構(gòu)建材料與器件的銜接橋梁創(chuàng)新《材料物理性能》課程教學(xué)模式

張小文　許積文　楊玲　馬傳國(guó)　陳國(guó)華

摘要：現(xiàn)代前沿科技的發(fā)展越來(lái)越依賴學(xué)科交叉，材料與器件是當(dāng)今高新技術(shù)發(fā)展的重要基石。根據(jù)材料類專業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，如何對(duì)材料類專業(yè)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革使其更加符合學(xué)科交叉人才培養(yǎng)的要求，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文以《材料物理性能》課程為改革實(shí)踐對(duì)象，在理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面優(yōu)化課程設(shè)計(jì)并搭建相應(yīng)的軟硬件平臺(tái)，將材料性能、器件構(gòu)筑、測(cè)試分析以及大型儀器設(shè)備的使用等方面知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了材料與器件的銜接橋梁，探索了一種新型的教學(xué)模式。在我校材料類專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐表明該教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：材料物理性能；材料；器件；橋梁；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）04-0124-03

材料與器件是集先進(jìn)材料制備技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)與制備以及器件封組裝技術(shù)于一體的新型交叉學(xué)科，是當(dāng)今高新材料發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代制造技術(shù)是伴隨著先進(jìn)材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的發(fā)展而不斷進(jìn)步的，器件也是材料向下游供給鏈發(fā)展的必經(jīng)之路。材料類專業(yè)，包括材料科學(xué)與工程專業(yè)、冶金工程專業(yè)、金屬材料工程專業(yè)、無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)、高分子材料與工程專業(yè)、復(fù)合材料與工程專業(yè)等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著舉足輕重的地位，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)[1]。伴隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會(huì)對(duì)創(chuàng)新性綜合型人才的需求，材料與器件作為相互獨(dú)立又密切關(guān)聯(lián)的兩大領(lǐng)域，如何在高等學(xué)校材料類專業(yè)的大學(xué)生課程教育方面開展材料與器件之間的銜接逐步受到關(guān)注，也成為目前高等學(xué)校材料類專業(yè)課程與教學(xué)模式改革探索的內(nèi)容之一。本文嘗試以《材料物理性能》課程為改革實(shí)踐對(duì)象，基于教師們近年來(lái)在半導(dǎo)體材料與器件方面的研究成果，開展科教協(xié)同，在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐兩方面探索如何搭建材料與器件的銜接橋梁。在教學(xué)模式上將材料性能、器件構(gòu)筑、性能測(cè)試和大型儀器設(shè)備使用進(jìn)行有機(jī)融合，充分體現(xiàn)了課程教學(xué)的創(chuàng)新性與綜合性。

一、創(chuàng)新教學(xué)模式的必要性

材料與器件涉及到材料科學(xué)與工程方面的知識(shí)和半導(dǎo)體器件物理方面的內(nèi)容，在材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究材料的結(jié)構(gòu)、成份、工藝與性能，而在器件方面著重研究器件設(shè)計(jì)、制備工藝、性能、可靠性以及封組裝。從字面上理解，新型課程或綜合型課程與《大學(xué)物理》、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《半導(dǎo)體物理》、《材料物理性能》、《半導(dǎo)體器件》等課程的教學(xué)模式并無(wú)太大區(qū)別，依然可以沿用理論講解并輔以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的教學(xué)特色。然而，材料與器件的結(jié)合是極具創(chuàng)新能力的交叉學(xué)科，是隨著時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展及完善的，而且隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，學(xué)科交叉產(chǎn)生的研究成果甚至是顛覆性的。材料與器件作為相互獨(dú)立又密切關(guān)聯(lián)的兩大領(lǐng)域，如何搭建材料與器件的銜接橋梁成為探索材料類專業(yè)課程教學(xué)模式的焦點(diǎn)之一[2，3]。具體來(lái)說(shuō)是如何讓材料工作者充分透徹地理解并掌握器件的需求，根據(jù)器件的性能和使用要求反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)材料的性能、組成成份、微觀結(jié)構(gòu)和制備工藝，這對(duì)于拓展材料的應(yīng)用，提高材料的附加值，培養(yǎng)創(chuàng)新性綜合型材料類專業(yè)的大學(xué)生具有十分重要的實(shí)際價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

