电子科学与技术专业电子材料导论课程教学改革方案

张均营 侯志灵 邵晓红 冯志芳 林承友

摘  要：电子材料导论是我校电子科学与技术专业的专业选修课，是电子材料与器件专业方向的核心课程。针对电子科学与技术专业的特点、电子材料导论课程的特点，本文重点介绍了该课程的现行的理论教学和实验教学的内容，进而分析了现行教学内容的特点和不足之处。最后给出了更加合理、可行的理论教学内容和实验教学内容的改革方案、丰富有效的教学手段以及科学合理的考核方式，为本课程的发展提供了借鉴意义。

关键词：电子科学与技术  电子材料导论  教学改革  理论教学  实验教学  教学手段  考核方式

中圖分类号：G420          文献标识码：A                  文章编号：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

信息科学和技术的发展对人类进步与社会发展产生了重大的影响，信息技术和相关产业成为世界各国经济增长和社会发展的关键要素。进入21世纪，信息科学与技术的发展依然是经济持续增长的主导力量之一，发展信息产业是推进新型工业化的关键。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，将信息技术列为国家竞争力的核心技术之一。电子信息技术是信息产业的重要发展领域，需要大量专业人才，电子信息类专业承担着电子信息产业领域人才培养的重要任务。作为电子信息类专业的主干学科，电子科学与技术（简称“电科”）专业培养具备包括物理电子学、微电子与固体电子学、电路与系统、电磁场与微波技术等领域的理论基础、实验能力和专业知识的高级技术人才和管理人才[1-2]。学生主要学习数学、物理、物理电子、光电子、电子材料、光—电检测技术等领域的基本理论和基本知识，受到相关的信息电子实验技术、计算机技术等方面的基本训练，掌握各种电子材料及工艺、器件及系统的设计，具有一定研究与开发的基本能力。毕业生工作选择主要集中在微电子、光电子、电子信息、集成电路等相关行业，许多毕业生目前已经成为技术首席、研发负责人等，为我国电子产业的发展做着贡献。

目前，我国在芯片技术、智能装备和机器人等产业人才急缺，急需培养多学科交叉的人才。人工智能、印刷电子、云计算和物联网等新技术和产业迅猛发展，集成电路领域的诸多卡脖子问题急需培养大量相关领域高技术人才。作为综合研究型大学，我校电子科学与技术专业应更注重研究型人才的培养，在培养学生基础知识和技能的基础上，重点培养学生的综合能力和科学思维。结合国家重大需求，需调整优化我校电子科学与技术专业的课程培养方案，完善战略性电子材料专业方向。从而满足新工科背景下对创新型人才的迫切需求，推动一流学科建设，实现“宽口径、厚基础、复合型人才”的人才培养目标。

电子材料导论作为我校电子科学与技术专业的专业选修课，是电子材料与器件专业方向的核心课程，是磁性材料与器件、光电子技术、微波技术、表面与界面物理及半导体物理等课程的重要前期课程，是电子材料领域最为重要课程之一[3]。同时，课程涉及的导电浆料、新型电阻材料、超导材料、半导体材料及介电材料都是涉及多种材料领域的重要研究课题。因此，电子材料导论课程的学习，不仅可以支撑本专业的学生培养目标，同时也为其从事相关材料领域的科学研究奠定了理论和知识基础。作者根据自身教学经验，在总结课程现行的理论教学、实验教学的基础上，分析了现行教学内容的特点和不足之处。最后给出了更加合理、可行的理论教学内容和实验教学内容的改革方案、丰富有效的教学手段以及科学合理的考核方式，为本课程的发展提供了借鉴意义。

1  电子材料导论课程教学现状

1.1 电子材料导论课程理论教学内容

该课程目前理论教学内容包括电子材料概论、电子材料的分析和表征、导电材料、电阻材料、超导材料和电介质材料六个部分。其中电子材料概论部分，包括电子材料的分类与特点、无机电子材料、实际晶体、非晶体和准晶、电子材料的表面与界面及电子材料的应用与发展;电子材料的分析和表征部分，包括电子材料化学成分分析方法、X射线衍射分析法、显微分析法、表面界面分析技术、扫描探针技术、光谱分析技术和热分析技术;导电材料部分，包括导电材料的性质与分类、金属导电材料、电极及电刷材料、厚膜导电材料和薄膜导电材料;电阻材料部分，包括电阻材料概述、电阻材料概述、厚膜电阻材料、薄膜电阻材料以及精密金属膜电阻材料;超导材料部分，包括超导材料的发现历程、超导材料的基本性质和应用、低温超导材料、高温超导材料以及新型超导材料;电介质材料部分，包括电介质材料的一般性质、电介质材料的一般性质、装置陶瓷以及电容器介质材料。通过上述理论知识学习，让学生掌握电子材料的分类以及具体应用领域，了解一些必需的材料分析表征手段;掌握导电材料、电阻材料的性能描述的物理量以及影响其性能的因素;掌握导电材料、电阻材料、厚膜和薄膜材料的制备方法工艺条件和性能之间的关系;了解超导材料的性能表征指标以及超导材料的研发过程和方法，与科学最前沿研究紧密接触，拓展思维宽度和深度;掌握电介质材料的相关概念，了解功能材料如铁电、压电及热释电等材料的应用和研究方向。培养学生综合运用电子材料基础知识、材料制备方法，材料分析手段实现原材料的选择、制备、表征和应用的能力。

