先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

樊永祥 許晟瑞 康海燕

摘 ?要：面對(duì)行業(yè)需求和學(xué)科前沿的快速發(fā)展，以增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和建立科學(xué)研究信心為目的，在本科“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，結(jié)合西電在寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN領(lǐng)域的科研優(yōu)勢(shì)，通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入先進(jìn)的科研測(cè)試技術(shù)，討論科學(xué)研究促進(jìn)教學(xué)改革的思路。以熒光光譜分析技術(shù)在半導(dǎo)體材料參數(shù)的測(cè)試應(yīng)用為案例，探討先進(jìn)科研測(cè)試手段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的模式、方法和問題等。

關(guān)鍵詞：測(cè)試技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);改革;半導(dǎo)體材料

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2020）18-0117-03

Abstract： Facing the demand of industry and the rapid development of discipline frontier， to enhance college students' ability to innovate and build confidence in scientific research， a study of new ideas on how ?science research can help education reform is discussed by using advanced technologies in science measurements， on the basis of the experimental teaching of "Microelectronics Science and Engineering" and the advanced science research of the wide band semiconductor materials GaN in Xidian University. As a case， the technology of fluorescence spectroscopic analysis in measurement of parameters of semiconductor materials is used for the experimental course to discuss the models， methods， and problems.

Keywords： technologies in measurements; experimental teaching; reform; semiconductor materials

一、概述

近年來，先進(jìn)的科學(xué)研究對(duì)實(shí)踐教學(xué)的促進(jìn)作用備受關(guān)注，發(fā)展迅速。GaN作為典型的第三帶半導(dǎo)體材料，相關(guān)材料與器件研究是西安電子科技大學(xué)的科研優(yōu)勢(shì)，取得了眾多的研究成果[1-4]。同時(shí)行業(yè)對(duì)于工程型人才的實(shí)際需求也要求“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要與行業(yè)迫切需求、科研前沿發(fā)展相適應(yīng)。

“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)是國(guó)家一級(jí)學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”的重要支撐專業(yè)，本科實(shí)踐教育對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)是至關(guān)重要的，這也是近年來高等教育的主要發(fā)展方向之一[5-8]。如何以科研優(yōu)勢(shì)促進(jìn)教學(xué)發(fā)展的思路由來已久[9-13]，將先進(jìn)的科研測(cè)試技術(shù)引入本科相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是很好的“以研促教”方法，是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究課題。

二、行業(yè)對(duì)人才的客觀需求和本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)家對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)非常重視，近年來美國(guó)對(duì)華為的百般刁難和出口限制充分說明了芯片產(chǎn)業(yè)對(duì)于國(guó)家的重要性和戰(zhàn)略意義。產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)相關(guān)人才需求，極大地推動(dòng)了教學(xué)改革的發(fā)展。西安電子科技大學(xué)的“微電子科學(xué)與工程”本科專業(yè)屬于國(guó)家一類熱門專業(yè)。本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)高層次理論型、工程型人才培養(yǎng)至關(guān)重要，但在本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問題，主要表現(xiàn)為：

（一）課程教學(xué)大綱滯后于學(xué)科發(fā)展前沿和行業(yè)實(shí)際需求

“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)的前身是1965年設(shè)立“半導(dǎo)體材料與器件”專業(yè)，歷經(jīng)50多年的發(fā)展，專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行了多次的修訂和完善，從課程內(nèi)容、學(xué)時(shí)、能力培養(yǎng)、課程層次關(guān)系等多方面進(jìn)行了改進(jìn)。隨著近十年行業(yè)和學(xué)科的快速發(fā)展，學(xué)校的專業(yè)教育表現(xiàn)出在專業(yè)前沿領(lǐng)域涉及不足的問題，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科的快速發(fā)展，教學(xué)形式與行業(yè)脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。

（二）重科研輕教學(xué)的現(xiàn)象一直客觀存在著

目前，對(duì)于高校的評(píng)價(jià)體系中，核心指標(biāo)仍然主要是由科學(xué)研究工作完成的，其中論文、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)等是重要的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，這就導(dǎo)致了重科研輕教學(xué)現(xiàn)象的客觀存在。國(guó)家政策是高等教育重要的發(fā)展指針，也是學(xué)?？己私處煹闹匾较?，盡管在國(guó)家層面多次出臺(tái)政策促進(jìn)教學(xué)的快速發(fā)展，但是重科研輕教學(xué)現(xiàn)象仍然存在，亟待有所改變。

