張均營(yíng) 侯志靈 邵曉紅 馮志芳 林承友
摘? 要:電子材料導(dǎo)論是我校電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課,是電子材料與器件專(zhuān)業(yè)方向的核心課程。針對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)、電子材料導(dǎo)論課程的特點(diǎn),本文重點(diǎn)介紹了該課程的現(xiàn)行的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容,進(jìn)而分析了現(xiàn)行教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和不足之處。最后給出了更加合理、可行的理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革方案、豐富有效的教學(xué)手段以及科學(xué)合理的考核方式,為本課程的發(fā)展提供了借鑒意義。
關(guān)鍵詞:電子科學(xué)與技術(shù)? 電子材料導(dǎo)論? 教學(xué)改革? 理論教學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 教學(xué)手段? 考核方式
中圖分類(lèi)號(hào):G420 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-098X(2021)03(a)-0229-04
Teaching Reform Plan of Introduction of Electronic Material Course for Electronic Science and Technology Major
ZHANG Junying? HOU Zhiling? SHAO Xiaohong? FENG Zhifang? LIN Chengyou
(College of Mathematics and Physics, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029 China)
Abstract: Introduction of electronic material course is a professional elective course of electronic science and technology major and also a core course of electronic material and device direction. According to the characteristics of electronic science and technology major and the characteristics of introduction of electronic material course. This paper mainly introduces the current theoretical teaching and experimental teaching contents of this course and further analyzed the characteristics and shortcomings. Finally, we provided a more reasonable and feasible theoretical teaching and experimental teaching content reform plan, abundant and effective teaching methods, scientific and reasonable assessment methods, which may provide reference significance for the development of this course.
Key Words: Electronic science and technology; Introduction of electronic material; Teaching reform; Theory teaching; Experiment teaching; Teaching methods; Assessment methods
信息科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類(lèi)進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響,信息技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵要素。進(jìn)入21世紀(jì),信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展依然是經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量之一,發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)是推進(jìn)新型工業(yè)化的關(guān)鍵。我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中,將信息技術(shù)列為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)之一。電子信息技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展領(lǐng)域,需要大量專(zhuān)業(yè)人才,電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)承擔(dān)著電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。作為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的主干學(xué)科,電子科學(xué)與技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)“電科”)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)具備包括物理電子學(xué)、微電子與固體電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?zhuān)業(yè)知識(shí)的高級(jí)技術(shù)人才和管理人才[1-2]。學(xué)生主要學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理、物理電子、光電子、電子材料、光—電檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域的基本理論和基本知識(shí),受到相關(guān)的信息電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的基本訓(xùn)練,掌握各種電子材料及工藝、器件及系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具有一定研究與開(kāi)發(fā)的基本能力。畢業(yè)生工作選擇主要集中在微電子、光電子、電子信息、集成電路等相關(guān)行業(yè),許多畢業(yè)生目前已經(jīng)成為技術(shù)首席、研發(fā)負(fù)責(zé)人等,為我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做著貢獻(xiàn)。
