基于科教融合理念的半導體物理學課程教學模式探索與實踐

文章編號：1671-489X（2025）14-0070-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.14.070

0 引言

近年來，我國積極推進新工科建設，先后形成“復旦共識”“天大行動”。新工科建設強調高等工程教育要以學生為中心，以立德樹人為根本任務，通過繼承與創新、交叉與融合的方式培養具有創新思維和實踐能力的新型工科人才[1-2]。在新工科建設背景下，高等工程教育應從傳統的知識傳授轉變為理論與實踐有機統一、知識傳承和創新能力培養并重。2019年發布的《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》提出，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，以高水平科學研究提高學生實踐和創新能力[3]。因此，將科研與教學有機融合是高等學校培養新型工科人才的重要措施之一。教師通過科研活動不斷汲取新知識、更新知識結構，并將科研成果轉化為教學內容來反哺教學，推進課程教學改革[4-7]。在科教融合理念導向下，筆者在光電信息科學與工程專業的半導體物理學課程教學中不再固守對教材知識的講授，而是結合教師團隊的科研經歷不斷嘗試將科研成果融入課程教學實踐，探索科教融合教學模式，其總體框架如圖1所示。基于教師團隊在量子點材料和器件領域的研究成果，開展以講授基礎理論為主，案例教學、可視化教學和實踐觀摩為輔的一主三輔科教融合教學模式，加深學生對基礎理論的理解，提升學生的實踐創新參與度，拓展他們分析問題和解決問題的思維廣度，激發他們的學習興趣和動力，促進他們科學素養的提升，為提高半導體物理學課程教學質量和培養光電科學與工程專業新型工科人才打下堅實基礎。

1目前半導體物理學課程教學中存在的主要問題

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量[8]。半導體物理學課程是光電信息科學與工程專業的必修課程，是銜接物理科學與半導體技術應用的橋梁，在專業課程體系中具有重要地位，其教學質量直接關系到學生整體知識結構、能力結構的建立和發展，在專業教學活動中發揮著舉足輕重的作用。然而，傳統的半導體物理學課程教學難以適應新技術對人才培養的要求，主要表現在以下幾個方面。

1）該課程涉及數學、固體物理、量子力學、光電子學等多個學科領域，交叉性強，對學生的知識背景和自主學習能力提出較高要求，但學生的自主學習積極性不高。

2）課程內容抽象、知識點煩瑣、基礎概念和數學公式多、邏輯推導性強，教師常采用單向灌輸的教學方式，教學過程枯燥導致學生缺乏學習興趣。

3）半導體產業發展迅猛，新材料、新器件和新工藝不斷涌現，而半導體物理學教材內容更新較慢，最新的研究進展無法及時在教材中呈現，學生缺乏對半導體技術科研前沿的認識。

4）單一化的課程考核模式過于強調卷面分數而忽視對學生實際應用能力的訓練，與新工科創新型人才的培養目標相悖。

5）課程講授對象是 ⁶⁶00 后”大學生群體，他們具有一些顯著特點： ① 更傾向于追求自我實現和興趣導向的學習，希望能夠主動參與和探索感興趣的領域，尋求個人價值和意義； ② 能夠接受和理解事物的多樣性，對新事物抱有開放態度； ③ 數字化已成為他們生活的一部分，使用互聯網、智能設備和社交媒體的能力強。因此，過于重視教師講授、學生只是被動接受的傳統教學模式不能適應當代大學生的特點，也難以完成半導體物理學課程的教學目標。

2科教融合教學模式探索

半導體物理學課程教學重點和目標包括：讓學生掌握半導體材料的基本原理與特性、半導體器件的工作原理及應用，培養學生運用半導體物理知識分析和解決實際問題的能力。針對半導體物理學課程內容特點和授課對象的特點，教學團隊以科教融合理念為導向，將科研項目和研究課題中與半導體物理學課程內容緊密對接的成果提煉為教學素材，融入課程教學，循序漸進地培養學生的科學素養。量子點發光器件作為一種新型光電器件，在平板顯示、固體照明和柔性器件領域占據重要地位，是近年來半導體領域的研究熱點。光電信息科學與工程專業的教師在量子點合成和量子點發光器件制備方面開展研究工作已有十余年，積累了豐富的科研經驗。在教學實踐過程中，授課教師結合科研經歷以量子點合成和量子點發光器件制備為重點，在講授半導體物理基礎理論時適時引入基礎知識在量子點領域的應用，通過科教融合方式，將前沿研究進展、科學研究方法和科學思維方式融入教學活動，提升學生理論與實踐相結合的能力和創新思維能力。

2.1利用科研前沿構建教學案例

量子點發光器件是一種典型的半導體器件，無論是量子點的制備工藝、發光機制，還是器件結構、工作原理，都與半導體物理學的基礎理論密切相關。實踐教學過程中，教師首先對課程基礎理論知識進行梳理，深挖教學內容，幫助學生掌握知識重點，突破知識難點。同時，在科教融合理念導向下，選取適合轉化成課堂教學內容的量子點方面的科研成果建立教學案例庫。在講解半導體物理學的基礎理論期間，通過講授、討論、翻轉等教學形式恰當引入應用案例，加深學生對基礎理論的理解，激發學生探究半導體物理學問題的興趣。表1總結了《半導體物理學》教材中各章知識點在量子點合成和量子點發光器件方面的典型應用案例。