1.2 电子材料导论课程实验教学内容

该课程目前实验教学内容主要包括四个相关实验，包括：实验一，直流溅射法制备导电薄膜材料;实验二，蒸镀法制备低熔点有机介电薄膜;实验三，万能电桥的使用;实验四，硅光电池特性研究。通过材料性能测试以及自己制备材料实验训练学生的实际动手能力，培养学生根据所具有的能力进行材料制备，发现的问题通过有关手册、参考书和文献资料的查阅及整理，提出问题解决方案的能力。掌握相关实验仪器设备（包括直流溅射仪、热蒸发装置、电子天平、万用电桥和光电性能检测仪等）的使用和日常维护。

2  电子材料导论课程教学改革方案

2.1 电子材料导论课程理论教学内容改革方案

笔者结合自身教学经验，对本课程理论教学提出以下改革方案。首先，在该课程目前理论教学的六部分内容的基础上;密切联系当前国家及产业的重大需求，结合相关材料领域的科研前沿动态，在课程教学中加入上述相关内容，总结归纳形成课程教学专题。

例如，当前材料表征方法中的原位表征测试，包括原位TEM、原位XRD测试等对于深入研究材料领域的反应机理、动力学过程等基础问题具有非常重要的作用[4]。另一方面，新型功能材料的发展日新月异，2020年Nature期刊封面文章报道的室温超导材料的发现。这种氢化物材料，能在15°C的温度下无电阻地导电[5]。新型热电材料[6]以及介电材料[7]等迅速发展。聚焦新型半导体产业及核心芯片等卡脖子技术方面涉及的电子材料的国家重大需求，结合我校在战略性电子材料领域的技术优势，增加相关专题的基础知识和相关技术的讲解，彰显我校在微电子与固体电子学领域的人才培养特色，为突破新型半导体产业及核心芯片等卡脖子技术方面的高端人才培养做出积极贡献。这些重要的新理论、新材料、新技术的集中讲解对于丰富本课程的内容和加深学生对理论知识的理解都非常重要。

2.2 电子材料导论课程实验教学内容改革方案

结合现有的教学硬件条件，在实验教学中增加综合性、创新性综合实验是人才培养目标的重要组成部分[8]。笔者结合自身教学经验及实验室条件，对该课程目前实验教学内容的4个相关实验进行改革。首先，根据理论教学重点和前沿研究领域更新实验内容。更新后的实验包括：实验一，磁控溅射法制备导电薄膜;实验二，四探针法测量电导率;实验三，基于微电子打印机的电路设计;实验四，硅光电池特性研究的仿真实验。新的实验内容保留了溅射法制备导电薄膜实验。溅射法作为薄膜材料制备的重要方法之一，需要本专业学生熟练掌握。四探针法测量电导率实验则重点培养学生电导率测量的实际操作能力、加深电导率的影响因素及相关理论知识的理解。基于微电子打印机的电路设计实验重点培养学生掌握电子材料领域前沿设备的使用，学习柔性印刷电子材料领域的相关知识。硅光电池特性研究的仿真实验则将原有的实际电路实验改为仿真实验，培养学生以计算机为工具，通过自学背景知识和实验原理完成仿真实验的能力。新的实验体系更注重培养学生的自学能力，利用理论知识解决实际问题的能力，新设备的有效使用及计算机仿真实验能力等。以学校智慧教学系统为依托，为学生构建線上线下相结合、虚拟与现实相结合的实验学习空间，建立电子科学与技术专业的专业实验虚拟仿真实验的教学考核评价方式。同时激发学生对实验和科研的兴趣，为后续学生参与电子材料领域的相关创新课题以及进行研究生阶段的学习奠定知识基础和兴趣基础。

