新工科背景下“光电器件”课程科研反哺教学新模式探索

韦 玮，杨利平，冯 鹏，袁 刚

（重庆大学 光电工程学院，重庆 400044）

引言

“光电器件”课程内容聚焦国际光电技术科技前沿，覆盖发光二极管、太阳能电池、光电探测器等军用、民用领域的核心光电子器件，是光电信息科学与工程专业的核心必修课程。随着信息产业新技术的发展，光成为最主要的信息载体，且迎来了光电信息科技迅速发展的时期，出现了许多新的科学分支和技术增长点，国家建设迫切需要大批具有信息工程知识背景的高素质专业人才［1］。“光电器件”课程具有学科交叉、课程知识丰富、课程实践性强等特点，该课程为培养光电领域高素质专业人才提供了重要支撑。

当前，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新兴经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新，推进新工科的建设与发展［2-3］。在此背景下，如何为国家光电领域培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，是对“光电器件”传统课堂教学模式提出的新挑战［4］。近年来以美国为首的欧美国家在高端光电子器件领域对中国实施技术封锁，突破光电子技术“卡脖子”难题［5］，发展自主可控的高端光电子器件，是我国当前面临的重大难题。因此，国家亟须高校培养大批优秀的高素质高水平光电专业人才。然而，该课程在教学过程中存在课程内容前沿性欠缺、课程内容涉及多学科交叉、科研教学案例偏少、教学考核方式单一、评价体系具有局限性等问题。因此，如何改进“光电器件”课堂教学方法，提高教学质量，优化课程内容，提高学生的学习兴趣，成为本门课亟须解决的关键问题。

一、“光电器件”课程教学现状及存在问题

“光电器件”是针对光电信息科学与工程专业本科三年级学生开设的核心必修课程。课程系统介绍了发光二极管、光电探测器、热探测器、太阳能电池等典型的光电器件基本结构、工作原理、器件制备方法、器件表征技术等。学习本课程之前，学生已经系统地学习过“大学物理”“工程光学”“模拟电子技术”等课程，具备学习本课程的基础半导体物理知识。本课程教学团队根据多年教学经验，总结出该课程教学过程中存在的问题，具体如下。

（一）授课内容基础性强，但前沿性欠缺

随着光电子技术的飞速发展，“光电器件”课程内容更新速度与光电子行业发展相比，明显滞后。课堂教学中大多注重基础性内容的讲授，但前沿性内容欠缺，导致学生课堂学习时容易失去动力，没有新鲜感。例如传统课程内容中存在大量的新概念介绍、公式推导、原理分析等，学生对这些枯燥的概念理解及公式推导较为抵触，很可能会导致他们迅速失去对本课程的学习兴趣。

（二）内容多学科交叉，学习难度较大

“光电器件”是一门“理论—材料—器件—应用”多学科交叉的核心课程，这就要求学生在学习本门课程前理应具备理论物理、半导体物理、工程光学等基础知识，但是由于学生前期基础的差异，学生在理解本课程内容时的难易程度也不同，学习难度较大。例如在学习光电探测器单元内容时，需要学生了解并掌握材料生长、工艺制备、器件封装、系统应用的相关知识，然而在有限的课时内学生显然难以将所有的知识点都理解到位，无法对重点问题进行深入研究学习，最终导致教学效果不理想。

（三）授课以讲授为主，科研教学案例偏少

传统课程知识通常过分强调专业知识的传授，课堂模式往往形成了教师单向灌输、学生被动接受的局面。导致学生只注重书本知识的学习训练，忽视对相关专业知识的拓展学习，科研交叉前沿知识局限化，培养过程和教学内容滞后于时代发展的要求。教学模式没有创新，导致作为认知主体的学生处于被动地接受知识的地位，学生学习的主动性被忽视，甚至被压抑。此外，学生缺少足够的实践教育资源，忽视了工科教育自身实践与理论学习相结合的特点，导致大量学生在进入社会时缺乏动手实践能力，丧失核心竞争力。

（四）教学考核方式单一，评价体系有局限性

在以往传统教学中，学生考核成绩往往是评价学生对本课程掌握情况的唯一标准。然而这种评价方式具有一定的局限性，虽然传统考试的方式普遍应用在对学生成绩的评价之中，但是这种评价方式具有偶然性，并不能完全反映出学生对所学知识整体的掌握程度以及实践创新能力。传统的考核方式仅仅能反映出学生应对考试的能力以及对书本内容的掌握程度，不能很好地反映出学生对书本内容以外知识的掌握程度以及自主创新实践能力。

二、“光电器件”科研反哺教学改革探索

重庆大学光电工程学院“光电器件”教学团队多年来一直针对课程教学存在的难题，提出科研反哺教学的新方法，从课程思政、授课内容、授课方法、评价考核手段等方面进行了初步的改革探索与实践，并取得了一定的教学成效。教学为科研培养人才，科研则为人才培养提供学术思维锻炼的平台。科研反哺教学，实现二者协同发展是提高大学生独立思考能力、自主创新能力和社会实践能力的重要举措［6-9］。针对上述教学难题，提出以下科研反哺教学改革方法。