另一方面，以實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的卓越工程師計(jì)劃以及工程教育論證體系的實(shí)施[4，5]，高等學(xué)校大學(xué)生理論講授總課時(shí)在一定程度上需要減少，并增加實(shí)踐的學(xué)時(shí)數(shù)，這往往伴隨著部分課程的合并與改革，例如目前部分高校材料類專業(yè)的《無(wú)機(jī)化學(xué)》與《分析化學(xué)》合并成為《無(wú)機(jī)與分析化學(xué)》[6]，《材料物理性能》與《材料力學(xué)性能》合并成為《材料性能學(xué)》[7]。因此，在知識(shí)總量不斷增加而課時(shí)數(shù)被減少的雙重背景下，創(chuàng)新課程教學(xué)模式勢(shì)在必行。

二、課程設(shè)計(jì)與理論教學(xué)模式探索

《材料物理性能》課程涵蓋材料熱學(xué)、磁學(xué)、導(dǎo)電性、介電性、光學(xué)等內(nèi)容，在理論教學(xué)過(guò)程中，著力探索材料性能與相應(yīng)器件構(gòu)建在原理上的有機(jī)結(jié)合，搭建材料與器件的銜接橋梁。我們?cè)趯?duì)材料性能基本概念、相關(guān)機(jī)理詳細(xì)講解的基礎(chǔ)上，將單一性能或多種性能綜合的復(fù)合性能進(jìn)行深入剖析，闡明材料性能的潛在應(yīng)用前景，從原理與工作機(jī)制上構(gòu)建潛在的器件，探索器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)，從而搭建材料與器件的銜接橋梁。課程改革對(duì)《材料物理性能》中材料與器件銜接的部分示例概括如表1所示。

思想是行動(dòng)的指南，教師要鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新思維、充分發(fā)揮知識(shí)的智力因素，建立創(chuàng)新意識(shí)。這要求教師在課程教學(xué)模式上激勵(lì)學(xué)生大膽探索、勇于突破傳統(tǒng)概念，把以往的“問(wèn)答”式教學(xué)向“對(duì)話型”和“辯論型”轉(zhuǎn)變，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)。例如，我們?cè)谥v解材料電光轉(zhuǎn)換特性這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，不僅僅把電光轉(zhuǎn)換性能應(yīng)用于光電子器件方面，還需要幫助學(xué)生弄清楚注入的電子數(shù)轉(zhuǎn)換成光子數(shù)的概率，進(jìn)而闡明器件量子效率（包括內(nèi)量子效率和外量子效率）的概念與內(nèi)涵[8]。將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步升華，和學(xué)生共同探討器件設(shè)計(jì)和封裝如何提高或降低量子效率，并闡述相關(guān)原理和機(jī)制，使學(xué)生全面系統(tǒng)地理解并掌握電光轉(zhuǎn)換特性方面的知識(shí)內(nèi)容。

摩爾定律早就預(yù)言半導(dǎo)體的集成度或性能每隔18-24個(gè)月就要提高一倍而生產(chǎn)成本基本保持不變，并且得到了實(shí)踐證明。這意味著，材料制備工藝、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與封組裝等知識(shí)都在不斷地更新，而且更新速度極快。然而半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展到今天的超高集成化，器件的集成度已不可能無(wú)限制地增加，并伴隨著摩爾定律將開始失效，這就要求教師對(duì)大學(xué)課程的教學(xué)模式需要不斷更新，引導(dǎo)學(xué)生不僅僅從集成度這個(gè)角度去思考器件的發(fā)展方向，還要逐步轉(zhuǎn)向其他知識(shí)面，如多功能化、環(huán)保低碳生產(chǎn)工藝等。以薄膜晶體管為例，在器件設(shè)計(jì)與制備工藝方面不能一味地強(qiáng)調(diào)提高集成度，而應(yīng)該往高場(chǎng)效應(yīng)遷移率、高開光比以及全透明、可柔性等新型應(yīng)用方面發(fā)展。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式探索

