張小文　許積文　楊玲　馬傳國　陳國華

摘要：現(xiàn)代前沿科技的發(fā)展越來越依賴學科交叉，材料與器件是當今高新技術發(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，如何對材料類專業(yè)課程的教學模式進行改革使其更加符合學科交叉人才培養(yǎng)的要求，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的一項重要任務。本文以《材料物理性能》課程為改革實踐對象，在理論教學與實驗實踐方面優(yōu)化課程設計并搭建相應的軟硬件平臺，將材料性能、器件構筑、測試分析以及大型儀器設備的使用等方面知識進行有機融合，構建了材料與器件的銜接橋梁，探索了一種新型的教學模式。在我校材料類專業(yè)的教學實踐表明該教學模式取得了良好的教學效果。

關鍵詞：材料物理性能；材料；器件；橋梁；創(chuàng)新

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）04-0124-03

材料與器件是集先進材料制備技術、復雜結構器件設計與制備以及器件封組裝技術于一體的新型交叉學科，是當今高新材料發(fā)展與應用的基礎。現(xiàn)代制造技術是伴隨著先進材料和復雜結構器件的發(fā)展而不斷進步的，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)，包括材料科學與工程專業(yè)、冶金工程專業(yè)、金屬材料工程專業(yè)、無機非金屬材料工程專業(yè)、高分子材料與工程專業(yè)、復合材料與工程專業(yè)等，在國民經(jīng)濟建設中有著舉足輕重的地位，對經(jīng)濟社會的發(fā)展做出了卓越的貢獻[1]。伴隨著電子信息技術的飛速發(fā)展以及社會對創(chuàng)新性綜合型人才的需求，材料與器件作為相互獨立又密切關聯(lián)的兩大領域，如何在高等學校材料類專業(yè)的大學生課程教育方面開展材料與器件之間的銜接逐步受到關注，也成為目前高等學校材料類專業(yè)課程與教學模式改革探索的內(nèi)容之一。本文嘗試以《材料物理性能》課程為改革實踐對象，基于教師們近年來在半導體材料與器件方面的研究成果，開展科教協(xié)同，在理論教學和實驗實踐兩方面探索如何搭建材料與器件的銜接橋梁。在教學模式上將材料性能、器件構筑、性能測試和大型儀器設備使用進行有機融合，充分體現(xiàn)了課程教學的創(chuàng)新性與綜合性。

一、創(chuàng)新教學模式的必要性

材料與器件涉及到材料科學與工程方面的知識和半導體器件物理方面的內(nèi)容，在材料領域重點研究材料的結構、成份、工藝與性能，而在器件方面著重研究器件設計、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《大學物理》、《材料科學基礎》、《半導體物理》、《材料物理性能》、《半導體器件》等課程的教學模式并無太大區(qū)別，依然可以沿用理論講解并輔以實驗實踐的教學特色。然而，材料與器件的結合是極具創(chuàng)新能力的交叉學科，是隨著時代發(fā)展和技術進步而不斷發(fā)展及完善的，而且隨著新技術的出現(xiàn)，學科交叉產(chǎn)生的研究成果甚至是顛覆性的。材料與器件作為相互獨立又密切關聯(lián)的兩大領域，如何搭建材料與器件的銜接橋梁成為探索材料類專業(yè)課程教學模式的焦點之一[2，3]。具體來說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來設計材料的性能、組成成份、微觀結構和制備工藝，這對于拓展材料的應用，提高材料的附加值，培養(yǎng)創(chuàng)新性綜合型材料類專業(yè)的大學生具有十分重要的實際價值和現(xiàn)實意義。

另一方面，以實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標的卓越工程師計劃以及工程教育論證體系的實施[4，5]，高等學校大學生理論講授總課時在一定程度上需要減少，并增加實踐的學時數(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《無機化學》與《分析化學》合并成為《無機與分析化學》[6]，《材料物理性能》與《材料力學性能》合并成為《材料性能學》[7]。因此，在知識總量不斷增加而課時數(shù)被減少的雙重背景下，創(chuàng)新課程教學模式勢在必行。

二、課程設計與理論教學模式探索

《材料物理性能》課程涵蓋材料熱學、磁學、導電性、介電性、光學等內(nèi)容，在理論教學過程中，著力探索材料性能與相應器件構建在原理上的有機結合，搭建材料與器件的銜接橋梁。我們在對材料性能基本概念、相關機理詳細講解的基礎上，將單一性能或多種性能綜合的復合性能進行深入剖析，闡明材料性能的潛在應用前景，從原理與工作機制上構建潛在的器件，探索器件結構的設計與性能預測，從而搭建材料與器件的銜接橋梁。課程改革對《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。