目前,我國(guó)在芯片技術(shù)、智能裝備和機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)人才急缺,急需培養(yǎng)多學(xué)科交叉的人才。人工智能、印刷電子、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,集成電路領(lǐng)域的諸多卡脖子問(wèn)題急需培養(yǎng)大量相關(guān)領(lǐng)域高技術(shù)人才。作為綜合研究型大學(xué),我校電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)應(yīng)更注重研究型人才的培養(yǎng),在培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和科學(xué)思維。結(jié)合國(guó)家重大需求,需調(diào)整優(yōu)化我校電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程培養(yǎng)方案,完善戰(zhàn)略性電子材料專(zhuān)業(yè)方向。從而滿(mǎn)足新工科背景下對(duì)創(chuàng)新型人才的迫切需求,推動(dòng)一流學(xué)科建設(shè),實(shí)現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、復(fù)合型人才”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。
電子材料導(dǎo)論作為我校電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課,是電子材料與器件專(zhuān)業(yè)方向的核心課程,是磁性材料與器件、光電子技術(shù)、微波技術(shù)、表面與界面物理及半導(dǎo)體物理等課程的重要前期課程,是電子材料領(lǐng)域最為重要課程之一[3]。同時(shí),課程涉及的導(dǎo)電漿料、新型電阻材料、超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料及介電材料都是涉及多種材料領(lǐng)域的重要研究課題。因此,電子材料導(dǎo)論課程的學(xué)習(xí),不僅可以支撐本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo),同時(shí)也為其從事相關(guān)材料領(lǐng)域的科學(xué)研究奠定了理論和知識(shí)基礎(chǔ)。作者根據(jù)自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在總結(jié)課程現(xiàn)行的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上,分析了現(xiàn)行教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)和不足之處。最后給出了更加合理、可行的理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革方案、豐富有效的教學(xué)手段以及科學(xué)合理的考核方式,為本課程的發(fā)展提供了借鑒意義。
1? 電子材料導(dǎo)論課程教學(xué)現(xiàn)狀
1.1 電子材料導(dǎo)論課程理論教學(xué)內(nèi)容
該課程目前理論教學(xué)內(nèi)容包括電子材料概論、電子材料的分析和表征、導(dǎo)電材料、電阻材料、超導(dǎo)材料和電介質(zhì)材料六個(gè)部分。其中電子材料概論部分,包括電子材料的分類(lèi)與特點(diǎn)、無(wú)機(jī)電子材料、實(shí)際晶體、非晶體和準(zhǔn)晶、電子材料的表面與界面及電子材料的應(yīng)用與發(fā)展;電子材料的分析和表征部分,包括電子材料化學(xué)成分分析方法、X射線衍射分析法、顯微分析法、表面界面分析技術(shù)、掃描探針技術(shù)、光譜分析技術(shù)和熱分析技術(shù);導(dǎo)電材料部分,包括導(dǎo)電材料的性質(zhì)與分類(lèi)、金屬導(dǎo)電材料、電極及電刷材料、厚膜導(dǎo)電材料和薄膜導(dǎo)電材料;電阻材料部分,包括電阻材料概述、電阻材料概述、厚膜電阻材料、薄膜電阻材料以及精密金屬膜電阻材料;超導(dǎo)材料部分,包括超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)歷程、超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用、低溫超導(dǎo)材料、高溫超導(dǎo)材料以及新型超導(dǎo)材料;電介質(zhì)材料部分,包括電介質(zhì)材料的一般性質(zhì)、電介質(zhì)材料的一般性質(zhì)、裝置陶瓷以及電容器介質(zhì)材料。通過(guò)上述理論知識(shí)學(xué)習(xí),讓學(xué)生掌握電子材料的分類(lèi)以及具體應(yīng)用領(lǐng)域,了解一些必需的材料分析表征手段;掌握導(dǎo)電材料、電阻材料的性能描述的物理量以及影響其性能的因素;掌握導(dǎo)電材料、電阻材料、厚膜和薄膜材料的制備方法工藝條件和性能之間的關(guān)系;了解超導(dǎo)材料的性能表征指標(biāo)以及超導(dǎo)材料的研發(fā)過(guò)程和方法,與科學(xué)最前沿研究緊密接觸,拓展思維寬度和深度;掌握電介質(zhì)材料的相關(guān)概念,了解功能材料如鐵電、壓電及熱釋電等材料的應(yīng)用和研究方向。培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用電子材料基礎(chǔ)知識(shí)、材料制備方法,材料分析手段實(shí)現(xiàn)原材料的選擇、制備、表征和應(yīng)用的能力。
1.2 電子材料導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
