“黄昆班”研究型教学示范课的承上启下式案例教学探索

郑新和 王茜茜 王馨颐

[摘 要]  “黄昆班”是大学与研究所合作办学的一个本科教育新探索，如何进行专业课特色教学，也是一个新课题。通过选取诺贝尔奖成果的氮化镓基半导体及其极性为案例，进行研究型示范课建设。案例具有“承上启下”的示范性效果，“承上”是借极性对波函数的空间调控，帮助学生理解以前量子力学课晦涩难懂的薛定谔波函数方程;“启下”是启发性开导极性如何形成二维电子气与高迁移率晶体管，帮助学生树立“先入为主”的后续器件课程学习。

[关键词]  “黄昆班”;研究型教学;承上启下;半导体

[资助项目] 北京科技大学研究型教学示范课程建设，课程名称为“半导体物理基础”（KC2016YJX16）

[作者简介] 郑新和（1972—），男，江西贵溪人，博士，北京科技大学数理学院教授，主要从事III族氮化物半导体器件、薄膜生长和物性方面的研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0250-03    [收稿日期] 2019-08-08

一、研究背景

“黄昆班”是北京科技大学和中国科学院半导体研究所于2013年合作创建的精英人才培养项目，旨在继续发扬黄昆院士的学术思想，充分整合中科院半导体所的科研优势与高校人才培养的办学优势，共同培养从事半导体领域的高水平优秀学生[1]。这样一个新的探索，旨在培养半导体领域的高水平人才的大学示范班级，专业为应用物理学，侧重半导体物理与器件方向。该专业每年在北京科技大学理工科专业一年级学生中招收一个班，以我国已故著名物理学家黄昆先生的名字命名。黄昆班的部分专业课程由中国科学院半导体研究所的高级研究人员授课，并需在中国科学院半导体研究所参加一定的科研实践活动，在该所完成毕业论文。校内专业课程由在半导体领域学习和研究近20年的教授講授，帮助学生奠定坚实的专业基础。现在有2015级学生27名，2016级学生20名以及2017级学生30名。

黄昆先生师从诺贝尔物理学奖获得者约翰·莫特教授，是我国著名的物理学家和教育家，中国科学院院士、瑞典皇家科学院外籍院士、第三世界科学院院士。他是中国半导体事业的重要开创者，2001年获得第二届国家最高科学技术奖。2011年，第48636号小行星被永久命名为“黄昆星”。黄昆与诺贝尔物理学奖获得者马克思·玻恩合著《晶格动力学理论》，该书是国际上该领域的奠基性权威著作。他提出的一系列理论在固体物理发展中具有重要影响，比如“黄散射”“黄方程”等。他曾长期在北京大学任教，是中国科学院半导体研究所的建立者和所长，培养了一批中国物理学家和半导体技术专家。“黄昆班”的培养目标是通过双方的合作办学，培养半导体物理及半导体信息技术应用领域的拔尖人才。秉承北京科技大学“学风严谨、崇尚实践”的办学传统，以“实践和创新”为特色，培养“厚基础、强实践、重创新”，具有国际视野和跨文化交流能力的优秀毕业生，并期望一些毕业生能成长为该领域的杰出人物。

二、研究型教学的设计与实践

为办好“黄昆班”这一新增本科专业方向，增强“黄昆班”的专业归属感，甚至创立半导体物理与器件专业，需在本科教学中探讨新型教学手段，促使学生更好地学习半导体这门学科，将来成为国家需要的行业精英人才。作为“黄昆班”建设者之一，本人重点负责了“半导体物理基础”“半导体器件与工艺”本科专业基础课的教学。在长达一学年的专业课教学中发现，学生普遍对课上主讲教师以切身体会讲述的科研课题、科研成果和将来的科研方向具有浓厚兴趣。正是在这种体会下，深感学生对研究型教学方式的热爱和期待。因此，为了进一步将“半导体物理基础”课程作为研究型教学示范课程，形成“黄昆班”专业课程的教学特色体系，将选取“承上启下”式的案例教学进行建设。从而，使学生可以更好地理解专业课的知识点与相关的学科动态，以此培养真正的创新性和主动思考性人才[2]。

