解决芯片技术卡脖子的问题,应从高中物理教学抓起

黄雨竹　黄致新

关键词 中美教材比较;芯片技术卡脖子问题;高中物理

1 什么是芯片技术卡脖子问题

21世纪以来，随着我国科技、经济的飞速发展，美国为了压制我国的复兴，对中国展开技术封锁。在此背景下，《科技日报》首版头条推出“亟待攻克的核心技术”专栏，开篇以“是什么卡了我们的脖子”为引题，共报道了35项“卡脖子”技术[1]。此后，研究者们常用“卡脖子问题”代指与技术强国相比我国所面临的核心技术瓶颈问题，其大多具有攻克难度较大、垄断性强和技术壁垒高的特点。在“卡脖子问题”中最迫切需要解决的就是芯片技术卡脖子问题。2018年到2019年两年间，美国限制我国中兴和华为两大科技公司购买其“敏感”产品，其中涉及最多的就是芯片相关技术。美国对我国芯片行业的技术封锁，导致很多计算机、手机等高科技产品无法正常生产，直接威胁到了我国科技企业的正常发展，给我国造成了严重的经济损失， 芯片技术卡脖子问题成为亟须解决的热点问题[2]。

芯片技术卡脖子问题的背后，是我国科技研发不独立、基础研究人才缺乏的问题。长期以来，研发人员用技术集成回避关键技术的开发，导致我国基础研究不够深入，科技研发长期依赖于他国的核心技术。要解决芯片技术卡脖子问题，就需要培养出一批拥有基础研究能力、创新能力的人才，从根本上实现核心技术自主化，打破西方技术霸权[3]。高中物理是理工科专业学习的基础课程，要培养研究型人才，就需要从高中就打好基础。作为知识载体的教材更是教师开展教学基本工具，所以从“卡脖子”问题出发，研究比较中美高中物理教材的异同，取其精华，去其糟粕，借鉴美国高中物理教材中的优势之处，补足我国高中物理教材的不足，显得尤为重要。

2 中美高中物理教材中“固态电子学”内容的比较分析

以往的高中物理教材比较研究主要分为两大类，一类是从不同视角（如从核心素养视角、科学思维视角或STSE 视角等）比较教材整体的内容结构、栏目设置[4]、呈现方式等特点。另一类是详细对教材中某一特殊板块的内容（如电学、力学、科学史、学科交叉渗透内容或近代物理等）做比较[5]。在以往的研究中，有不少研究者虽然已经发现我国高中物理教材与国外（美国、英国和日本等）相比，缺少“固态电子学”部分的知识，但是并没有研究者对“固态电子学”内容进行深入分析。很明显，在教材比较研究中，“固态电子学”板块的内容分析严重缺失。

美国高中物理教材中“固态电子学”章节讲了哪些内容？ 我国高中物理教材中是否有涉及“固态电子学”相关知识？ 如果有，我国高中物理教材中的“固态电子学”相关内容与美国教材中的“固态电子学”相关内容有何差异？ 这些差异是否有可能会影响我国科技创新人才的培养？ 这些问题都值得进一步深挖。笔者分別对中国《普通高中物理教科书（人教版）》（2019年版）[6]和美国最常用的高中物理教科书《物理原理与问题》[7]中“固态电子学”相关内容进行比较，探寻中美教材中“固态电子学”相关内容的差异，明确我国教材的优势与不足，从解决芯片技术“卡脖子”问题的角度为教材编写和人才培养提出建议。

2.1 美国高中物理教材“固态电子学”章节主要内容

如图1所示，美国物理教材“固态电子学”章节分成两大板块编写，第一部分讲固体是如何导电的。教材通过回忆晶体排列和原子能级等知识，引出能带理论，并从能带理论的角度重新区分导体、绝缘体和半导体。接着，通过介绍本征半导体的局限性，引入掺杂工艺，介绍p型半导体和n型半导体的制作原理和特性。第二部分讲电子元件，从生活中常用的电子器件引入，介绍了最基本、最简单的两个半导体器件（半导体二极管和半导体三极管）的基本组成、制作原理和作用。最后，介绍了由导体、半导体、二极管和三极管等集成的微型芯片的制作工艺，并介绍了微型芯片在生活中的广泛应用。整个章节的编排逻辑层层递进，从基础理论引入，到生产应用结束。

2.2 中美高中物理教材中“固态电子学”相关知识比较

中国高中物理教材中虽然没有专设一章讲“固态电子学”，但在各本书中均有相关知识点涉及。所以笔者进一步整体比较了中美教材中与“固态电子学”相关的知识内容的分布、主要知识点和要求掌握程度[8]，绘制出了如下表格（见表1、表2）。

通过对比两国教材中所涉及的“固态电子学”知识，笔者发现我国教材中涉及的固态电子学知识具有科普应用知识多、位置分布零散和要求掌握的程度低的特点。

首先，与美国教材相比，我国教材中“固态电子学”的科普应用知识更多。我国教材对固态电子学相关知识的介绍大部分都是以渗透应用的形式，比如在介绍静电吸附的应用时，由于静电复印机中用到了有机光导体，所以渗透有机光导体的特性;在讲授光的衍射时，简单介绍了利用X射线衍射探测晶体结构的方法，以及X 射线衍射技术的应用成果。美国教材中所涉及的固态电子学知识则是理论更多。比如在讲解固体热膨胀的原因时，美国教材中将固体比作弹簧连接分子的集合，弹簧代表分子间的吸引力。当固体加热时，动能增加，振动加快，分子间距增大，这一比喻渗透了固体物理晶格动力学的假设。

