《光电显示技术》课程思政实践与探索

张天佑,王 雷,顾大伟,吴高建

(南京工业大学 数理科学学院,南京 211816)

2020年5月,教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》,强调全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措,课程思政建设是全面提高人才培养质量的重要任务。纲要还指出,广大一线教师要明确课程思政建设目标要求和内容重点,科学设计课程思政教学体系,结合专业特点分类推进课程思政建设,并将课程思政融入课堂教学建设全过程[1]。

一、《光电显示技术》课程介绍

《光电显示技术》是针对光电信息科学与工程(光电)和应用物理学(应物)等相关专业本科生开设的专业课程,是从事光学工程、仪器仪表、测量与控制研究人员所必须具备的专业基础,是一门与现代科学技术紧密相连的正在发展的新兴学科。课程学时数为32学时,其中16学时为理论课程,16学时为实验课程。理论授课主要内容包括:辐射度学参量、光色度学参量、显示器性能参数、阴极射线管(CRT)显示技术、液晶概念和分类及物理性质、液晶显示器件(LCD)基本结构和特点、无机电致发光器件(LED)结构和原理、有机电致发光器件(OLED)结构和原理、OLED激发态动力学过程、低温多晶硅(LTPS)性能特点、LTPS工艺流程及关键技术等。实验课内容主要包括:光色度学参量测量、LCD和LED及OLED光谱和响应时间测量、LCD器件制备和电光特性曲线测量、LCD视角测试、LED器件电流—电压—亮度曲线测量和OLED器件制备与表征等[2]。

《光电显示技术》课程的特点包括:1.授课内容繁杂,课时偏少,需要对授课内容进行量身裁剪。2.与产业技术息息相关,要求授课教师实时关注科技前沿动态。3.课程内容主线清晰,在讲解基础知识后按照显示技术发展历程依次介绍不同时代的主流显示技术。4.课程内容涉及将先修课程中所学的光学原理、半导体物理和固体物理知识、电子线路及光电技术等课程内容的综合应用,涉及复杂的工艺流程,技术整合性较强。

课程目标如下:1.掌握光色度学基本参量的物理意义和显示器件的基本性能参数。2.掌握各光电显示器件的基本结构和工作原理及各项技术的优点和局限,对工艺流程设计中涉及的各方面现实约束条件有比较全面、系统的认识和考虑,具备设计、开发、分析和解决光电信息领域相关工程技术问题的能力。3.能针对光电显示器件方向工程问题,基于现代仪器、信息技术、工具、软件等,正确设计光电显示器件并对现有工艺进行改进。

针对课程学时数有限的特点,重点参考了清华大学出版社出版的李文峰等编写的《光电显示技术》一书[3]。该教材内容精简,但用于32学时课程仍需适当裁剪。结合课程与时俱进的特点,增加了OLED显示技术和LTPS晶体管阵列的内容。该部分内容参考了清华大学出版社出版的应根裕等编写的《光电显示原理及应用》一书[4]。考虑到增加课程的时代性和开放性,参考了Springer出版的Jianglin Chen等编写的《Handbook of Visual Display Technology》一书,并根据需要选择部分内容作为学生翻译作业[5]。实验讲义由授课教师根据实际开展实验项目,结合科研背景编写,并作为内部资料发放给学生[6]。

二、践行课程思政

(一)增加课程人文性,提升引领性、时代性和开放性

《光电显示技术》课程介绍不同类型的显示技术,涉及将晦涩的半导体物理知识和固体物理知识应用在显示技术领域的具体问题。在讲解具体理论知识时,相关人文素材的引入可以帮助活跃学生学习氛围,缓解学生压力,充分激发学生的学习兴趣并调动学生的学习主动性。比如,牛顿和麦克斯韦及格拉斯曼对光度学的贡献、莱尼茨尔发现液晶相的过程、日本科学家研究蓝光LED的艰辛历程等。

《光电显示技术》是一门与时俱进的课程,学习内容从CRT到LCD,再到LED和OLED显示技术,将各技术的兴衰历程完整地呈现在学生面前。教师一方面从技术层面引领学生分析技术更迭的内在原因,另一方面补充当前最为先进的OLED显示技术和LTPS技术。让学生体会到每次技术革新都需要站在现有显示技术基础上进行。外文教材的参考阅读可以帮助学生了解国际技术行情,明晰国内外显示领域技术差异。在原有课件基础上完善专业术语和理论过程的配套外文素材,在考察环节增加外文教材翻译内容,提升了学习的时代性和开放性[7]。