“半导体物理基础”课是“黄昆班”的重要专业必修基础课之一，学生们在大学三年级第二个学期进入学习。为了更好地发展“黄昆班”这一精英人才项目，在本科教学中开展研究型教学将是提高创新性人才培养质量的有效途径和手段。在这门课程中涉及的多数知识点方面，主讲教师有过很深的研究经历，某些研究成果在国内外同行中具有很高的评价。例如，在该课程第一章中涉及的半导体晶格结构和表面再构章节，曾经从事的马赛克晶格结构扭转程度的测量方法受到英国剑桥大学在物理类综合期刊上多次评述[3]，从事的晶格常数测量方法已写入科学出版社编辑出版的专著章节[4]，制备的高性能氮化镓基异质结太阳能电池受到2014年诺贝尔奖获得者研究组的多次引用等[5]。第二章的半导体掺杂中涉及的多种掺杂特性，曾经研究的化合物半导体随掺杂浓度的变化而引起的晶格常数和载流子浓度变化正好深入浅出地介绍了这部分内容，启发了学生思考科研问题的来源。因此，主讲教师可以结合这方面的研究经历在该门课程教学过程中以科研问题为案例载体，以此创设类似科学研究的情境和途径。另外，主讲教师在课堂教学中强调知识点涉及的科研问题设问，因此师生的互动非常活跃，有时还引起了学生之间的激烈争辩，极大地鼓励了学生独立思考和分析问题的能力。这也正是研究型教学所诉求的一个重要方式和理念。

在本科教学中，由于课时的限制，往往只是某些知识点的讲解。这种教学方式很容易让学生觉得只是在学习这一门课程，实际上，教师在研究型教学中可以逐步深入科学研究的思路，以此让学生对某些学科发生兴趣，从而超越课堂或教材的约束。例如，在第一章的晶格结构内容中，半导体所涉及的一个学科——半导体极性就非常有意思，涉及的内容就很多，包括极性方向、极性电场、解离面、波函数调控、载流子的限制等。为了更好地在这门课程中倡导启发式、探究式、讨论式、参与式的教学，需要激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性、主动性和创造性。本研究型教学示范课程建设，将以科学研究的灵魂——探究和创造融入教学中，以期培养学生的创新创造能力。比如，在该章节教学中可以向学生提出问题：如何理解半导体极性的“承上启下”式学习内容？主讲教师对该门课程所涉及的学科研究与动态有着丰富的科研经历，对学科知识的本质有深刻理解，重要的是自身参与了研究。因此，可以将研究成果真正引入教学，把这种科研过程中的成就感与学生分享，以此传授成功体验的方法和有趣过程。

根據上述思路，本门课程的研究型教学示范内容主要以半导体的极性概念为基础知识，逐步以学科为出发点将科研问题落实到课程。重点以曾获得2014年诺贝尔物理学奖的氮化镓半导体的极性及其意义为科研问题进行探究，使学生理解半导体极性及其应用如何具有“承上启下”的学习效果。如何设计“承上”式的研究型教学呢？在晶格结构的学习层面，学生一般更多理解的只是对称性和平移性操作方面，而在由其造成的电学学习方面较少。而对纤锌矿结构的半导体氮化物，不仅可以结合晶格结构进行巩固固体物理课程中所学知识，而且有利于理解晦涩难懂的量子力学，尤其是薛定谔波函数的概念。从氮化物半导体的纤锌矿结构来看，由于对称性程度较低和化学键结合，在（0001）方向存在极性，这种极性不仅帮助学生理解晶格结构，而且进一步让学生思考晶格结构是如何与电学特性联系起来的。对于后者，极性会使半导体内部产生电场。这种极性除了自身晶格结构对称性较低引起的自发极化电场外，还由于异质外延，氮化镓基薄膜存在的应变也会引起极化，称为应变极化。在此思路基础上，极化电场又如何与量子力学里的波函数相联系的呢？一般来讲，学生在学习这两个知识点方面，基本上是孤立进行的。因此，在该案例中，结合学生刚刚学习的能带结构和量子力学，将该极性电场引入教学中，使得学生不仅温故所学知识，而且可开启科学问题的来源思考。极性存在于氮化物半导体，由其产生的极性电场会使能带发生倾斜，进一步影响电子或空穴的波函数空间分布。从而，学生根据该影响理解了量子力学中波函数的实际体现，不仅只是数学方程的曲线理解。意即，电子波函数的物理图像出现在极性电场作用下的半导体氮化物中。由于能带倾斜，将使得电子波函数和空穴波函数皆偏向低能量处，然而由于电子和空穴的能带结构不同，导致了它们在空间上的分离，对波函数进行了调控。因此，将氮化物极性引入研究型的学习案例中，不仅让学生感受如何深入理解所学知识，也实实在在理解了晦涩难懂的量子力学，真正实现了“承上”式学习。