思想是行動的指南，教師要鼓勵學生創(chuàng)新思維、充分發(fā)揮知識的智力因素，建立創(chuàng)新意識。這要求教師在課程教學模式上激勵學生大膽探索、勇于突破傳統(tǒng)概念，把以往的“問答”式教學向“對話型”和“辯論型”轉變，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識為目標。例如，我們在講解材料電光轉換特性這一知識點時，不僅僅把電光轉換性能應用于光電子器件方面，還需要幫助學生弄清楚注入的電子數(shù)轉換成光子數(shù)的概率，進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]。將知識點進一步升華，和學生共同探討器件設計和封裝如何提高或降低量子效率，并闡述相關原理和機制，使學生全面系統(tǒng)地理解并掌握電光轉換特性方面的知識內(nèi)容。

摩爾定律早就預言半導體的集成度或性能每隔18-24個月就要提高一倍而生產(chǎn)成本基本保持不變，并且得到了實踐證明。這意味著，材料制備工藝、器件結構設計與封組裝等知識都在不斷地更新，而且更新速度極快。然而半導體技術發(fā)展到今天的超高集成化，器件的集成度已不可能無限制地增加，并伴隨著摩爾定律將開始失效，這就要求教師對大學課程的教學模式需要不斷更新，引導學生不僅僅從集成度這個角度去思考器件的發(fā)展方向，還要逐步轉向其他知識面，如多功能化、環(huán)保低碳生產(chǎn)工藝等。以薄膜晶體管為例，在器件設計與制備工藝方面不能一味地強調提高集成度，而應該往高場效應遷移率、高開光比以及全透明、可柔性等新型應用方面發(fā)展。

三、實驗實踐教學模式探索

在創(chuàng)新理論教學模式上需要輔以實驗實踐，最大程度地提高學生的創(chuàng)新思維?！恫牧衔锢硇阅堋氛n程根據(jù)教學內(nèi)容也配套有相應的實驗實踐課，我們在實驗實踐課程的設計上，除了極個別驗證性實驗以外，絕大多數(shù)為創(chuàng)新性綜合型實驗。結合教師們近年來在半導體材料與器件方面的研究成果和部分科研平臺，在實驗教學過程中為大學生的創(chuàng)新實踐活動打造了較為全面的硬件和軟件設施，部分綜合性實驗舉例如表2所示。endprint

通過對專用實驗平臺的搭建與完善，為創(chuàng)新實驗實踐教學提供了重要保障，并為學生深入探討實驗原理和器件工作機制提供了更多的業(yè)余空間。一方面，根據(jù)器件的性能參數(shù)和工作機制，反過來設計器件的結構特征以及器件所需材料的性能要求和制備工藝，將材料與器件進行有機銜接；另一方面，在開展材料與器件制備、參數(shù)測試、機理分析等方面的實驗實踐過程中讓學生充分了解并掌握大型儀器設備的工作原理、操作步驟和功能特色，將材料類專業(yè)的知識點與大型儀器設備的使用進行有機結合，充分拓寬學生的知識面。在實驗實踐教學過程中，學生還可以自己設計實驗內(nèi)容，在教師的指導下獨立完成更多的創(chuàng)新性實驗。

此外，在實驗結束后教師和學生一起討論實驗過程中的創(chuàng)新點和取得的創(chuàng)新性成果，對一些有價值的實驗結果組織學生進行深入研究，將其提升為科教協(xié)同或者實踐創(chuàng)新項目，讓學生在教師的指導下進行獨立研究，其研究成果申請專利，并以論文形式公開發(fā)表。

工程教育認證明確要求學生具有解決復雜工程問題的能力[5]，而學生解決復雜工程能力的培養(yǎng)需要從基礎課、專業(yè)基礎課以及專業(yè)課等各門通識課程中逐步得到鍛煉，不能僅僅寄托于畢業(yè)設計（論文），在《材料物理性能》課程教學模式上創(chuàng)新性地搭建起材料與器件的銜接橋梁，這正好為培養(yǎng)學生如何解決復雜工程問題提供了實際鍛煉。另外，《材料物理性能》課程的實驗課搭建的創(chuàng)新性硬件平臺與教學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價值，同時，也為研究生課程《材料科學實驗》提供了重要的平臺保障。

四、結語

本文以《材料物理性能》課程為改革實踐對象，圍繞理論教學與實驗實踐兩方面的課程設計與平臺搭建，將材料性能、器件構筑、測試分析以及大型儀器設備的使用進行有機結合，構建了材料與器件的銜接橋梁，探索了一種新型的教學模式。教學效果表明，這種新型教學模式是切實可行的，有利于培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力和綜合素質。

參考文獻：

[1]趙振業(yè).材料科學與工程的新時代[J].航空材料學報，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[J].長春教育學院學報，2012，28（6）：107-108.

[3]付坤，王金國.材料科學與工程專業(yè)本科生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考與實踐[J].實驗室研究與探索，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.無機與分析化學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[7]王從曾.材料性能學[M].北京工業(yè)大學出版社，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