其次，与美国教材相比，我国教材中固态电子学的知识分布更零散，在“序言”“正文”“旁批”“科学漫步”“拓展学习”和“脚注”各个栏目中都有分布。而美国教材中的固态电子学知识则较为集中，大部分内容分布在“第二十九章 固态电子学”部分，知识点出现的位置均在教材正文部分。

最后，与美国教材相比，我国教材中固态电子学知识要求掌握的程度更低，深度不够。由于教材中大部分固态电子学知识都是以渗透应用的形式出现，很多内容都分布在“拓展应用”和“科学漫步”等要求掌握程度较低的栏目，新课标对这些知识点的要求程度都在“了解”或“无要求”程度，且与美国教材相比，知识深度较低。比如在必修三中，我国教材介绍了金属微观结构模型能解释与金属导电有关现象，但其未具体讲明绝缘体和金属电子运动难易程度差异的原因。而美国教材则在第二十章从电子运动难易程度的角度介绍了绝缘体和导体的区别，并通过金刚石和石墨的例子介绍了物体的导电性会随着存在形态改变，让学生理解了物质的导电性是可变的。接着在第二十九章，从能带理论的角度重新介绍导体、绝缘体和半导体能带结构上的区别，让学生从根本上上理解影响物质导电性的原因是物质的组成和结构，有利于学生建立正确的物质观。

3 建议

基于上述比较，笔者从解决芯片技术卡脖子问题的角度提出以下建议。

1） 借鉴美国教材，在高中物理教材中增加“固态电子学”基础理论知识

“固体物理”作为材料科学研究和发展的根基，推动了半导体、超导、激光、纳米材料等领域的发展[9]。一直以来，固体物理都是理工科学生的基础前置课程，其对于培养研究型、创新型人才是至关重要的。尽管“固体物理”如此重要，但是其一直以“难学”著称。笔者认为有两大原因，第一，“固体物理”是以量子力学和统计物理为基础建立起来的，课程本身的难度就很大。许多同学量子力学统计物理都学不好，更遑论固体物理。第二，从认知的角度看，知识的学习是螺旋式的，人们总是更容易接受一些熟悉的知识。我国高中物理中的“固态电子学”知识多为科普应用知识，缺乏理论知识，深度较浅，这直接导致了学生对“固体物理”的基本认识和兴趣的缺乏，影响对技术人才的初期引导和培养。

美国教材中“固态电子学”章节是大学的“固体物理”课程的先导性知识，虽然不涉及很多复杂的运算，但却可以让学生了解固体物理的核心——能带理论，让学生分别从宏观角度和微观角度了解影响物体导电性能的因素，为学生搭建一个新的物质观。此外，教材还介绍了非本征半导体、半导体器件和微型芯片的制作原理、工艺流程和特性，并结合智能手机、电脑等产品，介绍了集成电路中半导体器件的重要性。这些内容有利于帮助学生了解半导体器件、微型芯片的制作过程，拓宽学生的知識面，为学生未来学习电子学知识打下基础。正如朱邦芬教授在其文章所说，中学物理知识不系统、不完整会导致高中物理学科体系的“碎片化”和中学生物理学科知识的结构性欠缺[10]。所以笔者认为借鉴美国教材，在高中物理教材中增加“固态电子学”基础理论知识对解决我国芯片技术卡脖子问题，培养科研人才是很有必要的。

2） 建议师范院校将“固体物理”课程设为必修

笔者统计了校友排名靠前的20所师范大学的物理师范专业人才培养方案，发现虽然所有高校都开设了“固体物理”这门课程，但有近40%的院校未将“固体物理”设为必修课程。由于“固体物理”课程难度较大，令人望而生畏，因此大部分师范生并不会主动选修 “固体物理”，这会导致很多高中物理老师自身就缺乏对“固体物理”基本认识。我国现在使用的高中物理教材中还有部分与“固体物理”相关的知识，比如压电效应、X射线衍射、扫描隧道显微镜等[11]。如果教师没有学习过“固体物理”，自然也无法给学生讲好这部分内容。“固体物理”不仅是对大学物理知识的拓展与升华，而且能够开拓教师的眼界，增强教师遇到问题解决问题的能力，所以笔者建议师范院校将“固体物理”课程设为必修。

4 结语

通过教材比较可以发现，我国教材中涉及固态电子学的科普应用知识较多，渗透了相关科技前沿和应用，有利于拓宽学生的知识面，激发学生学习物理的兴趣。但其中理论知识较少，深度较为缺乏，新课标对这部分内容的要求也停留在了解程度，对学生未来学习固体物理相关理论知识帮助不大。美国教材中固态电子学知识则更为集中且深入，既有利于学生了解电子技术行业，培养学生对此行业的兴趣，又降低了大学学习理工科相关知识的难度。笔者建议借鉴美国教材，在高中物理教材中增加“固态电子学”基础理论知识，将师范院校的“固体物理”课程设为必修，从学生培养和老师培养两个方面改进现有物理教育，为解决芯片技术卡脖子问题打好基础。