2.3 电子材料导论课程教学手段改革方案

电子材料领域的研究进展和知识更新非常快，因此需要学生在掌握传统的基础知识的基础上，及时了解和掌握本领域的前沿热点和最新的研究进展。除通过上述专题教学内容涵盖最新的研究及知识外。还需结合有效的课堂教学手段，从而有效开展新知识的教学[9]。首先，充分利用多媒体教学，通过PPT、视频软件等在展示文字素材的基础上，更多地加入图片、动画、视频等内容，让学生更直观地学习和了解相关知识。例如，薄膜生长工艺的动画演示，可以让学生更充分和直观了解实际材料生长过程。再比如，电子材料的表征测试部分，给出表征设备的工作原理动画，加深学生对相关过程的理解，同时加深记忆。其次，充分运用新的教学手段，包括雨课堂、慕课等多元化的教学手段和方法，打造魅力课堂，调动学生学习的积极性和主动性。最后，巧妙设计综合设计题目，让学生从问题分解、问题归纳、资料查阅、设计问题解决方案到撰写设计报告得到全方位的锻炼，充分锻炼学生综合运用所学知识来分析问题并解决问题的能力。

2.4 电子材料导论课程考核方式改革方案

传统的课程考核方式包括平时成绩（作业）及期末考核（考试）。在此基础上可以将平时成绩和期末考核进一步细化。平时成绩在作业的基础上，增加雨课堂或智慧课堂签到，这种方式相比点名会节省时间，并且便利的数据统计功能有利于教学分析和教学反馈。另外，通过雨课堂增加随堂考核题目，并以客观题为主，在很短的时间内即可考查全体学生对相关知识点的理解和掌握程度。结合重点问题的口头提问和解答，可以有效做到课堂的实时监控和反馈，提高教学的有效性，提高学生参与度，加深学生对知识点的理解和掌握程度，同时使教师利用反馈信息当堂解决课程难点的讲解。期末考核在期末考试的基础上，增加专题作业[10]。即在本文上述设计综合设计题目的基础上，让学生分组完成课题，分工合作完成问题的分析，资料搜集，结果整理和口头汇报，锻炼学生的合作精神和解决实际问题的能力。

3  结语

本文通过对电子材料导论课程的理论和实验教学的课程教学现状分析，提出了理论和实验教学的课程教学改革方案，并分析了其重要性和必要性，提出了丰富有效的教学手段以及科学合理的考核方式;阐明了新理论、新材料、新技术的集中讲解对于丰富本课程的内容和加深学生对理论知识的理解的重要性，强调了新的实验体系对学生参与电子材料领域的相关创新课题以及进行研究生阶段的学习奠定知识基础和兴趣基础的重要意义;说明了新的丰富教学手段对充分锻炼学生综合运用所学知识来分析问题并解决问题的能力的巨大促进作用;分析了新的考核方式的合理性及实际意义。上述课程改革方案为打造课堂魅力，为进一步提升课程教学效果、充分锻炼学生综合运用所学知识来分析问题并解决问题的能力、加强学生综合能力培养提供了重要的借鉴意义。

参考文献

[1] 冯志芳，邵晓红，战可涛，等.探索生产实习新模式培养电科专业高素质人才[J].科技创新导报，2017（7）：149-151.

[2] 林承友，邵晓红，祁欣，等.电子科学与技术专业的光电子材料与器件课程教学方法研究[J].科技创新导报，2014（26）：154-155.

[3] 李言荣，林媛，陶伯万.电子材料导论[M].北京：清华大学出版社，2013.

[4] JIANG CUI， HONGKUI ZHENG， KAI HE. In Situ TEM Study on Conversion-Type Electrodes for Rechargeable Ion Batteries[J].Advanced Materials， 2020， 2000699.

[5] ELLIOT SNIDER， NATHAN DASENBROCK-GAMMON， RAYMOND MCBRIDE， MATHEWDEBESSAI， HIRANYA VINDANA， KEVIN VENCATASAMY， KEITH V. LAWLER， ASHKAN SALAMAT， RANGA P. Dias. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride[J]. Nature，2020（586）：373-377.

[6] 黄海华.理论探索新型二维半导体热电材料[D].长春：吉林大学，2020.

[7] 王茜.钛酸钡基铁电陶瓷的介电储能特性研究[D]. 济南：山东大学，2020.

[8] 杜立飞，杜娴.电子材料综合实验的探索与实践[J]. 实验技术与管理，2017（7）：203-206.

[9] 王平.高等教育中多媒体技术與传统教学手段相结合的改革初探[J].科教导刊，2016（29）：77.

[10] 卢照，姚青荣.《大学物理》课程新型考核方式的探索[J].教育现代化，2019（42）：53-54.