三層次方法在光電子材料教學中的探索與實踐

張 斌

（中山大學 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510275）

引言

光電子芯片的快速發展是近年來半導體和光電子技術相融合的必然產物［1］。相較于傳統的電子芯片，光電子芯片使用光波作為信息傳輸和數據運算的載體，具有傳輸帶寬大、傳輸損耗小、時間延遲低的特點，在光通信、光互連、光計算、激光雷達、生物傳感和光量子等領域展現出巨大的應用潛力。此外，光電子芯片還有望應用于納米材料等生物與環境、科學領域，為相關研究提供更好的支持和可能性。光電子芯片的科學發展，將推動整個行業更加前沿化和有序化，為人類社會的進步奠定堅實的科學基礎。當前，國內的加工工藝線已經能夠完全滿足光電子芯片的加工需求，并且在技術研發和產業化方面都取得了重大進展。此外，政府也加強了對光電子芯片產業的支持力度，鼓勵企業加大研發投入，推動產業鏈的完善和發展。筆者相信，在這些支持和助力下，光電子芯片的應用前景和市場空間將更加廣闊，勢必會為科技進步和社會發展做出新的貢獻。

在更加注重基礎教育的高校中，光電子材料是一門交叉學科，融合了物理學、光電子學、電子學、信息技術等眾多學科的知識，在當今電子信息領域發揮了舉足輕重的作用。目前國內高校主要講光電子器件的基本原理、光電子器件與系統的設計和應用以及相對應的制備技術等知識。其中，“光電子材料”是光電信息科學與工程、微電子等專業的學生進一步學習光電子理論和光電子器件與技術的基礎理論課，也是他們今后從事光電子材料、器件和光電子系統應用相關領域的工作、生產、科研等的必修課程。所以關于光電子材料和光電子學的教學模式的討論，引起大家的廣泛關注和研究。

然而，當前光電子材料更多是從材料角度了解光電子基礎材料的基本概念和理論，主要涉及材料的物理和化學性質、制備方法和表征技術等，這是光電子學和光電子技術課程的重要組成部分，但僅僅了解光電子材料的基礎知識還不足以滿足光電子領域科研院所和企業對人才專業知識儲備的需求。在新工科的背景下，如果能夠將光電子材料、光電子學等基本原理和光電子器件與技術同光電信息系統應用的需求聯系起來，可以更加系統地培養學生對光電子器件和系統的基本理論和設計方法的認知，培養他們良好的工科思維，將理論與實際應用直接關聯，不僅可以開闊學生的視野，又可以鍛煉學生的探索能力［2-3］。因此，在新工科背景下，光電子材料課程的教學和學生的培養模式也需要不斷創新和拓展。

筆者從“教材編寫、教學模式創新、教學內容拓展、實踐課程設置”等方面綜合考慮，提出建立“基本原理—器件結構—系統應用”三層次系統性的教學方法，探討新工科背景下的光電子材料與光電子學的課程教學和學生培養模式。

一、“光電子材料”課程教學和學生培養現狀

（一）光電信息科學與工程專業的本科生課程教學和學生培養要求

針對新工科背景下對光電子芯片的發展要求，在課程設置上，通過對學生進行涵蓋光子學、光電子學相關的物理、器件和工藝技術等基本理論知識的系統教學，使學生深入掌握光子和光電子材料與技術，培養他們的學習和適應發展能力，以培養他們具備自主學習和終身學習的意識；在實踐訓練方面，通過開展科研實驗室、創新創業訓練計劃和研發基地等培養計劃，培養學生掌握科研開發的基本技能，并使之具備初步技術開發和研究能力，以培養他們綜合應用本專業知識、分析和解決復雜工程問題的能力。此外，光電子材料課程涉及多個學科交叉的知識體系，有助于學生開拓學科間的知識視野，能夠更好地滿足學生的學習需求和職業發展要求。

（二）“光電子材料”課程教學現狀

目前許多高校開展相關課程，為相關專業學生提供了必要的理論知識和實踐技能。針對光電子技術發展的需求，在對應實驗課程上，不少高校在光電子器件相關課程的基礎上開展了實驗教學平臺，有效地培養了學生獨立分析問題和解決問題的能力，讓學生掌握了光電子器件與系統的基本設計開發能力；在教學質量方面，借助現代信息技術，結合互聯網上的教學資源有效地提高了教學質量，拓寬了學生的知識面；另外，不少高校以開展創新訓練計劃，建立科研實驗室和研發基地等方式加大了對光電子器件相關課程的投入，滿足了學生自主開展實踐活動的需求，培養了學生針對復雜工程問題的分析能力和解決能力，提高了學生的團隊協作、創新創業和工程領導等能力，極大提高了本科課程教學中光電子器件相關課程的教學質量。