（一）积极推进课程思政建设

课程思政是指以构建全员全程全方位育人大格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把立德树人作为教育的根本任务的一种综合教育理念［10］。深入落实立德树人根本任务，积极推进课程思政建设，将思政元素糅进教学内容中，将全面提升人才培养质量。例如在“光电器件”课程教学中，给学生讲解中国科学院上海技术物理研究所方家熊院士为解决空间用红外传感器技术基础及工程问题，不畏艰难，勇攀高峰，最终成功实现了碲镉汞红外器件对1～15μm探测的全波段覆盖，助力我国航天事业发展的励志故事，厚植爱国主义情怀，培养学生励志科研报国的矢志初心。在讲授光刻章节时，给学生讲解美国为垄断移动通信技术，阻碍我国5G芯片的发展而通过其盟友加拿大对华为的孟晚舟实施非法拘押的事件，激发学生奋斗进取的定力，培养砥砺前行的决心。

（二）精选科研成果融入课堂教学

传统课堂教学中，学生从课本上获取的知识无法跟上最新的研究进展。教师应该将科学前沿的知识与研究热点融入教学过程中，使学生及时获取本专业最新的研究动态。同时，将最新的科研成果结合相应课程改编为教学案例为学生进行讲解，引导学生进行讨论交流，增强学生对本专业相关科学领域的学习主动性。例如，在新型光电探测器相关章节的课程教学中，教师可以将新型的二维材料光电器件与课堂教学有机结合，介绍最前沿的石墨烯光电探测器、单光子探测器、钙钛矿太阳能电池等，为学生展现本领域的科研动向，拓宽学生的科学视野，同时激发学生的学习兴趣，引导学生主动去探索科学的奥秘，加深学生对基本概念的深入理解，注重对学生的研究能力、创新意识及创新能力的逐步提升，将学生从课堂教学带入工程应用领域，使学生深切体会课程的重要性。

（三）探索多学科背景教师教学模式

在教学模式上，建立一种多学科背景教师助力一门课程教学的交叉渗透人才培养新模式，促使相近学科的教师能更好地交流合作，逐步形成一个跨学科、跨专业团结协作的学科教学群。实现多位不同学科背景的科研教师对一门课程进行反哺教学，有效地利用青年教师丰富的科研资源。例如在本门课程学习中，针对多学科交叉内容，可以邀请材料制备、器件加工等不同学科背景的教师给学生开设小型课堂讲座或课外答疑讨论等多种课堂教学形式，拓展学生的知识面，并及时查漏补缺，加深对课堂内容的理解，降低课程的学习难度。

（四）引入实际工程模拟仿真案例

“光电器件”课程内容丰富，知识点甚多，但对于本科生来说理论部分分析过于深入，公式烦琐抽象，很难理解其中的物理意义，这种课程给教师教学带来了很大的困难。引入实际工程模拟仿真案例进行教学是近年来课堂实验教学的新手段，利用Comsol Multiphysics、FDTD等有限元电磁仿真软件，对一些光学现象进行仿真复现，加深学生对知识的理解和掌握。教师可以基于以上仿真软件，结合自身科研成果，设计适合本科教学的虚拟仿真实验，例如通过Comsol Multiphysics仿真软件研究如何提升光电探测器响应灵敏度及探测率，利用FDTD有限元仿真软件研究如何通过设计发光二极管的逃逸角提高器件的量子效率等。通过这些课堂实验教学，提高学生的学习主动性，激发学生的学习热情。

（五）打造产学研合作第二课堂

探索基于“课堂教学、研究所实验实训、校企联合学习”三位一体的产学研合作教学模式。坚持以专业能力素质培养为核心，明确学生专业课程实践教学在学生能力素质培养中的目的。例如积极推动与中电科技集团重庆声光电有限公司、联合微电子中心、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、重庆四联光电科技有限公司等企业及科研院所的合作，通过邀请校外导师采用线上线下混合教学的方式，共同参与课程教学，将企业科研院所最新的科技案例融入课堂内容，打造产学研合作第二课堂。利用学校和社会两种教育环境，合理安排课程学习，使教学内容更加贴近社会发展的需求，促进学生科研能力、实践能力和整体素质的提高，达到培养高层次创新人才的目的。

（六）发展多样化的教学考核评价方式

科研反哺教学的最终目的是充分发挥学生的主观能动性，培养学生的自主学习意识，提高学生的科研能力。因此在教学考核方式上，教师应摒弃传统仅以期末考试成绩和日常考勤为标准的考核方式，增加互动讨论、课外文献研读、调研展示等形式多样的考核方式，例如布置LED照明、LED显示等前沿科技调研任务，让学生以三人为一组开展调研学习，并以PPT形式在班级进行展示分享，教师针对调研情况及PPT展示情况进行考核评价。给学生布置本专业最新的文献阅读任务，按照学生提交的文献调研报告进行考核评价。此外，教师应积极启发学生参与国家级大学生创新创业计划、SRTP项目等科研活动，拓展学生的科学视野，建立科研思维，并将参与科研项目情况列入考核评价标准中。

结语

“光电器件”课程是光电信息科学与工程专业的一门核心必修课程，课程涉及发光二极管、光电探测器和太阳能电池等光电器件的基本结构、工作原理、器件制备方法、器件表征技术。本文针对“光电器件”课程教学现状及存在的问题，布局了“光电器件”课程教学的总体改革探索方案，发展了前沿科研成果反哺于课堂教学的教学模式。在此基础上探索了多交叉背景教师教学新模式，引入科研实践案例，改进了课堂教学方法，打造产学研合作第二课堂，提升了课堂教学质量。针对学生的学习情况，提出了多样的教学考核方式，建立了完备的科研反哺教学效果评价参考标准。“光电器件”课程科研反哺教学改革是一个长期、循序渐进的过程，相信以上的课程教学改革探索方案能够给教师和学生提供足够的发挥空间，使之深入认识科研反哺教学，最终实现科研反哺教学的目标。