1）在實踐教學過程中，教師可以在講解基礎理論之后，通過問題導入式、對比式等方式引入應用案例，并組織學生圍繞教學內容和案例素材展開分組探討。例如，在講解半導體電子共有化運動形成由準連續能級構成的能帶后，教師介紹量子點一般是指直徑小于10納米的零維納米晶體，又稱為人造原子，具有優越的物理性能，并通過播放量子點在顯示、照明和生物醫學等領域應用的視頻資料引起學生的興趣。此時，教師提出問題：“量子點的晶粒尺寸很小，它的能帶結構如何？會不會產生特異的現象？”將學生分組并讓他們利用電子工具查找相關文獻資料。

學生初次接觸量子點時，不能很好地理解文獻資料中的內容。教師可以引導學生一起歸納問題的答案：由于量子點的尺寸很小，電子一空穴對被限域在幾個納米的尺度范圍，導致量子點的能帶表現為類似于分子的分立能級，而且能級間距隨著晶粒尺寸的減小而增大，從而導致量子點的發光顏色隨著晶粒尺寸的減小而藍移。因此，可以在保持組成不變的前提下，通過尺寸調控獲得不同發光顏色的量子點。同時，教師布置課后作業：除量子尺寸效應外，量子點還有什么特性，怎么合成量子點？讓學生課后利用網絡資源查找答案，并鼓勵學生進行分享和討論，為后續課程中量子點的性能分析做好鋪墊。

表1《半導體物理學》教材中知識點在量子點合成和量子點發光器件方面的應用

2）在實踐教學過程中，教師也可以對教學案例先行簡單介紹，并拋出物理問題，讓學生帶著問題學習基礎理論，思考如何運用在課堂中學到的知識分析問題。例如，在學習第四章“載流子的遷移率”前，教師可以先介紹典型量子點發光器件結構（圖2）。然后拋出“為什么發光器件需要多個功能層？”“什么材料適合做功能層？”等問題，讓學生帶著問題開始學習載流子的遷移率。講授基礎理論之后，引導學生嘗試利用已經掌握的理論知識分析問題。半導體材料中如果電子遷移率大于空穴遷移率，將引起發光器件中載流子不平衡，教師就此繼續提問：“如何實現器件中載流子平衡？”經過前面的學習，學生會容易給出回答：提高空穴注入或減少電子注入。進而，教師追問：“如何提高空穴注入效率、抑制電子注入？”以一系列的問題讓學生對發光器件中載流子傳輸問題產生強烈的研究興趣。平衡載流子是目前量子點發光器件研究的熱點問題，國內外許多課題組都在做這方面的研究工作。教師就此布置課后文獻閱讀作業，讓學生總結在量子點電致發光器件中實現載流子平衡的策略，并邀請學生在課堂上以PPT形式分享答案，教師予以點評。

3）通過翻轉課堂活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣。案例式教學模式是實現科教融合的一種有效教學模式。利用啟發和探究教學方法引導學生探索教學案例的相關問題，通過提出問題、分析問題、解決問題讓科研前沿潛移默化地融入教學過程，使半導體物理學中的重要知識點和基本原理與科研前沿有機融合。學生在探索過程中不斷獲取知識、發展技能、培養能力，既能夠開闊視野，也能夠感受到運用所學理論知識分析問題、解決實際問題的樂趣。學理論、練思維，層層相扣，使學生的知識建構能力和創新思維能力得到提升。

圖2典型量子點發光器件結構

2.2利用科研工具實現教學內容可視化

科研工具是科學研究中理解概念、收集數據和分析數據的重要手段[9-10]。教師在實踐教學過程中適時向學生介紹科學研究中常用的新型軟件工具，利用科研工具改變傳統的知識傳授方式，將抽象的概念、原理以直觀、圖形化的方式展示給學生，使枯燥的理論教學變得更容易接受，促進學生理解和掌握半導體物理學理論知識，同時了解分析測試數據的方法。例如，利用MATLAB、VESTA等軟件計算鈣鈦礦量子點的能帶結構和狀態密度，分析材料的能級分布和禁帶寬度，理解狀態密度函數隨能量的變化關系；利用Origin軟件基于量子點的吸收光譜計算出材料的光學禁帶寬度和計算載流子壽命、分析載流子復合過程。利用科研工具實現課程內容可視化教學，讓學生直觀感受半導體物理學理論在科學研究中的應用，既充分調動學生的學習積極性，也培養學生嚴謹的工科素養。