(二)注重学思结合、知行合一

《高等学校课程思政建设指导纲要》强调,专业实验实践课程要注重学思结合、知行合一,增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力[8]。《光电显示技术》课程涉及光色度学参量、液晶电光特性等基本概念和性质,LCD、LED、OLED器件结构和LTPS阵列结构等复杂工艺结构,电子束偏转、偏振光偏振态的转变、电致发光过程和发光动力学过程等复杂机理过程,及光刻技术、磁控溅射技术、真空热蒸发技术、准分子激光技术等高端技术。这些概念、结构、过程和技术无法通过课堂讲解和书本描述让学生获得良好的学习体验。因此结合现有实验资源开展了相应的实验内容,具体如下:

1.针对光色度学参量,将单色仪与光纤光谱仪结合,测量不同单色光的光亮度、色纯度和色坐标,测试白光的色温和显色指数,加深学生对基本概念的理解。测量LED、LCD和OLED器件单色光和白光光谱参量,让学生充分理解混色原理在光电显示技术领域的应用。

2.LCD器件工作原理涉及电控光偏振态变化的过程,课堂讲解流于形式,难以被学生接受。让学生亲自动手制备简单液晶盒,并测试液晶盒的偏光性和电光特性曲线,充分发挥学生主体地位效能,使学生走出书本理论知识,投身实践环节,实现知行合一。

3.响应时间是显示器件关键参数之一,将函数信号发生器、示波器与高速光电探测器结合,利用方波信号驱动LCD、LED和OLED器件,让学生测试并利用软件分析得到器件的响应时间。一方面让学生了解测试快速过程的方法,深刻认识不同显示技术的响应时间差异对产品性能的影响;另一方面可以培养学生分析研究问题的科学素养和解决问题的实践能力[9]。

4.OLED是新兴最具潜力的显示技术之一,学生亲自动手制备并测试OLED器件的光色度学参量和电学性能,可以实现学生学习效果的全面提升和学生能力的全面培养:首先,教材固定知识无法展现科技进步的日新月异,课本外的知识拓展增加了OLED技术的学习难度,学生需要走进实验室进行看得见摸得着的知识学习,这样才能做到知其然并知其所以然;其次,OLED制备涉及透明电极的刻蚀和清洗工艺、真空热蒸发工艺和复杂器件参数器件测试过程。这些环节将课堂介绍的工艺流程穿插组合在一起,可以让学生深刻理解工艺过程和半导体物理知识的具体应用;最后,很多大型公司企业都积极拓展OLED业务,实验室OLED器件制备是OLED屏幕工艺的重要组成部分,为学生就业进行了技术热身,方便技术接轨。

学生通过以上的实验和实践过程,可以体会到纸上得来终觉浅并深刻理解实践是检验真理的唯一标准的内涵。书本知识只是专业技术的语言描述,只有在实验室动手操作才可以真正得到全面的锻炼和成长。

(三)培养大国工匠精神

《光电显示技术》是光电和应物专业学生接触到少有的涉及复杂工艺流程的课程之一。课程涉及较为复杂的实验内容有:器件响应时间测试与对比,LCD和OLED器件制备与表征。

在响应时间测试实验中,学生需要学习使用函数信号发生器,设置方波信号的频率、电平和占空比等参数,将同步信号分别输入示波器进行观察和连接器件进行驱动。示波器的熟练使用是完成测试的必要前提,学生需掌握利用示波器捕捉微弱信号的操作要领,涉及采样、获取、存储和触发等高阶技能的应用。最后,利用高速光电探测器将方波信号驱动的显示器件响应时间呈现在示波器上。这一环节要求测试所使用仪器的基本性能都要显著高于测试响应时间的技术要求。因此,学生需要先测试并证明所使用的示波器、函数信号发生器和光电探测器的性能都足以胜任响应时间测试的任务。授人以鱼不如授人以渔,该环节是学生在光电技术课程中学习测试技术的具体应用,同时兼顾数字电路课程所学的RC时间对测试的影响,可以说是一次“真枪实弹”的演练。培养了学生求真务实、去伪存真科学严谨的专业素养。

