“电子与光电子材料”课程教学改革浅析

朱华丽

（长沙理工大学物理与电子科学学院 湖南·长沙 410114）

0 引言

电子材料和光电子材料是现代信息技术发展的基础，它们是信息的获取、传输、存储、显示及处理和运算的各种材料。[1]“电子与光电子材料”课程是我校光电信息科学与工程专业重要的选修课程之一，根据教学进程计划安排在第七学期，课程讲课32 学时，其中讨论12 学时。光电信息科学与工程专业是信息科学类专业之一，其目标是培养学生具有扎实的数学与物理基础、电子信息科学与技术的基本理论和基本知识，受到严格的科学实验训练和初步的科学研究训练，创新意识好、动手能力强，能在国防、新能源、光通信、光电信息处理、光纤传感等领域从事科学研究、技术开发和管理等工作的应用型高级专门人才和行业精英。在开设本课程前，学生已具有“普通物理”“固体物理与半导体物理”“光电子学”“光线通信技术”等相关课程的学习基础，但对于各电子与光电子材料组成、性能和制备技术等涉及到的材料学知识、前沿及应用的了解不足，因此选取学习本课程的积极性和主动性欠缺。本文基于当前“电子与光电子材料”课程的教学现状，围绕课程教材和教学内容选取、教学方法含课程考核改进等方面进行了初步的探讨，提出了一些有利于提高教学质量的举措。

1 课程开设现状

通过调研发现，国内很多高校为信息科学类本科学生开设了与本课程相近的一些课程，如“电子材料”[2-7]“光电子材料”[8]“电气功能材料学”[9]电子材料与（元）器件[10,11]等。这些课程虽然名称不完全一致，但教学内容有许多相同之处。同时，针对各自的专业培养规划和学科优势，课程教学的学时数不同，教学内容上也各有侧重点。徐曼等[9]对比了美国麻省理工学院（MIT）开放的相近课程“Electrical, Optical & Magnetic Materials and Devices”和“Electronic and Mechanical Prosperities of Materials”，得到了许多值得国内借鉴和引进消化的经验。国内有的高校还开设了“电子材料学”全英文教学，[12]为培养与国际接轨的现代化复合型人才开阔了思路。

2 教材的选择和教学内容安排

我校光电信息科学与工程专业采用文献[13]作为“电子与光电子材料”课程的主要参考教材，教学内容主要涉及电性材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、太阳电池材料、固体激光材料、光信息存储材料和光显示材料。此门课程涵盖的理论基础广泛，课程学习难度较大。鉴于学生知识基础的不完善和材料科学发展的更新，引入内容较新的文献[14]作为参考教材。同时，根据专业教师的研究特长和学生就业需求，在教学内容的安排上进行适当取舍并补充最新的电子与光电子材料研究前沿和成果介绍。

2.1 增加电子材料分析表征和制备工艺介绍

材料的组成、结构决定了材料的性能。考虑到授课专业的学生虽然已完成“固体物理”方面的课程学习，但在课程学习后并没有结合到具体材料的实践应用，本课程需要对电子材料的晶体特征进行简单的回顾。同时，由于所授课专业学生没有材料学其它课程学习基础，本部分内容重点介绍电子材料的分析和表征方法，如化学成分分析方法、X射线衍射分析法（XRD）、显微分析法（SEM）、电导率测定方法等，以及功能材料制备的工艺，如薄膜工艺、厚膜工艺和陶瓷工艺等。这将有利于开阔信息科学类学生的视野，增强学科交叉融合的意识，为学生后续从事相关的科研工作培养良好的综合能力。

2.2 增加超导材料内容

超导材料是一种物理化学性能优异的功能材料，在强电和弱电方面都具有良好的发展前景，如应用为超导磁体、超导输电线、超导磁悬浮列车、核磁共振和磁共振成像等。本部分内容重点讲解超导的发现历程、超导材料的基本性质和应用，并特别介绍2016 年度国家最高科学技术奖获奖人赵忠贤院士的主要科研贡献。超导临界温度很低，其广泛应用受到影响，寻找液氮温区的高温超导体甚至室温超导体一直是科学家长期的梦想。在百余年超导研究史中，出现了两次高温超导的重大突破，赵忠贤院士及其合作者都取得了重要成果——独立发现液氮温区高温超导体和发现系列50K 以上铁基高温超导体并创造55K 记录。赵忠贤院士研究的高温超导材料使中国超导技术走在世界前列，具有非常重大的意义。通过本内容的学习，激励青年学子树立家国情怀，学习新时代科学家精神，了解科学前沿，增强学生的时代责任感。