2.3利用科研平臺開展觀摩實踐

實踐是最好的課堂。除了將前沿科研引入課堂教學內容外，利用科研平臺讓學生直接接觸與半導體物理學理論內容相關的實驗工藝，能更好地實現科研反哺教學育人的理念。教師帶領學生參觀學校信息技術學院的吉林省光電子材料與器件工程研究中心的科研實驗室，觀摩研究生利用熱注入法制備鈣鈦礦量子點、利用水熱法制備氧化鋅量子點、利用溶液旋涂法制備鈣鈦礦薄膜的工藝，量子點太陽能電池發光器件的制備工藝和性能測試方法，讓本科生和研究生組成科研小組并利用課余時間進行實踐訓練，鼓勵本科生與研究生合作發表學術論文。學生將課堂上學習的理論知識與課后實踐活動緊密銜接，能夠在學習中獲得成就感，提升實踐應用能力、創新能力和團隊協作意識。部分學生主動申請加入教師課題組進行相關研究，并以科研實踐成果為基礎開展大學生創新創業項目實踐、參加專業學科競賽。2023年諾貝爾化學獎頒發給在量子點發現、合成和應用方面作出開拓性貢獻的三位美國科學家，進一步引起了學生對量子點的關注，增強了學生學習半導體物理學課程的興趣。濃厚的興趣和強烈的求知欲成為學生學習的動力，課程教學效果因此顯著提升。

2.4建立多元化課程考核方式

科教融合的目的是增強學生對理論知識的理解，培養其實踐能力和創新能力。因此，半導體物理學課程的評價體系也需要對傳統的考核方式進行改革，從注重理論知識考核向理論與實踐并重方式轉變。半導體物理學課程考核由“ 60% 期末閉卷考試 +20% 專題討論 +20% 課堂表現和課后思考問題的完成情況”三部分構成。

1）期末試卷中除了考查學生對半導體物理學基礎的掌握程度外，還引入適當比例的有關量子點材料與器件性能分析的拓展試題，綜合考查學生利用所學知識分析問題和解決問題的能力。

2）專題討論課安排在課程后期，鼓勵學生以文獻匯報形式介紹半導體材料在光電器件領域的實際應用，重點考查學生對量子點材料與器件基本原理的理解和對熱點研究問題的思考角度和深度。

3）課堂表現和課后思考問題部分重點考查學生在課堂上參與問題討論的表現和課后實踐任務的完成情況，從而培養學生理論與實踐有機結合的能力。

多元化的課程考核方式能夠比較全面地反映學生的學習效果，檢驗教學目標的達成度。

3科教融合教學模式實踐效果

科教融合教學模式使半導體物理學課程教學效果得到明顯提升。該課程連續三年的教學評價結果為優秀。學生非常喜歡將科研成果融入課程教學的教學模式，在教師指導下積極申請大學生創新項目、參加學科專業競賽，并取得優異成績。2022—2024年，光電信息科學與工程專業的學生申請國家和省級大學生創新項目十余項，參加全國大學生光電大賽23項并獲得三等獎兩項，部分學生研究生階段的研究方向選擇了量子點材料與器件相關領域。教學督導對基于科教融合教學模式的半導體物理學課程的教學改革和教學效果也給出了高度評價。此外，在本課程的教學改革中，教師團隊積累了豐富的教學經驗與教學資源，獲批多項省級、校級教學改革項目。

4結束語

根據半導體物理學課程特點和地方普通本科院校在該課程教學實踐中存在的問題，筆者利用科研成果反哺教學，探索“基礎理論"⁺"案例教學 + 可視化教學 + 觀摩實踐”的一主三輔科教融合教學模式，激發學生的學習興趣，幫助他們加深對半導體物理學理論知識的理解，提升綜合運用能力、實踐能力和創新思維，為未來在半導體物理學領域的學習和工作打下堅實基礎。

5 參考文獻

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動［J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 黃云清.基于新工科理念推進大學數學教學改革［J].中國大學教學，2020（增刊1）：28-31.

[3] 教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見[J].中華人民共和國教育部公報，2019（9）：26-30.

[4]錢娟，劉洋，劉圣彬.新文科視角下基于科研項目牽引的經濟學類課程研究型教學模式探索與實踐［J].高教論壇，2023（2）：47-54.

[5] 王愛鮮，崔旭冉.復合型卓越法治人才培養視域下科研育人模式的探索與創新[J].中國大學教學，2024（增刊1）：25-30，38.

[6] 袁媛，朱星平，趙子維.本科教育層次科教融合式培養模式研究[J].高教學刊，2024，10（14）：156-159.

[7] 張金，劉飛，楊娟，等．“信號與系統”課程科教融合型教學案例探索[J].電氣電子教學學報，2024，46（2）：142-146.

[8] 施佳歡，蔡穎蔚，鄭昱．一流本科課程建設的實踐路徑：以南京大學優質課程建設為例［J].中國大學教學，2021（4）：49-53.

[9] 王樹義，張慶薇，張晉.AIGC時代的科研工作流：協同與AI賦能視角下的數字學術工具應用及其未來［J].圖書情報知識，2023，40（5）：28-38，126.

[10] 伏洋洋，董大興，劉友文.關于前沿研究融入電動力學課程教學的探索[J].物理通報，2022（4）：16-20.