非常抽象，難以理解。學生單從課本上學習，會感覺內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學習起來有一定難度。為了讓學生更好地掌握這些抽象的概念，需要教師采用多樣化的教學方法，充分利用多媒體軟件，同時借助網(wǎng)上現(xiàn)有的有價值的素材，以此增強教學的直觀性。例如，電子的向上躍遷以及向下躍遷過程的概念非常抽象，可以將這個過程制作成一個動畫來演示，讓學生直觀地看到躍遷過程，加深對概念的理解。此外，隨著線上資源的豐富，學習渠道越來越多，這使得學生的學習來源不再局限于課本。這也就意味著提高學生學習的主動性，激發(fā)學生的學習興趣，將會進一步引導(dǎo)學生自主學習，使之學習課堂以外的知識，擴大知識面。因此，在課堂上，布置一些能引發(fā)學生思考的有意思的小問題，可以提高學生的學習興趣。

現(xiàn)代教育模式中，信息技術(shù)的運用對于學生理解能力的提升有著較強的促進作用。眾所周知，學生的理解能力的培養(yǎng)會直接影響其學習效果。同一班級或同一年級的學生，在學習態(tài)度、學習興趣乃至學習方法上千差萬別。部分學生對物理基礎(chǔ)概念的理解能力較差，尤其是對純文字或公式的解讀存在局限性。在教學過程中，教師利用信息技術(shù)強化學生理解能力是十分有效的方法。課堂上，相比純文字的描述，結(jié)合動畫演示過程，賦予文字靈魂，可以讓學生在記憶中建立畫面感。在教學中添加信息技術(shù)元素，可使學生快速理解基礎(chǔ)概念，使學生對概念的掌握更加扎實。與此同時，信息化教學模塊的輔助使用，有助于提高學生的學習能力。個人的學習精力是有限的，長時間高強度的教學會使學生的專注度下降。信息技術(shù)作為輔助教學手段，可以充分調(diào)動課堂氛圍，使學生學習的積極性得到進一步提高。

半導(dǎo)體光電子學這門課程中所講授的最關(guān)鍵的光電子器件是半導(dǎo)體激光器。隨著加工工藝的發(fā)展，我國在激光器的研發(fā)方面和其他國家的差距逐漸減小。半導(dǎo)體激光器的市場應(yīng)用也在飛速拓展，比如激光雷達、激光測距等領(lǐng)域。這些前沿行業(yè)的發(fā)展動態(tài)是書本中所缺乏的知識。“學以致用”是學習的目的，因此，課堂上穿插介紹當前半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀、遇到的瓶頸及其實際應(yīng)用領(lǐng)域，可使學生在學習專業(yè)知識的過程中了解所學知識的用途，與時俱進地提高對本專業(yè)的認識，提高對科技前沿、行業(yè)發(fā)展情況的關(guān)注度。同時，教師要有意識地引導(dǎo)學生了解我國當前核心技術(shù)水平，激發(fā)學生的學習動力。另外，基于產(chǎn)教融合的理念，嘗試讓企業(yè)的工程師走入課堂，帶領(lǐng)學生從實際的產(chǎn)品應(yīng)用層面，深刻理解本門專業(yè)課的用途。高科技企業(yè)的發(fā)展離不開高層次的專業(yè)人才，同樣，學校對人才的培養(yǎng)離不開企業(yè)的參與，二者是相輔相成的。教師要以行業(yè)需求為切入點，結(jié)合學科體系內(nèi)在規(guī)律，優(yōu)化課程所需的知識技能與素質(zhì)要求，將最新產(chǎn)業(yè)技術(shù)嵌入課程教學。