LCD和OLED器件制备与表征实验涉及衬底刻蚀和清洗、材料沉积等复杂过程的操作。长达数小时的实验和测试过程可以显著提升学生的耐心和细心。不仅融合了理论课讲述的各种技术,还涉及很多专业知识的具体应用,提升了学生的动手能力和专业信心。光学知识和半导体物理知识的具体应用,实现了学以致用的效果。复杂工艺的组合,提升了学生解决复杂工程和技术问题的能力。这两个实验过程中,有些环节直接决定了器件制备的性能和成败。比如,衬底的清洗决定了器件制备过程中功能层生长的微观结构,微观结构又决定了器件的性能。衬底是透明的,如果用反了会直接导致器件制备失败,这些实验细节培养了学生谦虚谨慎和精益求精的工匠精神[10]。在OLED器件制备过程中,需要用到高真空热蒸发沉积设备,真空的维护、工作区域的更换和掩膜版的循环使用都具有一定的错误风险性。理论讲解过程中向学生介绍操作不当导致仪器损毁的后果和实际案例,并要求学生细化操作流程,小组内部多次确认后才可以请示操作。这些复杂的环节培养了学生团结协作、直面困难和勇于攀登的职业精神[11]。

(四)激发科技报国的家国情怀和使命担当

科技兴则国兴,科技强则国强。光电和应物专业本科生毕业后在光电显示技术领域就业扎根,为国家贡献力量。这是一个国际技术角逐的领域,要求从业者具有强烈的使命担当和科技报国的坚定信念。在课程设计环节深入挖掘思政资源,恰当利用思政载体,介绍国际技术发展历史和形势,鞭策学生学习专业知识时立足国家技术发展现状,牢记初心、坚定前行。在CRT显示技术理论课程中,向学生介绍了国际CRT显示技术发展历程和我国黑白电视机与彩色电视机的崛起过程。在液晶显示器件发展历程中介绍了美国率先研制液晶显示器件,日本抢占先机的历史竞争过程,以及近期LCD显示技术的追赶过程。在显示器件响应时间讲解过程中,向学生介绍我国西安光机所生产条纹相机的进展以及与日本先进技术的差异。分析对比实验室所用示波器和函数信号发生器与国际先进产品的技术和性能差异。在OLED器件制备实验过程中,向学生分享国内外分子泵的价格和技术差异,介绍膜厚监测仪工作原理及国内外产品的发展状况。在OLED和LED电流—电压—亮度曲线测试过程中,结合纳安级电流测试情况,介绍国内数字源表产品的开发现状,讨论国外芯片封锁对我国数字源表发展的限制。在OLED器件和LCD器件衬底清洗环节,以及LTPS技术学习过程中,介绍我国光刻工艺取得的突破性进展,并与国际先进水平进行对比分析。在OLED器件工艺环节,以大国重器视频题材作为载体,介绍近年我国OLED显示技术实现弯道超车的飞速发展。

这些相关素材的引入,介绍了与学生学习和工作息息相关的技术领域的发展现状。融入课堂教学后,激发了学生科技报国的家国情怀和使命担当[12]。

三、结语

《高等学校课程思政建设指导纲要》指出,全面推进课程思政建设,教师是关键。要推动广大教师进一步强化育人意识,找准育人角度,提升育人能力,确保课程思政建设落地落实,见功见效。结合物理类专业课程的特点,我们深入挖掘了课程内容的思政来源,拓展课程思政建设的方法和途径,将一系列思政元素融入课堂教学,把控了课堂建设“主战场”,拓宽了课堂教学“主渠道”[13]。物理类专业课程的特点是以理论和技术为教学主要内容,而对方法论的讨论相对较少。因此我们侧重结合技术发展规律和国内国际形势,进行了课程思政建设,避免了生搬硬套的“两张皮”现象的出现,基本可以达到润物无声的教学效果。

通过本课程的课程思政建设和教学实践,教师的课程思政水平、传道情怀、授业和解惑能力均得到了显著提升。结合专业特点设计了课程思政教学体系,深度挖掘了课程思政元素,并将课程思政教学工作落实到了课堂教育,获得了较为理想的教学效果。将价值观引导工作与知识传授和能力培养融为一体,落实了立德树人根本任务。