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微电子专业“固体物理学”教学改革的探索

作者【佚名】   来源【道义免费送彩金2019网】   发布时间【2019-01-17 17:31:05】   点击量【

  一、教學内容与课程体系的改革


  教学活动中,我们以培养创新型应用人才为目标,提倡以学生为中心,以学生学习产出为导向,制定有效的教学策略。对课程体系进行有效改革,使教学达到知识、能力和素质的目标培养。


  1.固体物理学发展史激发学生兴趣


  现代固体物理学中,每一个新理论的提出都有其独特的历史背景,在讲述理论之前,可先叙述该理论的历史背景和发展历程,以活跃课堂气氛,激发工科学生的学习趣味性。例如,在讲述固体物理之前可先回顾一下微电子学的发展史,美国贝尔实验室的肖克利成功研制出世界上第一个晶体管。随后,以诺依斯为首的著名“八叛逆”年轻科学家创建了仙童半导体公司,其中,天才科学家赫尔尼的平面处理技术标志着硅晶体管批量生产的飞跃,摩尔博士天才地预言了经典的“摩尔定律”,进而创立了寓意集成电子的“Intel”公司,两年后,世界上第一款CPU-Intel 4004诞生了,成就了小芯片征服大世界。


  在讲述X射线理论时,引入德国科学家伦琴发现X射线的过程,并介绍伦琴夫人带结婚戒指的手骨像照片,具有历史意义的世界上第一张X光片--表明人类可借助X射线透视骨骼。同时讲解X射线在实际生活的应用领域,并且延伸到不同波段光谱的应用,无线电波、可见光、γ射线等都是电磁波,它们按频率顺序构成了电磁波谱。其中无线电波用于电视和无线电广播;微波多用在雷达或其他通讯系统;可见光是人们所能感知的波段;紫外线化学效应最强;γ射线是伴随放射性物质或原子核反应发出,对生物具有很强破坏力等。在固体物理教学中,适当介绍著名科学家获得伟大成就的史实,可培养学生科学的“三观”、方法论和严谨的思维,对微电子专业学生逻辑能力的培养有着重要的帮助。


  2.科学前沿知识开拓学生思维


  固体物理课程的突出特点是接近前沿科学成果,如随着石墨烯、二维过渡金属硫化合物和有机无机杂化钙钛矿等纳米材料的兴起,纳米技术在微电子学领域的研究开始深化拓展。因此,根据教学内容有选择地介绍该领域的最新研究进展和研究成果,不仅使学生了解微电子学的发展动态,扩展学生的视野,同时使学生对所学习的固体物理学知识点能更深入理解、巩固和应用。例如,在讲述能带这一章节的时候,可讲述诺贝尔物理学奖获得者中村修二发明氮化镓基蓝光发光二极管,并由此带来的新型节能光源的背景知识。同时,从能带理论的知识体系讲解氮化镓基化合物随着其合金组分的改变,其禁带宽度可以从InN的0.7 eV连续变化到AlN 的6.2 eV,因此波段可以从650 nm连续调制到 210 nm,相当于覆盖了整个可见光谱范围。


  通过有选择地安排科研内容,既让学生对固体能带理论的基础知识和实际应用有更深刻的理解,又能结合当前的应用热点和科研前沿引发学生对获得新型微纳米电子学器件的思考,达到优化教学内容的目的。


  3.理论知识与实践相结合启发学生思路


  微电子专业学生注重理论知识与实践的结合,教学过程中,把固体物理学在集成电路中的具体应用同固体物理学的教学知识点紧密结合,不仅可以强化对理论知识的掌握,还可以拓展学生的思维深度。例如,在讲述声子这一章节的时候进行声子晶体的知识拓展,半导体的理论依据是固体电子的能带理论。同时,声子作为能量量子,人们可通过能带设计来模拟晶格以获得新型功能材料和器件推进材料科学的发展,并由此提出了声子晶体的新概念。研究证明,通过求解声波在晶体中的波动方程,可以设计所需要的声子能带,从而实现布拉格散射隔声材料、局域共振隔声材料、滤波器、声波导、声子晶体凸透镜和声子晶体平板透镜等材料和结构的应用。


  4.教学教研结合培养学生创新能力


  固体物理新材料、新技术和新结构层出不穷,固体物理学新的科研成果和科研方法日新月异,教师要不断提高课堂教学的科研含量,把科研成果转化为教学内容,以科研促进教学,并通过具体课题的研究和探讨,提高学生运用理论知识分析和解决复杂实际问题的综合能力。


  结合国际固体物理发展的新趋势,给学生介绍课题组的研究方向,如二维纳米薄膜材料在太阳能电池或光电探测器中的应用及能带工程在提高光电效率中的工作原理,并针对教学内容设计相关的研究性课题提出问题,让学生通过查阅文献资料并做成课件在课堂上分组讲解讨论。这样不仅锻炼了学生独立思考的能力和探求新知识的意识,还能培养学生在学习过程中的创新能力,同时提高课堂教学的质量。


  二、教学方法和手段的灵活多样


  固体物理学既要用到复杂的三维空间模型,又要用到抽象的量子力学理论。因此,该课程不仅要求有扎实的空间物理基础,还要有良好的理论专业知识。


  (1)通过晶体学模拟软件等多媒体技术,如Materials Studio、Crystal和Diamond 等晶体结构模拟软件,采用动态立体图像形象、直观地演示固体物理学中抽象的微观晶体结构,以激发学生的学习积极性,提高课堂教学效果。


  (2)固体物理学科可以与微电子专业特点相结合,利用材料模拟软件设计材料结构和器件模型,通过数据处理分析,从固体物理学知识体系揭示材料结构与性质的内在联系,如利用基于密度泛函理论的第一性原理计算钙钛矿太阳能电池的材料结构及其性能,分析材料结构对钙钛矿太阳能电池光电效率的影响机理,从而对钙钛矿太阳能电池器件的结构模型有效完善;如利用FDTD solutions 软件模拟有机发光二极管复合金属纳米颗粒对发光二极管光辐射性能的影响机制,并进一步优化有机发光二极管的器件结构。


  (3)固体物理学利用实验仪器建立基础知识与现代科学之间的桥梁。在固体物理教学中,通过讲解固体物理相关最新实验仪器和测试设备的使用方法和实验原理,如对拉曼光谱、扫描隧道显微镜和透射电子显微技术实验等设备的演示和数据分析讲解,使学生掌握微粒的波粒二相性以及在晶体衍射中的应用原理,也体会到固体物理学知识对新材料和新器件研究的重要性和必要性。


  综上所述,微电子学是在固体物理学研究成果的基础上创建起来的,而微电子学技术的发展又促进了固体物理学的研究,并开辟了更为广阔的领域。因此,科技的不断发展将对固体物理学教学提出更高层次的要求,一是在原有教学内容基础上增加前沿科研概念;二是从新的理论高度组织课程教学,注重教学内容优选、理论知识与科研应用相结合,借助模拟软件等教学优势,培养高素质创新人才。如何将固体物理学与微电子学科的特点有机结合,使固体物理教学与时俱进,还需要一线教育工作者不断地研究和探索。


  参考文献:


  [1]陈海平。微电子学科的固体物理课程教学探索[J].产业与科技论坛,2012(21):173-174.


  [2]王阳元,康晋锋。物理学研究与微电子科学技术的发展[J].物理,2002 (7):415-421.




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