三、聚焦科研前沿

科研與教學本質(zhì)上是源流關(guān)系，教學創(chuàng)新發(fā)展離不開科研，教學與科研是統(tǒng)一的。隨著高等教育的快速發(fā)展，越來越多的教師兼顧教學與科研。因此，針對半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展趨勢，結(jié)合自身科研規(guī)劃，教師有必要將科學研究的熱點以及科研成果融入半導(dǎo)體光電子學課堂[7]。教師在課堂上傳授各方面的理論知識是促使學生掌握科學知識的重要環(huán)節(jié)。然而，如果僅僅照本宣科，學生的思維難免受到限制，且學生獨立分析問題和解決問題的能力不能得到鍛煉。教師應(yīng)準確地將教學內(nèi)容與時代技術(shù)發(fā)展接軌，潛移默化地將學科發(fā)展的新理論、新技術(shù)貫穿課堂教學全過程。例如，相對于半導(dǎo)體激光器的電泵浦，科研人員更加常用的是光泵浦，這是因為光泵浦激發(fā)半導(dǎo)體進而產(chǎn)生激光的要求相對來說較低。教師通過所掌握的專業(yè)理論知識和積累的實踐經(jīng)驗，啟迪學生的思維，調(diào)動學生的主觀能動性。由此可見，在教學過程中結(jié)合當前科研進展，融入更多與實踐相關(guān)的知識點，可以拓展學生的邏輯思路，激發(fā)學生從事科研工作的興趣。此外，隨著納米加工工藝水平的提高，納米半導(dǎo)體激光器逐漸發(fā)展起來。因而，關(guān)注當前的新型材料體系，對優(yōu)化半導(dǎo)體光電子器件的性能至關(guān)重要。結(jié)合當前科研前沿進行授課，可以讓學生接觸并了解半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的科研項目，培養(yǎng)科研創(chuàng)新探索思維，激發(fā)學生的求知欲和探索科學的動力。

四、優(yōu)化考核方式， 注重過程性評價

考核是衡量學生知識掌握情況的必不可少的步驟，也是教師及時了解學生對知識掌握程度的有效方式。傳統(tǒng)的考核方式是以閉卷形式的期末考試為主，平時成績?yōu)檩o，考核形式單一。一般期末成績占比較高，平時成績占比較低，且平時成績的考查方式簡單。例如平時成績一般包含出勤情況、作業(yè)完成情況以及課堂表現(xiàn)，這導(dǎo)致平時成績往往分值差距很小。這種評價機制忽視了學生學習能力的差異，使得教師很難去綜合、準確判斷學生的學習狀態(tài)。為了及時了解學生的學習狀態(tài)和進度，充分調(diào)動學生課堂學習的積極性，教師有必要在考核方式上進行優(yōu)化改革。如可以合理增加小測驗或組織分組討論，督促學生對前期知識點進行回顧。在不同階段對學生進行考核。同時將考核成績納入課程的總成績，避免學生偶然性的發(fā)揮失常，或因其他原因?qū)е碌目荚嚱Y(jié)果不理想。“臨時抱佛腳”的學習模式是當代部分大學生應(yīng)對考試的一種方法。這也就意味著，即使期末卷面成績優(yōu)異，這部分學生依然不能靈活運用知識點，甚至考過就忘。此外，教學效果的反饋嚴重滯后。傳統(tǒng)考核方式導(dǎo)致教師難以實時把握學生對知識的理解和接受程度，同時學生對自身學習狀況不能進行準確判斷。這樣日積月累下去，對于學生來說學習就不再是知識理解與掌握的過程，更多的是死記硬背。因而，教師在課堂上合理增加隨堂測驗，引導(dǎo)學生加深對所學知識的理解，對于提高學生學以致用的能力是十分有必要的。

綜上所述，半導(dǎo)體光電子學課程中基礎(chǔ)概念繁多且抽象，既包含理論知識又涉及器件應(yīng)用，對教師教學提出了更高要求。教師以培養(yǎng)學生專業(yè)素養(yǎng)為目標，以提升學生專業(yè)知識能力為導(dǎo)向，通過對半導(dǎo)體光電子學教學內(nèi)容的優(yōu)化，靈活運用多種教學方法，緊密結(jié)合當下市場，聚焦科技前沿，可以讓學生深入理解并掌握半導(dǎo)體的基礎(chǔ)理論知識，建立物理思維，探索解決實際應(yīng)用中存在的問題。