《光電顯示技術(shù)》課程思政實踐與探索

張?zhí)煊?王 雷,顧大偉,吳高建

(南京工業(yè)大學 數(shù)理科學學院,南京 211816)

2020年5月,教育部印發(fā)了《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》,強調(diào)全面推進課程思政建設(shè)是落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措,課程思政建設(shè)是全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要任務(wù)。綱要還指出,廣大一線教師要明確課程思政建設(shè)目標要求和內(nèi)容重點,科學設(shè)計課程思政教學體系,結(jié)合專業(yè)特點分類推進課程思政建設(shè),并將課程思政融入課堂教學建設(shè)全過程[1]。

一、《光電顯示技術(shù)》課程介紹

《光電顯示技術(shù)》是針對光電信息科學與工程(光電)和應(yīng)用物理學(應(yīng)物)等相關(guān)專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)課程,是從事光學工程、儀器儀表、測量與控制研究人員所必須具備的專業(yè)基礎(chǔ),是一門與現(xiàn)代科學技術(shù)緊密相連的正在發(fā)展的新興學科。課程學時數(shù)為32學時,其中16學時為理論課程,16學時為實驗課程。理論授課主要內(nèi)容包括:輻射度學參量、光色度學參量、顯示器性能參數(shù)、陰極射線管(CRT)顯示技術(shù)、液晶概念和分類及物理性質(zhì)、液晶顯示器件(LCD)基本結(jié)構(gòu)和特點、無機電致發(fā)光器件(LED)結(jié)構(gòu)和原理、有機電致發(fā)光器件(OLED)結(jié)構(gòu)和原理、OLED激發(fā)態(tài)動力學過程、低溫多晶硅(LTPS)性能特點、LTPS工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)等。實驗課內(nèi)容主要包括:光色度學參量測量、LCD和LED及OLED光譜和響應(yīng)時間測量、LCD器件制備和電光特性曲線測量、LCD視角測試、LED器件電流—電壓—亮度曲線測量和OLED器件制備與表征等[2]。

《光電顯示技術(shù)》課程的特點包括:1.授課內(nèi)容繁雜,課時偏少,需要對授課內(nèi)容進行量身裁剪。2.與產(chǎn)業(yè)技術(shù)息息相關(guān),要求授課教師實時關(guān)注科技前沿動態(tài)。3.課程內(nèi)容主線清晰,在講解基礎(chǔ)知識后按照顯示技術(shù)發(fā)展歷程依次介紹不同時代的主流顯示技術(shù)。4.課程內(nèi)容涉及將先修課程中所學的光學原理、半導體物理和固體物理知識、電子線路及光電技術(shù)等課程內(nèi)容的綜合應(yīng)用,涉及復雜的工藝流程,技術(shù)整合性較強。

課程目標如下:1.掌握光色度學基本參量的物理意義和顯示器件的基本性能參數(shù)。2.掌握各光電顯示器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理及各項技術(shù)的優(yōu)點和局限,對工藝流程設(shè)計中涉及的各方面現(xiàn)實約束條件有比較全面、系統(tǒng)的認識和考慮,具備設(shè)計、開發(fā)、分析和解決光電信息領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)問題的能力。3.能針對光電顯示器件方向工程問題,基于現(xiàn)代儀器、信息技術(shù)、工具、軟件等,正確設(shè)計光電顯示器件并對現(xiàn)有工藝進行改進。

針對課程學時數(shù)有限的特點,重點參考了清華大學出版社出版的李文峰等編寫的《光電顯示技術(shù)》一書[3]。該教材內(nèi)容精簡,但用于32學時課程仍需適當裁剪。結(jié)合課程與時俱進的特點,增加了OLED顯示技術(shù)和LTPS晶體管陣列的內(nèi)容。該部分內(nèi)容參考了清華大學出版社出版的應(yīng)根裕等編寫的《光電顯示原理及應(yīng)用》一書[4]。考慮到增加課程的時代性和開放性,參考了Springer出版的Jianglin Chen等編寫的《Handbook of Visual Display Technology》一書,并根據(jù)需要選擇部分內(nèi)容作為學生翻譯作業(yè)[5]。實驗講義由授課教師根據(jù)實際開展實驗項目,結(jié)合科研背景編寫,并作為內(nèi)部資料發(fā)放給學生[6]。