該課程目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括四個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn),包括:實(shí)驗(yàn)一,直流濺射法制備導(dǎo)電薄膜材料;實(shí)驗(yàn)二,蒸鍍法制備低熔點(diǎn)有機(jī)介電薄膜;實(shí)驗(yàn)三,萬(wàn)能電橋的使用;實(shí)驗(yàn)四,硅光電池特性研究。通過(guò)材料性能測(cè)試以及自己制備材料實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)所具有的能力進(jìn)行材料制備,發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題通過(guò)有關(guān)手冊(cè)、參考書(shū)和文獻(xiàn)資料的查閱及整理,提出問(wèn)題解決方案的能力。掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備(包括直流濺射儀、熱蒸發(fā)裝置、電子天平、萬(wàn)用電橋和光電性能檢測(cè)儀等)的使用和日常維護(hù)。
2? 電子材料導(dǎo)論課程教學(xué)改革方案
2.1 電子材料導(dǎo)論課程理論教學(xué)內(nèi)容改革方案
筆者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn),對(duì)本課程理論教學(xué)提出以下改革方案。首先,在該課程目前理論教學(xué)的六部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上;密切聯(lián)系當(dāng)前國(guó)家及產(chǎn)業(yè)的重大需求,結(jié)合相關(guān)材料領(lǐng)域的科研前沿動(dòng)態(tài),在課程教學(xué)中加入上述相關(guān)內(nèi)容,總結(jié)歸納形成課程教學(xué)專(zhuān)題。
例如,當(dāng)前材料表征方法中的原位表征測(cè)試,包括原位TEM、原位XRD測(cè)試等對(duì)于深入研究材料領(lǐng)域的反應(yīng)機(jī)理、動(dòng)力學(xué)過(guò)程等基礎(chǔ)問(wèn)題具有非常重要的作用[4]。另一方面,新型功能材料的發(fā)展日新月異,2020年Nature期刊封面文章報(bào)道的室溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)。這種氫化物材料,能在15°C的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電[5]。新型熱電材料[6]以及介電材料[7]等迅速發(fā)展。聚焦新型半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及核心芯片等卡脖子技術(shù)方面涉及的電子材料的國(guó)家重大需求,結(jié)合我校在戰(zhàn)略性電子材料領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì),增加相關(guān)專(zhuān)題的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)的講解,彰顯我校在微電子與固體電子學(xué)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)特色,為突破新型半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及核心芯片等卡脖子技術(shù)方面的高端人才培養(yǎng)做出積極貢獻(xiàn)。這些重要的新理論、新材料、新技術(shù)的集中講解對(duì)于豐富本課程的內(nèi)容和加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解都非常重要。
2.2 電子材料導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革方案
結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)硬件條件,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加綜合性、創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)是人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要組成部分[8]。筆者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室條件,對(duì)該課程目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的4個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革。首先,根據(jù)理論教學(xué)重點(diǎn)和前沿研究領(lǐng)域更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。更新后的實(shí)驗(yàn)包括:實(shí)驗(yàn)一,磁控濺射法制備導(dǎo)電薄膜;實(shí)驗(yàn)二,四探針?lè)y(cè)量電導(dǎo)率;實(shí)驗(yàn)三,基于微電子打印機(jī)的電路設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)四,硅光電池特性研究的仿真實(shí)驗(yàn)。新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容保留了濺射法制備導(dǎo)電薄膜實(shí)驗(yàn)。濺射法作為薄膜材料制備的重要方法之一,需要本專(zhuān)業(yè)學(xué)生熟練掌握。四探針?lè)y(cè)量電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)則重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生電導(dǎo)率測(cè)量的實(shí)際操作能力、加深電導(dǎo)率的影響因素及相關(guān)理論知識(shí)的理解?;谖㈦娮哟蛴C(jī)的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生掌握電子材料領(lǐng)域前沿設(shè)備的使用,學(xué)習(xí)柔性印刷電子材料領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。硅光電池特性研究的仿真實(shí)驗(yàn)則將原有的實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)改為仿真實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生以計(jì)算機(jī)為工具,通過(guò)自學(xué)背景知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理完成仿真實(shí)驗(yàn)的能力。新的實(shí)驗(yàn)體系更注重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力,利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,新設(shè)備的有效使用及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ?。以學(xué)校智慧教學(xué)系統(tǒng)為依托,為學(xué)生構(gòu)建線上線下相結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)空間,建立電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式。同時(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)和科研的興趣,為后續(xù)學(xué)生參與電子材料領(lǐng)域的相關(guān)創(chuàng)新課題以及進(jìn)行研究生階段的學(xué)習(xí)奠定知識(shí)基礎(chǔ)和興趣基礎(chǔ)。