但在新工科背景下，光電信息領域行業發展對光電子器件相關課程的培養模式提出了更高的要求。而且，光電子學與光電子材料課程相關的教科書少之又少，僅有的教科書理論知識較深，難以銜接學生不同階段的課程內容，基礎薄弱的本科生難以掌握課程內的知識。所以，當前需要在多年光電子材料教學經驗的基礎上開展新的“光電子材料”課程教材的編著工作，讓學生銜接大學其他課程知識，更有效地掌握光電子學與光電子材料的課程知識。

而且當前經濟社會和產業發展需求要求學生掌握貫通光電子器件中關鍵科學理論和關鍵技術的物理機制、材料、器件結構和系統應用，因此需要創新和改革課程教學和學生培養模式。目前，關于課程教學和學生培養模式的研究還較少，是光電信息科學與工程專業教學的新課題之一。

二、“三層次”教學方法助力“光電子材料”課程的改革

（一）“三層次”教學方法在新體系教材編著中的探索

隨著光電子學和光電子器件領域理論和技術的快速發展，需要組織完善“光電子材料與器件”通用課程教材的編撰工作。現有的光電子學相關書籍主要是按照“光電子學中線性光學現象的基礎原理和常規器件結構”的邏輯框架介紹，對于已有一定基礎課程學習的電子信息類本科專業學生來說，存在內容繁雜、知識點與其他課程重疊過多的問題，給本課程的教學帶來了困擾。基于多年的“光電子材料”課程教學經驗和積累，筆者及教學團隊提出“三層次”教學方法，并著手編寫新體系教材《光電子學基礎與光電子材料》，以當代光通信系統中“光與物質的相互作用機理”為邏輯鏈，涵蓋激光產生、調制、傳輸與放大、探測，非線性的光學響應，以及光電子信息材料與器件的結構和制備工藝。相比原有教材，新教材以光電信息系統應用需求為主鏈，從基本機理出發，涵蓋基本原理和數學模型，定量闡述光電子材料參數對器件性能的影響，讓學生在結合物理光學和電動力學的基礎上，對光電子器件和系統應用，以及材料的結構和性質的形成具有更加基礎性的認識，為之后學習半導體器件和通信原理奠定更底層的認知和光學原理的基礎，使本課程更好地發揮承上啟下的作用。

（二）“三層次”教學方法在課程教學中的應用

光電子芯片發展，對“光電子材料與器件”課程的教學提出更高要求，把“三層次”教學方法應用到課程教學中將有助于學生形成清晰的專業課邏輯，達到更好的授課效果。培養學生建立基本原理到系統應用的思維方式，需要在理論和實踐上不斷協調和銜接，讓學生積極參與實踐操作，從而掌握實際操作技能和豐富的實踐經驗。與此同時，還需要鼓勵學生多方面思考和探究問題，培養學生的工科思維和創新精神，培養學生解決問題的能力和實際應用能力。因此，在教學過程中，強調光電子器件的基本原理與系統應用之間的關系，讓學生通過學習基本原理到器件結構的認識到系統應用的了解，將基本原理與應用相互關聯，形成完整的知識系統。在課程設計上，從光與物質的相互作用機理出發講述激光產生、調制、傳輸與放大、探測以及非線性的光學響應，形成一個鏈條式邏輯框架，在學生掌握以上基本原理的基礎上，進一步講解光電子器件和材料的結構和制備，將枯燥的理論公式和概念與現實生活中接觸到的光電子技術和各類光電器件聯系起來，讓學生更加容易理解和掌握，提高學生的學習興趣。在導論性質的課程教學中加入光電子學發展歷程和相關科學家的介紹，讓學生感受到科研工作者不畏困難、敢于探索、勇于創新的科學精神，培養學生積極向上、鉆研攻關的意志品質。同時，將理論課程和實驗操作相結合，在教學中頻繁引入應用案例和實際應用場景，鼓勵學生通過課外的實踐活動加強對所學知識的理解和應用。在學習和解決實際問題時，讓學生從多個角度觀察問題，綜合考慮問題的不同方面，從而培養其工科思維。