二、踐行課程思政

(一)增加課程人文性,提升引領(lǐng)性、時代性和開放性

《光電顯示技術(shù)》課程介紹不同類型的顯示技術(shù),涉及將晦澀的半導體物理知識和固體物理知識應(yīng)用在顯示技術(shù)領(lǐng)域的具體問題。在講解具體理論知識時,相關(guān)人文素材的引入可以幫助活躍學生學習氛圍,緩解學生壓力,充分激發(fā)學生的學習興趣并調(diào)動學生的學習主動性。比如,牛頓和麥克斯韋及格拉斯曼對光度學的貢獻、萊尼茨爾發(fā)現(xiàn)液晶相的過程、日本科學家研究藍光LED的艱辛歷程等。

《光電顯示技術(shù)》是一門與時俱進的課程,學習內(nèi)容從CRT到LCD,再到LED和OLED顯示技術(shù),將各技術(shù)的興衰歷程完整地呈現(xiàn)在學生面前。教師一方面從技術(shù)層面引領(lǐng)學生分析技術(shù)更迭的內(nèi)在原因,另一方面補充當前最為先進的OLED顯示技術(shù)和LTPS技術(shù)。讓學生體會到每次技術(shù)革新都需要站在現(xiàn)有顯示技術(shù)基礎(chǔ)上進行。外文教材的參考閱讀可以幫助學生了解國際技術(shù)行情,明晰國內(nèi)外顯示領(lǐng)域技術(shù)差異。在原有課件基礎(chǔ)上完善專業(yè)術(shù)語和理論過程的配套外文素材,在考察環(huán)節(jié)增加外文教材翻譯內(nèi)容,提升了學習的時代性和開放性[7]。

(二)注重學思結(jié)合、知行合一

《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》強調(diào),專業(yè)實驗實踐課程要注重學思結(jié)合、知行合一,增強學生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實踐能力[8]。《光電顯示技術(shù)》課程涉及光色度學參量、液晶電光特性等基本概念和性質(zhì),LCD、LED、OLED器件結(jié)構(gòu)和LTPS陣列結(jié)構(gòu)等復雜工藝結(jié)構(gòu),電子束偏轉(zhuǎn)、偏振光偏振態(tài)的轉(zhuǎn)變、電致發(fā)光過程和發(fā)光動力學過程等復雜機理過程,及光刻技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、真空熱蒸發(fā)技術(shù)、準分子激光技術(shù)等高端技術(shù)。這些概念、結(jié)構(gòu)、過程和技術(shù)無法通過課堂講解和書本描述讓學生獲得良好的學習體驗。因此結(jié)合現(xiàn)有實驗資源開展了相應(yīng)的實驗內(nèi)容,具體如下:

1.針對光色度學參量,將單色儀與光纖光譜儀結(jié)合,測量不同單色光的光亮度、色純度和色坐標,測試白光的色溫和顯色指數(shù),加深學生對基本概念的理解。測量LED、LCD和OLED器件單色光和白光光譜參量,讓學生充分理解混色原理在光電顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.LCD器件工作原理涉及電控光偏振態(tài)變化的過程,課堂講解流于形式,難以被學生接受。讓學生親自動手制備簡單液晶盒,并測試液晶盒的偏光性和電光特性曲線,充分發(fā)揮學生主體地位效能,使學生走出書本理論知識,投身實踐環(huán)節(jié),實現(xiàn)知行合一。

3.響應(yīng)時間是顯示器件關(guān)鍵參數(shù)之一,將函數(shù)信號發(fā)生器、示波器與高速光電探測器結(jié)合,利用方波信號驅(qū)動LCD、LED和OLED器件,讓學生測試并利用軟件分析得到器件的響應(yīng)時間。一方面讓學生了解測試快速過程的方法,深刻認識不同顯示技術(shù)的響應(yīng)時間差異對產(chǎn)品性能的影響;另一方面可以培養(yǎng)學生分析研究問題的科學素養(yǎng)和解決問題的實踐能力[9]。