在創(chuàng)新理論教學(xué)模式上需要輔以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，最大程度地提高學(xué)生的創(chuàng)新思維?！恫牧衔锢硇阅堋氛n程根據(jù)教學(xué)內(nèi)容也配套有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)上，除了極個(gè)別驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以外，絕大多數(shù)為創(chuàng)新性綜合型實(shí)驗(yàn)。結(jié)合教師們近年來(lái)在半導(dǎo)體材料與器件方面的研究成果和部分科研平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中為大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)打造了較為全面的硬件和軟件設(shè)施，部分綜合性實(shí)驗(yàn)舉例如表2所示。endprint

通過(guò)對(duì)專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與完善，為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)提供了重要保障，并為學(xué)生深入探討實(shí)驗(yàn)原理和器件工作機(jī)制提供了更多的業(yè)余空間。一方面，根據(jù)器件的性能參數(shù)和工作機(jī)制，反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)特征以及器件所需材料的性能要求和制備工藝，將材料與器件進(jìn)行有機(jī)銜接；另一方面，在開展材料與器件制備、參數(shù)測(cè)試、機(jī)理分析等方面的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中讓學(xué)生充分了解并掌握大型儀器設(shè)備的工作原理、操作步驟和功能特色，將材料類專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)與大型儀器設(shè)備的使用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，充分拓寬學(xué)生的知識(shí)面。在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生還可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成更多的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

此外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師和學(xué)生一起討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的創(chuàng)新點(diǎn)和取得的創(chuàng)新性成果，對(duì)一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果組織學(xué)生進(jìn)行深入研究，將其提升為科教協(xié)同或者實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行獨(dú)立研究，其研究成果申請(qǐng)專利，并以論文形式公開發(fā)表。

工程教育認(rèn)證明確要求學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[5]，而學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)需要從基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課等各門通識(shí)課程中逐步得到鍛煉，不能僅僅寄托于畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），在《材料物理性能》課程教學(xué)模式上創(chuàng)新性地搭建起材料與器件的銜接橋梁，這正好為培養(yǎng)學(xué)生如何解決復(fù)雜工程問(wèn)題提供了實(shí)際鍛煉。另外，《材料物理性能》課程的實(shí)驗(yàn)課搭建的創(chuàng)新性硬件平臺(tái)與教學(xué)模式也為材料類專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)提供了重要參考和指導(dǎo)價(jià)值，同時(shí)，也為研究生課程《材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)》提供了重要的平臺(tái)保障。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以《材料物理性能》課程為改革實(shí)踐對(duì)象，圍繞理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐兩方面的課程設(shè)計(jì)與平臺(tái)搭建，將材料性能、器件構(gòu)筑、測(cè)試分析以及大型儀器設(shè)備的使用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了材料與器件的銜接橋梁，探索了一種新型的教學(xué)模式。教學(xué)效果表明，這種新型教學(xué)模式是切實(shí)可行的，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙振業(yè).材料科學(xué)與工程的新時(shí)代[J].航空材料學(xué)報(bào)，2016，36（3）：1-6.

[2]安春愛，米曉云，柏朝暉.淺談新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)[J].長(zhǎng)春教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，28（6）：107-108.

[3]付坤，王金國(guó).材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（4）：203-206.

[4]林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革[J].高等工程教育研究，2011，（5）：1-9.

[5]林健.工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015，（2）：10-19.

[6]王英健，尹兆明.無(wú)機(jī)與分析化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7]王從曾.材料性能學(xué)[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[8]S.R.Forrest，D.D.C.Bradley，M.E.Thompson.Measuring the efficiency of organic light-emitting devices [J].Advanced Materials，2003，15（13）：1043-1048.endprint