《半導體光電子學》課堂教學改革研究與實踐

梅紅櫻 周原 熊娟

【摘要】隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，學生獲取學習資源的方式越來越廣泛，教師在教學過程中要根據(jù)教學內(nèi)容和教學對象進行有效的課堂教學改革，改善教學效果，從而有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。針對半導體光電子學這門課程，通常理論知識比較難懂，學生學習起來枯燥無味，缺乏學習興趣，希望優(yōu)化課堂教學模式，使課程教學實效化，真正達到半導體光電子學方面的知識傳授與能力培養(yǎng)為一體的效果。

【關鍵詞】教學改革;半導體光電子學;課堂教學;理論與實踐

【基金項目】黃淮學院2019年度高等教育教學改革研究項目（編號：2019XJGLX0173）;黃淮學院2018年度高等教育教學改革研究項目（編號：2018XJGLX0112）;黃淮學院青年骨干教師資助計劃。

中圖分類號：G223? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04.087

半導體材料的導電性能在外界條件的干擾下會發(fā)生顯著的變化，因此半導體光電子器件已經(jīng)融入了我們生活的方方面面，一直是科學研究的熱點內(nèi)容。隨著科學技術的發(fā)展，電子科學與技術專業(yè)逐漸形成了以電子系統(tǒng)設計為基礎，以光電信息工程為方向的培養(yǎng)模式?！栋雽w光電子學》主要研究半導體材料中的電子與所受到的光子之間的相互作用，包括電子與光子之間相互作用的科學理論，也緊扣光電子器件的實踐應用，通常作為電子科學與技術專業(yè)的選修課程。這門課程涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎物理，也關聯(lián)著半導體光電子材料及其相關器件，在信息（光通信、光顯示等）、照明、光學儀器（激光精密測距、光纖傳感等）、加工（激光打印、激光切割、激光焊接等）、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。這門課程要求學生不僅從理論上掌握半導體光電子學的基本概念、基本理論和基本思想，更重要的是掌握一些半導體光電子器件的實踐技術，為將來從事半導體光電技術領域的科研、開發(fā)和應用工作奠定基礎。

半導體光電子學內(nèi)容涉及半導體光電子基礎和半導體光電子器件兩部分內(nèi)容，課堂中需要講解的知識點較多，課程的公式繁多，推導較為復雜，抽象難記，理論分析部分難于理解。因此，在有限的教學安排時間內(nèi)講解所有內(nèi)容對教師來說是一個挑戰(zhàn)。因此，基于這些現(xiàn)狀教師必須要進行課程改革，以達到相對較好的授課效果。在本課程的教學過程中，形成了以學生為中心，從教學內(nèi)容、教學方法和教學手段等多方面進行改革、嘗試，加強師生互動，講解深入淺出，擴寬知識面，加強理論與實踐結合等從多方面出發(fā)，改善教學效果，進而培養(yǎng)能掌握半導體光電子基礎理論及半導體光電子器件的面向世界的現(xiàn)代化專業(yè)人才。

1.課堂教學改革方式

1.1課堂教學內(nèi)容的改革

在教學內(nèi)容方面，第一是精選授課內(nèi)容，緊跟科學發(fā)展的步伐，做到與時俱進。這門課程既是基本的原理內(nèi)容，但又是滯后的材料和器件，若教師授課時只是按照教材內(nèi)容講解，往往導致內(nèi)容與技術發(fā)展脫節(jié)的后果。為了滿足對學生不同層次的需求，我們應及時更新教材內(nèi)容，以拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生不同層面，不同方向的興趣，為學生將來就業(yè)，升學做好充分的準備。例如，根據(jù)科學技術的發(fā)展，在半導體材料方面，增加新型二維半導體材料如石墨烯、二維過渡金屬硫化物、黑磷等相關材料的基本特性闡述，詳細解釋不同器件之間的異同之處以及器件能夠應用的領域;在光電檢測方面，除了介紹基本的光子和光熱等光電探測器外，增加現(xiàn)在應用比較普遍的太赫茲時域光譜的電光效應的檢測原理，相比其它探測器的優(yōu)越性，擴寬學生的知識面的同時也與社會的科研發(fā)展緊密結合，使授課內(nèi)容緊跟時代潮流。