4.OLED是新興最具潛力的顯示技術(shù)之一,學生親自動手制備并測試OLED器件的光色度學參量和電學性能,可以實現(xiàn)學生學習效果的全面提升和學生能力的全面培養(yǎng):首先,教材固定知識無法展現(xiàn)科技進步的日新月異,課本外的知識拓展增加了OLED技術(shù)的學習難度,學生需要走進實驗室進行看得見摸得著的知識學習,這樣才能做到知其然并知其所以然;其次,OLED制備涉及透明電極的刻蝕和清洗工藝、真空熱蒸發(fā)工藝和復雜器件參數(shù)器件測試過程。這些環(huán)節(jié)將課堂介紹的工藝流程穿插組合在一起,可以讓學生深刻理解工藝過程和半導體物理知識的具體應(yīng)用;最后,很多大型公司企業(yè)都積極拓展OLED業(yè)務(wù),實驗室OLED器件制備是OLED屏幕工藝的重要組成部分,為學生就業(yè)進行了技術(shù)熱身,方便技術(shù)接軌。

學生通過以上的實驗和實踐過程,可以體會到紙上得來終覺淺并深刻理解實踐是檢驗真理的唯一標準的內(nèi)涵。書本知識只是專業(yè)技術(shù)的語言描述,只有在實驗室動手操作才可以真正得到全面的鍛煉和成長。

(三)培養(yǎng)大國工匠精神

《光電顯示技術(shù)》是光電和應(yīng)物專業(yè)學生接觸到少有的涉及復雜工藝流程的課程之一。課程涉及較為復雜的實驗內(nèi)容有:器件響應(yīng)時間測試與對比,LCD和OLED器件制備與表征。

在響應(yīng)時間測試實驗中,學生需要學習使用函數(shù)信號發(fā)生器,設(shè)置方波信號的頻率、電平和占空比等參數(shù),將同步信號分別輸入示波器進行觀察和連接器件進行驅(qū)動。示波器的熟練使用是完成測試的必要前提,學生需掌握利用示波器捕捉微弱信號的操作要領(lǐng),涉及采樣、獲取、存儲和觸發(fā)等高階技能的應(yīng)用。最后,利用高速光電探測器將方波信號驅(qū)動的顯示器件響應(yīng)時間呈現(xiàn)在示波器上。這一環(huán)節(jié)要求測試所使用儀器的基本性能都要顯著高于測試響應(yīng)時間的技術(shù)要求。因此,學生需要先測試并證明所使用的示波器、函數(shù)信號發(fā)生器和光電探測器的性能都足以勝任響應(yīng)時間測試的任務(wù)。授人以魚不如授人以漁,該環(huán)節(jié)是學生在光電技術(shù)課程中學習測試技術(shù)的具體應(yīng)用,同時兼顧數(shù)字電路課程所學的RC時間對測試的影響,可以說是一次“真槍實彈”的演練。培養(yǎng)了學生求真務(wù)實、去偽存真科學嚴謹?shù)膶I(yè)素養(yǎng)。

LCD和OLED器件制備與表征實驗涉及襯底刻蝕和清洗、材料沉積等復雜過程的操作。長達數(shù)小時的實驗和測試過程可以顯著提升學生的耐心和細心。不僅融合了理論課講述的各種技術(shù),還涉及很多專業(yè)知識的具體應(yīng)用,提升了學生的動手能力和專業(yè)信心。光學知識和半導體物理知識的具體應(yīng)用,實現(xiàn)了學以致用的效果。復雜工藝的組合,提升了學生解決復雜工程和技術(shù)問題的能力。這兩個實驗過程中,有些環(huán)節(jié)直接決定了器件制備的性能和成敗。比如,襯底的清洗決定了器件制備過程中功能層生長的微觀結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)又決定了器件的性能。襯底是透明的,如果用反了會直接導致器件制備失敗,這些實驗細節(jié)培養(yǎng)了學生謙虛謹慎和精益求精的工匠精神[10]。在OLED器件制備過程中,需要用到高真空熱蒸發(fā)沉積設(shè)備,真空的維護、工作區(qū)域的更換和掩膜版的循環(huán)使用都具有一定的錯誤風險性。理論講解過程中向?qū)W生介紹操作不當導致儀器損毀的后果和實際案例,并要求學生細化操作流程,小組內(nèi)部多次確認后才可以請示操作。這些復雜的環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學生團結(jié)協(xié)作、直面困難和勇于攀登的職業(yè)精神[11]。