那又如何体现“启下”式教学呢？在上述学习思路前提下，继续启发学生，这种电子波函数和空穴波函数的空间分离从器件的角度上还能如何从研究的角度上理解，为下学期继续学习器件提供研究型问题，从而培养学生先入为主或主动性的学习方法。对黄昆班学生，除了“半导体物理基础”这一核心专业课外，随后还需学习另一门“半导体器件与工艺”专业必修课，它们分别是64学时。结合学生学习的电子和空穴概念，继续提出问题，两者复合会发生什么。一般的理解回答都是能量降低，变成热或光辐射。此时，引导学生如何从发光器件的设计角度下提升器件性能进行学习。也就是说，电子和空穴复合仍存在量子力学中的概率问题，意即，概率越大，器件的发光效率越高，反之则越低。在这种教学的启发下，学生们立刻开启了好奇式的思考。最后，学生若有所悟地提出了增强电子、空穴复合效率的方法，即将电子和空穴波函数空间进行扩展，使它们有更多的交叠机会。同时，继续“启下”式设问，如何避免或改善它们的交叠，以及这种波函数调控还有什么潜在的器件应用。实际上，提出的这些问题，都是下学期需要学习的器件知识和相关的研究，包括非极性方向的发光器件、异质结中二维电子气的产生以及高迁移率晶体管。显然，通过这种既有研究思路又有“启下”式教学案例的设计，将会充分调动学生学习的动力。这种抱着期待和兴趣的学习，效果显而易见，他（她）们的成长也指日可待。

三、结语

学无止境，教也无止境。“半导体物理基础”课程涉及的学科知识面宽、相关研究内容更新快等，通过研究型教学示范课的建设过程，教师结合自身与课程内容相关的研究经历和最新的科研成果，并且将这两者有机结合，极大丰富了授课内容和方式，活跃了课堂互动，激发了主动学习，培养了创新思路，探索了科教融合[6]。

参考文献

[1]http：//www.cas.cn/xw/cmsm/201303/t20130321_3802618.shtml

[2]X. H. Zheng， H. Chen， Z. B. Yan， Y. J. Han， H. B. Yu， D. S. Li， Q. Huang， and J. M. Zhou， Determination of Twist Angle of In-plane Mosaic Spread of GaN Films by High-resolution X-ray Diffraction， J. Crystal Growth， 255/1-2， 63 （2003）. M. A. Moram and M. E. Vickers， X-ray Diffraction of III-nitrides， Rep. Prog. Phys. 72， 036502 （2009）.

[3]许振嘉.半导体的检测与分析[M].北京：科学出版社，2007：143-144.

[4]Xinhe Zheng， Ray-Hua Horng， Dong-Sing Wuu， Mu-Tao Chu， Wen-Yih Liao， Ming-Hsien Wu， Ray-Ming Lin， and Yuan-Chieh Lu， High-quality InGaN/GaN Heterojunctions and Their Photovoltaic Effects， Appl. Phys. Lett. 93， 261108 （2008）. E. Matioli， C. Neufeld， M. Iza， S. Cruz， S. DenBaars， U. Mishra， S. Nakamura， J. Speck， and C. Weisbuch， High Internal and External Quantum Efficiency InGaN/GaN Solar Cells， Appl. Phys. Lett.， 98， 021102 （2011）.