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构建材料和器件的衔接桥梁《材料物理性能》课程教学模式
摘 要：现代前沿科技的发展越来越依赖学科交叉,材料与器件是当今高新技术发展的重要基石.根据材料类专业的现状和发展趋势,如何对材料类专业课程的教学模式进行改革使其更加符合学科交叉人才培养的要求,是材料类专业人才培养面临的一项重要任务.本文以《材料物理性能》课程为改革实践对象,在理论教学与实验实践方面优化课程设计并搭建相应的软硬件平台,将材料性能、器件构筑、测试分析以及大型仪器设备的使用等方面知识进行有机融合,构建了材料与器件的衔接桥梁,探索了一种新型的教学模式.在我校材料类专业的教学实践表明该教学模式取得了良好的教学效果.
关键词：材料物理性能；材料；器件；桥梁；创新
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）04-0124-03
材料与器件是集先进材料制备技术、复杂结构器件设计与制备以及器件封组装技术于一体的新型交叉学科,是当今高新材料发展与应用的基础.现造技术是伴随着先进材料和复杂结构器件的发展而不断进步的,器件也是材料向下游供给链发展的必经之路.材料类专业,包括材料科学与工程专业、冶金工程专业、金属材料工程专业、无机非金属材料工程专业、高分子材料与工程专业、复合材料与工程专业等,在国民经济建设中有着举足轻重的地位,对经济社会的发展做出了卓越的贡献[1].伴随着电子信息技术的飞速发展以及社会对创新性综合型人才的需求,材料与器件作为相互独立又密切关联的两大领域,如何在高等学校材料类专业的大学生课程教育方面开展材料与器件之间的衔接逐步受到关注,也成为目前高等学校材料类专业课程与教学模式改革探索的内容之一.本文尝试以《材料物理性能》课程为改革实践对象,基于教师们近年来在半导体材料与器件方面的研究成果,开展科教协同,在理论教学和实验实践两方面探索如何搭建材料与器件的衔接桥梁.在教学模式上将材料性能、器件构筑、性能测试和大型仪器设备使用进行有机融合,充分体现了课程教学的创新性与综合性.
一、创新教学模式的必要性
材料与器件涉及到材料科学与工程方面的知识和半导体器件物理方面的内容,在材料领域重点研究材料的结构、成份、工艺与性能,而在器件方面着重研究器件设计、制备工艺、性能、可靠性以及封组装.从字面上理解,新型课程或综合型课程与《大学物理》、《材料科学基础》、《半导体物理》、《材料物理性能》、《半导体器件》等课程的教学模式并无太大区别,依然可以沿用理论讲解并辅以实验实践的教学特色.然而,材料与器件的结合是极具创新能力的交叉学科,是随着时展和技术进步而不断发展及完善的,而且随着新技术的出现,学科交叉产生的研究成果甚至是颠覆性的.材料与器件作为相互独立又密切关联的两大领域,如何搭建材料与器件的衔接桥梁成为探索材料类专业课程教学模式的焦点之一[2,3].具体来说是如何让材料工作者充分透彻地理解并掌握器件的需求,根据器件的性能和使用要求反过来设计材料的性能、组成成份、微观结构和制备工艺,这对于拓展材料的应用,提高材料的附加值,培养创新性综合型材料类专业的大学生具有十分重要的实际价值和现实意义.
另一方面,以实践和创新能力培养为目标的卓越工程师计划以及工程教育论证体系的实施[4,5],高等学校大学生理论讲授总课时在一定程度上需要减少,并增加实践的学时数,这往往伴随着部分课程的合并与改革,例如目前部分高校材料类专业的《无机化学》与《分析化学》合并成为《无机与分析化学》[6],《材料物理性能》与《材料力学性能》合并成为《材料性能学》[7].因此,在知识总量不断增加而课时数被减少的双重背景下,创新课程教学模式势在必行.
二、课程设计与理论教学模式探索
《材料物理性能》课程涵盖材料热学、磁学、导电性、介电性、光学等内容,在理论教学过程中,着力探索材料性能与相应器件构建在原理上的有机结合,搭建材料与器件的衔接桥梁.我们在对材料性能基本概念、相关机理详细讲解的基础上,将单一性能或多种性能综合的复合性能进行深入剖析,阐明材料性能的潜在应用前景,从原理与工作机制上构建潜在的器件,探索器件结构的设计与性能预测,从而搭建材料与器件的衔接桥梁.课程改革对《材料物理性能》中材料与器件衔接的部分示例概括如表1所示.