(四)激發(fā)科技報國的家國情懷和使命擔當

科技興則國興,科技強則國強。光電和應(yīng)物專業(yè)本科生畢業(yè)后在光電顯示技術(shù)領(lǐng)域就業(yè)扎根,為國家貢獻力量。這是一個國際技術(shù)角逐的領(lǐng)域,要求從業(yè)者具有強烈的使命擔當和科技報國的堅定信念。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)深入挖掘思政資源,恰當利用思政載體,介紹國際技術(shù)發(fā)展歷史和形勢,鞭策學生學習專業(yè)知識時立足國家技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,牢記初心、堅定前行。在CRT顯示技術(shù)理論課程中,向?qū)W生介紹了國際CRT顯示技術(shù)發(fā)展歷程和我國黑白電視機與彩色電視機的崛起過程。在液晶顯示器件發(fā)展歷程中介紹了美國率先研制液晶顯示器件,日本搶占先機的歷史競爭過程,以及近期LCD顯示技術(shù)的追趕過程。在顯示器件響應(yīng)時間講解過程中,向?qū)W生介紹我國西安光機所生產(chǎn)條紋相機的進展以及與日本先進技術(shù)的差異。分析對比實驗室所用示波器和函數(shù)信號發(fā)生器與國際先進產(chǎn)品的技術(shù)和性能差異。在OLED器件制備實驗過程中,向?qū)W生分享國內(nèi)外分子泵的價格和技術(shù)差異,介紹膜厚監(jiān)測儀工作原理及國內(nèi)外產(chǎn)品的發(fā)展狀況。在OLED和LED電流—電壓—亮度曲線測試過程中,結(jié)合納安級電流測試情況,介紹國內(nèi)數(shù)字源表產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)狀,討論國外芯片封鎖對我國數(shù)字源表發(fā)展的限制。在OLED器件和LCD器件襯底清洗環(huán)節(jié),以及LTPS技術(shù)學習過程中,介紹我國光刻工藝取得的突破性進展,并與國際先進水平進行對比分析。在OLED器件工藝環(huán)節(jié),以大國重器視頻題材作為載體,介紹近年我國OLED顯示技術(shù)實現(xiàn)彎道超車的飛速發(fā)展。

這些相關(guān)素材的引入,介紹了與學生學習和工作息息相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。融入課堂教學后,激發(fā)了學生科技報國的家國情懷和使命擔當[12]。

三、結(jié)語

《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》指出,全面推進課程思政建設(shè),教師是關(guān)鍵。要推動廣大教師進一步強化育人意識,找準育人角度,提升育人能力,確保課程思政建設(shè)落地落實,見功見效。結(jié)合物理類專業(yè)課程的特點,我們深入挖掘了課程內(nèi)容的思政來源,拓展課程思政建設(shè)的方法和途徑,將一系列思政元素融入課堂教學,把控了課堂建設(shè)“主戰(zhàn)場”,拓寬了課堂教學“主渠道”[13]。物理類專業(yè)課程的特點是以理論和技術(shù)為教學主要內(nèi)容,而對方法論的討論相對較少。因此我們側(cè)重結(jié)合技術(shù)發(fā)展規(guī)律和國內(nèi)國際形勢,進行了課程思政建設(shè),避免了生搬硬套的“兩張皮”現(xiàn)象的出現(xiàn),基本可以達到潤物無聲的教學效果。

通過本課程的課程思政建設(shè)和教學實踐,教師的課程思政水平、傳道情懷、授業(yè)和解惑能力均得到了顯著提升。結(jié)合專業(yè)特點設(shè)計了課程思政教學體系,深度挖掘了課程思政元素,并將課程思政教學工作落實到了課堂教育,獲得了較為理想的教學效果。將價值觀引導工作與知識傳授和能力培養(yǎng)融為一體,落實了立德樹人根本任務(wù)。