2.3 自主巩固非线性光学材料和光纤材料内容

非线性光学材料和光纤材料是光电材料的重要组成部分。但是由于本专业在开设“光电子学”“光纤通信技术”等课程时，专任教师已涉及这部分内容，故这部分内容不作为课堂讲授内容，留给学生自主学习和讨论。另外，半导体材料也在本专业“半导体物理”等相关课程中涉及，故本课程弱化了这部分教学内容。

3 教学方法探讨

3.1 多媒体结合板书

采用PPT 进行教学内容讲授，讲解思路和重要的公式推导采用板书展示，在增大课堂信息量、保持教学内容丰富和形象的同时，兼顾学生对知识的理解和前后关联。通过图片、视频、动画等多媒体手段，能够很好的演示电子与光电子材料相关仪器设备构成、原理和工作模式，直观形象的展示材料内部结构及其器件的工作原理。这些多媒体内容包含电子与光电子材料晶体结构的展示，如铁氧体磁性材料和各类固体激光材料晶体；材料分析表征仪器及其工作原理和数据分析的演示，如XRD、SEM 分析；材料制备过程的动画展示，如采用导模法（直拉法）将硅料在石英坩埚中加热熔化，用籽晶与硅液面接触，然后开始向上提升长出柱状晶棒的生产过程。在讲解太阳电池材料章节时，采用动画和示意图展示太阳电池工作原理，进而分析太阳电池器件各部件所采用的材料，增强学生对材料及其最终器件的感性认识。在讲解超导材料章节前，播放一段最新的超导体磁悬浮列车的高速运行视频，用离生活很近的先进高科技产品激发学生的学习兴趣，并引导学生积极思考其理论依据。

3.2 实物教学

电子与光电子材料具有广泛的应用领域，为了使大家有亲身体验的感受，引发学习的好奇心，教学上采用实物教学。将一些常见的电子材料和元器件带入课堂做展示和传阅，如电阻、电容、电感、传感器、印制电路板、晶体管、激光器件、电子显示器件、太阳电池、压电、石英、陶瓷磁性材料等。将实验器材和实验过程的动画带入课堂，结合实物认识各类电子器件的组成材料，将理论与实践结合，有利于弥补本选修课程没有设置实践环节导致学生对知识掌握不牢的不足。

3.3 专题讨论结合科技论文写作

为了达到更好的学习效果，课程的考核分成两部分：平时成绩和期末成绩。其中平时成绩包括考勤和课堂分组专题讨论，期末成绩为课程科技论文写作。课堂专题讨论为教学计划中设定但任课教师没有讲解的内容，学生根据兴趣自行组成讨论小组，课外通过网络和书籍收集并筛选与专题相关的电子或光电子材料的信息后制作成PPT，并由其中1-2 名学生代表在讨论课上进行演示和讲解，争取每一位同学都得到资料整理锻炼或学习成果展示的机会。专题讨论分组汇报旨在通过发挥学生主观能动性培养其探索知识、发现问题和解决问题的能力，同时锻炼学生的团队协作能力、书面和口头表达能力。

课程科技论文的写作要求在课程一开课即布置，要让学生带着目标、带着问题主动去学习本门课程，并在学习过程中找到自己的兴趣所在。论文写作需要学生独立完成，选取某种电子与光电子材料的研究现状进行广泛的文献检索和归纳，使学生掌握了解专业前沿动态的方法，按照本科毕业论文格式撰写，从形式上和内容上切实发挥课程学习的作用，将教学和科研有机结合。本课程采用专题讨论结合科技论文写作的考核方式，有利于培养学生自主性和研究性学习能力。

4 结语

现代信息技术的发展依赖于电子和光电子材料性能的提升和新材料的涌现。本文基于“电子与光电子材料”课程开设现状，从教材的选择和教学内容安排、教学方法含课程考核方式等方面进行了几点探讨。尝试将学科融合应用到本科教学实践中，结合信息科学类专业特点，适当补充材料学知识，拓宽学生的知识面。同时将最新的科研成果引进课堂，让学生紧跟专业发展前沿。不断改进教学方式方法，灵活运用多媒体教学优势，结合实物教学，提高课堂教学效果。通过专题研讨和科技论文写作，培养学生的自主性和研究性学习，为学生今后从事电子与光电子材料相关领域的科研和工程技术工作打下良好的基础。