思想是行动的指南,教师要鼓励学生创新思维、充分发挥知识的智力因素,建立创新意识.这要求教师在课程教学模式上激励学生大胆探索、勇于突破传统概念,把以往的“问答”式教学向“对话型”和“辩论型”转变,以培养学生的创新意识为目标.例如,我们在讲解材料电光转换特性这一知识点时,不仅仅把电光转换性能应用于光电子器件方面,还需要帮助学生弄清楚注入的电子数转换成光子数的概率,进而阐明器件量子效率（包括内量子效率和外量子效率）的概念与内涵[8].将知识点进一步升华,和学生共同探讨器件设计和封装如何提高或降低量子效率,并阐述相关原理和机制,使学生全面系统地理解并掌握电光转换特性方面的知识内容.
摩尔定律早就预言半导体的集成度或性能每隔18-24个月就要提高一倍而生产成本基本保持不变,并且得到了实践证明.这意味着,材料制备工艺、器件结构设计与封组装等知识都在不断地更新,而且更新速度极快.然而半导体技术发展到今天的超高集成化,器件的集成度已不可能无限制地增加,并伴随着摩尔定律将开始失效,这就要求教师对大学课程的教学模式需要不断更新,引导学生不仅仅从集成度这个角度去思考器件的发展方向,还要逐步转向其他知识面,如多功能化、环保低碳生产工艺等.以薄膜晶体管为例,在器件设计与制备工艺方面不能一味地强调提高集成度,而应该往高场效应迁移率、高开光比以及全透明、可柔性等新型应用方面发展.
三、实验实践教学模式探索
在创新理论教学模式上需要辅以实验实践,最大程度地提高学生的创新思维.《材料物理性能》课程根据教学内容也配套有相应的实验实践课,我们在实验实践课程的设计上,除了极个别验证性实验以外,绝大多数为创新性综合型实验.结合教师们近年来在半导体材料与器件方面的研究成果和部分科研平台,在实验教学过程中为大学生的创新实践活动打造了较为全面的硬件和软件设施,部分综合性实验举例如表2所示.
通过对专用实验平台的搭建与完善,为创新实验实践教学提供了重要保障,并为学生深入探讨实验原理和器件工作机制提供了更多的业余空间.一方面,根据器件的性能参数和工作机制,反过来设计器件的结构特征以及器件所需材料的性能要求和制备工艺,将材料与器件进行有机衔接；另一方面,在开展材料与器件制备、参数测试、机理分析等方面的实验实践过程中让学生充分了解并掌握大型仪器设备的工作原理、操作步骤和功能特色,将材料类专业的知识点与大型仪器设备的使用进行有机结合,充分拓宽学生的知识面.在实验实践教学过程中,学生还可以自己设计实验内容,在教师的指导下独立完成更多的创新性实验.
此外,在实验结束后教师和学生一起讨论实验过程中的创新点和取得的创新性成果,对一些有价值的实验结果组织学生进行深入研究,将其提升为科教协同或者实践创新项目,让学生在教师的指导下进行独立研究,其研究成果申请专利,并以论文形式公开发表.
工程教育认证明确要求学生具有解决复杂工程问题的能力[5],而学生解决复杂工程能力的培养需要从基础课、专业基础课以及专业课等各门通识课程中逐步得到锻炼,不能仅仅寄托于毕业设计（论文）,在《材料物理性能》课程教学模式上创新性地搭建起材料与器件的衔接桥梁,这正好为培养学生如何解决复杂工程问题提供了实际锻炼.另外,《材料物理性能》课程的实验课搭建的创新性硬件平台与教学模式也为材料类专业卓越工程师的培养提供了重要参考和指导价值,同时,也为研究生课程《材料科学实验》提供了重要的平台保障.
四、结语
本文以《材料物理性能》课程为改革实践对象,围绕理论教学与实验实践两方面的课程设计与平台搭建,将材料性能、器件构筑、测试分析以及大型仪器设备的使用进行有机结合,构建了材料与器件的衔接桥梁,探索了一种新型的教学模式.教学效果表明,这种新型教学模式是切实可行的,有利于培养大学生的创新能力和综合素质.
材料物理论文范文结:
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