第二是在授課過程中，讓學生明白教學內(nèi)容的重難點，也就是要讓學生輕松地理解教材中知識點的基本概念，學會發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的基本思路和方法。不建議學生過于注重繁瑣理論公式的推導，應正確理解公式中各物理量的含義，這樣有利于提高學生的學習興趣。如《半導體光電子學》中費米的“黃金定則”公式是從哈密頓量形式出發(fā)，利用薛定諤方程進行求解得到的，然而對于高等數(shù)學基礎知識比較薄弱的同學，求解起來可能比較困難，那教師在授課過程中要用易懂的語言講解公式的物理含義，即躍遷幾率，具體的推導過程視學生自己情況而定，以免影響學生的學習興趣。

第三是注重理論與實踐相結合，培養(yǎng)學生的動手能力，加深知識理解，提高學生興趣。理論與實踐的結合在教學領域一直受到高度評價。通過教師的理論傳授和學生的實驗操作，學生能夠及時完整地加深對于所學知識的理解與記憶。例如，在講解半導體中的載流子復合這一節(jié)內(nèi)容時，結合科研動態(tài)，從砷化鎵材料的超快電子學實驗入手，研究砷化鎵材料在不同波長、不同功率的泵浦光激發(fā)后載流子的動力學行為，主要包括光激發(fā)過程、散射過程以及載流子的復合過程，實驗測試其超快光譜并結合PPT動畫的形式描述載流子的變化過程，使學生更能直觀地理解載流子的變化，加深對復合過程中的弛豫時間的理解。針對激光應用技術等內(nèi)容進行講解時，結合激光精密測距實驗同時進行，通過了解時差法光電測距、相位法光電測距和三角法光電測距的基本原理，掌握激光傳感器測距的基本使用方法。實踐教學貫穿到理論教學中去，避免過多，繁雜的公式推導，突出半導體光電子學的“實踐”特色，培養(yǎng)學生具有理論聯(lián)系實際的本領，鍛煉學生的動手能力，提升學生學習的興趣。

1.2課堂教學方法的改革

在教學方法方面，根據(jù)學生的個體差異和實際情況，培養(yǎng)學生自主學習能力。為了達到有效的教學效果，我們改變以往“一言堂”的教學模式，注意實施互動式課堂教學方法。第一部分是半導體光電子理論，理論內(nèi)容是基礎，是這門課程的難點，所以這部分內(nèi)容由教師搜集相關通俗易懂的資料進行講授，學生課下需要進行復習、預習以及完成基本的課后作業(yè)。第二部分是半導體光電子器件，包括器件的發(fā)展歷史、構造原理以及應用領域，這部分內(nèi)容需要學生和教師配合完成。學生課下利用學校的圖書館和網(wǎng)絡資源自主查找資料，自主學習和總結，撰寫相應的報告，課上先由分組的學生進行講解，最后由教師進行總結，通過學生們自己動手搜索，并從文獻中總結，可以加深對理論知識的理解，了解這方面的研究動態(tài)，有利于培養(yǎng)學生的科研探索精神。

1.3課堂教學手段的改革

在教學手段方面，根據(jù)教學內(nèi)容合理采用教學手段，例如，授課教師利用傳統(tǒng)的黑板講授平板光波導理論中本征方程的推導，可以引導學生跟隨教師的思路，掌握本征方程的推導過程，鍛煉和活躍學生的思維。授課教師利用多媒體動畫演示半導體中的受激發(fā)射和受激吸收的過程，可以更好地理解發(fā)射幾率和吸收幾率。演示半導體中導帶電子和價帶空穴互相復合發(fā)射光子的現(xiàn)象，這樣能夠讓學生對抽象的概念有一定的感性認識。教師在課堂教學中開展多種教學方式，目的是采取切實有效的教學方法，努力引導學生去積極思考與討論問題，培養(yǎng)他們自主分析問題和解決問題的能力。

1.4課程考核的改革

在課程考核方面，除了平時考勤和作業(yè)之外，期末采用閉卷考試、自命題學期論文和實驗等形式進行考核，既有理論知識的檢驗，又有實驗動手能力的操作。大多數(shù)學生不重視學習過程，養(yǎng)成了在最后一刻磨槍的習慣。其實最終的評價標準不僅要看學生的考試成績，而且要與學期論文結合起來考察學生的掌握和應用知識的能力，達到真正的學以致用的效果。

2.結語

隨著現(xiàn)代化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的授課方式已不能滿足學生，通過研究和分析《半導體光電子學》這門課程教學中存在的問題，對其進行教學改革是學科發(fā)展的必然要求。同時，為了提高學生的主動性、積極性、自主學習的能力和團隊合作精神，主要從教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和課程考核等角度進行教學改革和實踐，改善教學效果，從而有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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