2.3 電子材料導(dǎo)論課程教學(xué)手段改革方案
電子材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展和知識(shí)更新非常快,因此需要學(xué)生在掌握傳統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上,及時(shí)了解和掌握本領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)和最新的研究進(jìn)展。除通過(guò)上述專(zhuān)題教學(xué)內(nèi)容涵蓋最新的研究及知識(shí)外。還需結(jié)合有效的課堂教學(xué)手段,從而有效開(kāi)展新知識(shí)的教學(xué)[9]。首先,充分利用多媒體教學(xué),通過(guò)PPT、視頻軟件等在展示文字素材的基礎(chǔ)上,更多地加入圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等內(nèi)容,讓學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)和了解相關(guān)知識(shí)。例如,薄膜生長(zhǎng)工藝的動(dòng)畫(huà)演示,可以讓學(xué)生更充分和直觀了解實(shí)際材料生長(zhǎng)過(guò)程。再比如,電子材料的表征測(cè)試部分,給出表征設(shè)備的工作原理動(dòng)畫(huà),加深學(xué)生對(duì)相關(guān)過(guò)程的理解,同時(shí)加深記憶。其次,充分運(yùn)用新的教學(xué)手段,包括雨課堂、慕課等多元化的教學(xué)手段和方法,打造魅力課堂,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。最后,巧妙設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)題目,讓學(xué)生從問(wèn)題分解、問(wèn)題歸納、資料查閱、設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案到撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告得到全方位的鍛煉,充分鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。
2.4 電子材料導(dǎo)論課程考核方式改革方案
傳統(tǒng)的課程考核方式包括平時(shí)成績(jī)(作業(yè))及期末考核(考試)。在此基礎(chǔ)上可以將平時(shí)成績(jī)和期末考核進(jìn)一步細(xì)化。平時(shí)成績(jī)?cè)谧鳂I(yè)的基礎(chǔ)上,增加雨課堂或智慧課堂簽到,這種方式相比點(diǎn)名會(huì)節(jié)省時(shí)間,并且便利的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能有利于教學(xué)分析和教學(xué)反饋。另外,通過(guò)雨課堂增加隨堂考核題目,并以客觀題為主,在很短的時(shí)間內(nèi)即可考查全體學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度。結(jié)合重點(diǎn)問(wèn)題的口頭提問(wèn)和解答,可以有效做到課堂的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋,提高教學(xué)的有效性,提高學(xué)生參與度,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度,同時(shí)使教師利用反饋信息當(dāng)堂解決課程難點(diǎn)的講解。期末考核在期末考試的基礎(chǔ)上,增加專(zhuān)題作業(yè)[10]。即在本文上述設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)題目的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生分組完成課題,分工合作完成問(wèn)題的分析,資料搜集,結(jié)果整理和口頭匯報(bào),鍛煉學(xué)生的合作精神和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
3? 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)電子材料導(dǎo)論課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程教學(xué)現(xiàn)狀分析,提出了理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程教學(xué)改革方案,并分析了其重要性和必要性,提出了豐富有效的教學(xué)手段以及科學(xué)合理的考核方式;闡明了新理論、新材料、新技術(shù)的集中講解對(duì)于豐富本課程的內(nèi)容和加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解的重要性,強(qiáng)調(diào)了新的實(shí)驗(yàn)體系對(duì)學(xué)生參與電子材料領(lǐng)域的相關(guān)創(chuàng)新課題以及進(jìn)行研究生階段的學(xué)習(xí)奠定知識(shí)基礎(chǔ)和興趣基礎(chǔ)的重要意義;說(shuō)明了新的豐富教學(xué)手段對(duì)充分鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力的巨大促進(jìn)作用;分析了新的考核方式的合理性及實(shí)際意義。上述課程改革方案為打造課堂魅力,為進(jìn)一步提升課程教學(xué)效果、充分鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力、加強(qiáng)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)提供了重要的借鑒意義。
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