（三）“三層次”教學方法在課程實踐中的應用

“三層次”教學方法有助于改變傳統的灌輸式理論教學方式，積極探索多元化的教學方法，例如采取在線開放課程、科學實驗設計、科技應用競賽等方式，充分激發學生的學習熱情，有助于培養學生的學術性思維和科研寫作能力。此外合理規劃課程的理論性內容和實踐性內容比例，結合課程內容進行全面系統的分析，有意識地結合課程內容培養學生的實踐科研能力和創新思維，逐步引入具有綜合性、分析性、設計性的大型課業實踐環節，將實驗課程與理論教學緊密結合、相輔相成，加深學生對理論課程的理解。打破現有教學和實驗室之間的壁壘，開展微課題研究。通過短科研周期的微課題指導促進學生參與研究性學習，構建研究性學習組織系統，鼓勵學生積極參與各個實驗室中與本課程密切相關的實踐項目。在實踐課程中，由相對原理驗證型、演示型、簡單操作型實驗，逐步提高設計創新型、高級技能型、綜合型等實驗課比例。按照學生的專業發展需求對課程實驗進行設計和優化，找到學生的興趣點和知識掌握上的重難點，達到讓學生可更深入掌握實驗原理、培養學生創新能力、提高新工科時代人才培養有效性的目標。

（四）“三層次”教學方法在課程教學內容拓展中的探索

面對日益發展的光電子芯片技術以及經濟社會對新工科專業人才培養要求的變化，根據新工科的前沿動態與社會發展需求動態更新知識體系，“三層次”教學方法可以指導課程教學內容深度和廣度方面的拓展，繼續完善課程教學內容的改革，不斷審視和保證課程教學內容的有效性、穩定性、應用性和實踐性。課程教學內容要不斷跟進前沿的光電子技術的發展，持續更新教學內容，將具體科學技術的創新內容，甚至其他專業知識的拓展知識等課外知識加入課程教學內容當中，有針對性地選擇并重點強化某些知識點，對于一些與其他課程重復的老舊知識點進行篩選和壓縮，避免重復教學，同時根據學生的學科背景和先修知識，適當調整課程難度和深度，確保學生掌握核心的知識和技能。而相應地增加前沿光電子技術的相關知識，根據當前行業的熱點和趨勢，選擇具有前瞻性和應用性的知識點進行強化，結合學生的實際需求和興趣，對某些重要知識點進行著重強化，提高學生的學習效果和興趣，確保學生在有限的學時內對本課程有更加全面的學習。

（五）開辟校外課堂，拓展學生專業視野

在課堂教學以外，開辟校外課堂，提升學生對系統應用方面的直觀認識。可以組織學生前往光電子器件、光通信系統、光傳感系統等制造和運維企業等進行實地參觀，了解光電子學和光電子技術在實際應用中的情況，在與企業專家交流學習的過程中，幫助學生鞏固加深課堂所學的理論知識，使學生了解光電子行業的最新動態和生產流程，為今后就業打下基礎，從企業需求的角度拓寬學生對國內光電子產業發展的視野，提高學生對國內外光電子產業的認知，從而使學生更好地掌握相關知識和技能。此外可以邀請光電子學和光電子技術領域的專家和學者來校內舉辦講座或組織學生前往相關研究機構或學術會議進行交流學習，了解前沿的研究進展和最新技術動態，拓展學生的專業視野和創新思維。同時，做到及時調整課程內容，做到教學緊跟科學技術發展和市場需求。

結語

隨著新工科的發展，光電子芯片逐漸成為信息光電子技術領域的核心。在這個背景下，對更大帶寬、更高性能、更多功能的新一代光電子材料、器件和系統的的需求也越來越高，這也使得光電子基礎理論和光電子材料、器件、系統方面的課程教學變得越來越重要。我們從教材編寫、課程教學方法、學生培養模式、理論與實踐的結合以及教學模式體系等五個方面進行探討，提出了“基本原理—器件結構—系統應用”的三層次教學方法，讓學生從理論學習到實踐應用，提高其實踐能力和創新意識，拓寬其知識面和視野。在實驗和課程設計方面，我們應該鼓勵學生自主探究，提高其自主學習和問題解決的能力，借助多媒體教學和互動式教學，提高學生的學習興趣和主動性，促進其創新能力的發展。期望通過這些教學方法，能夠幫助學生更好地掌握光電子材料的基礎知識和應用技能，培養具有創新精神和實踐能力的光電領域應用型人才。