（三）先進(jìn)的科研測(cè)試手段在教學(xué)中的應(yīng)用較難推廣

在西電“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)的本科教學(xué)中，科研優(yōu)勢(shì)對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用不明顯。先進(jìn)的科研設(shè)施和精密儀器很難面向本科教學(xué)用途推廣，精密的科研設(shè)備具有高昂的價(jià)格和維護(hù)成本，承擔(dān)著科研前沿和高層次研究型人才培養(yǎng)任務(wù)。學(xué)科前沿知識(shí)的傳遞在教學(xué)中有涉及，但延伸性較差。先進(jìn)的科研技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用不足。

針對(duì)上述問題，在西電“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，依托西電在第三帶半導(dǎo)體材料GaN研究領(lǐng)域的科研優(yōu)勢(shì)，探索先進(jìn)科研測(cè)試手段應(yīng)用于教學(xué)并形成良性促進(jìn)作用就顯得十分迫切和必要了。

三、案例內(nèi)容和先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際和人才培養(yǎng)需要，以新實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目的形式完成熒光光譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用作為案例，研究應(yīng)用先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)于教學(xué)的模式、方法和難點(diǎn)等問題。

（一）光學(xué)測(cè)試手段在科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的區(qū)別

GaN和InN形成的合金InGaN是發(fā)光二極管量子阱的核心區(qū)域，在InGaN材料的科學(xué)研究中，禁帶寬度、組分和晶格常數(shù)等是非常重要的指標(biāo)。光譜分析技術(shù)的科研應(yīng)用由來已久，目前主要有透射電子顯微鏡和X射線衍射為代表的測(cè)試技術(shù)，這些技術(shù)均很好地滿足了科學(xué)研究對(duì)測(cè)試精度的要求，但都存在設(shè)備價(jià)格高昂、場(chǎng)地要求高和維護(hù)成本高等特點(diǎn)，不利于實(shí)踐教學(xué)推廣。

在人才培養(yǎng)需求的帶動(dòng)下，面向教學(xué)市場(chǎng)的巨大需求，基于熒光光譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)了，這為增設(shè)本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試InGaN發(fā)光材料參數(shù)提供了可能。熒光光譜分析技術(shù)采用的光源為L(zhǎng)ED或LD光源，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能夠測(cè)試的半導(dǎo)體材料范圍比科研需求要窄，但它具有很高的測(cè)試精度，仍然能夠滿足本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，在技術(shù)上使得理論表征和實(shí)際測(cè)試先進(jìn)材料InGaN成為可能，是第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)理論教學(xué)的延伸。

（二）新實(shí)驗(yàn)開發(fā)與熒光光譜分析技術(shù)的應(yīng)用

通過申請(qǐng)?jiān)O(shè)立“PL譜在摻雜半導(dǎo)體組分和禁帶寬度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究”新實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目，研究熒光光譜分析技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，就是先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用范例。在獲得學(xué)校對(duì)該項(xiàng)目的支持后，項(xiàng)目組成員先后完善了材料的參數(shù)表征理論到實(shí)驗(yàn)原理的內(nèi)容修訂，儀器光源波長(zhǎng)對(duì)三代半導(dǎo)體材料適應(yīng)性研究與實(shí)驗(yàn)樣品制作，儀器測(cè)試誤差與教學(xué)要求關(guān)系研究，實(shí)驗(yàn)推廣可行性分析等問題。

該項(xiàng)目完成后，應(yīng)用于本科“微電子科學(xué)與工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，已歷時(shí)兩年，四個(gè)學(xué)期的實(shí)施結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)作為《半導(dǎo)體工藝檢測(cè)實(shí)驗(yàn)》課程的一個(gè)子項(xiàng)目，具有了年接納學(xué)生500人的能力，同時(shí)，很好地解決了實(shí)驗(yàn)課程缺少光學(xué)測(cè)試手段、缺少先進(jìn)材料測(cè)試內(nèi)容、與學(xué)科前沿發(fā)展滯后性等問題。

四、先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的模式總結(jié)

上述案例表明開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以很好地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過“以研促教”形式實(shí)現(xiàn)先進(jìn)科研成果在教學(xué)中的應(yīng)用，是科研對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用體現(xiàn)。那么，先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用又是如何進(jìn)行的？

（一）調(diào)研與推動(dòng)設(shè)備廠商研制教學(xué)設(shè)備的積極性

在面向科學(xué)研究時(shí)，所使用的測(cè)試儀器具有很高的測(cè)試精度、嚴(yán)格的放置環(huán)境、規(guī)范的操作流程、成本高昂的性能維護(hù)等，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在很大的推廣難度。在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下，小范圍應(yīng)用科研級(jí)測(cè)試儀器到實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高水平人才培養(yǎng)的重要保障。在經(jīng)濟(jì)條件不足的情況下，面向?qū)I(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，必須找到滿足前沿性測(cè)試需求，相對(duì)精度較低、性價(jià)比高的面向教學(xué)用途的替代設(shè)備。積極與儀器供應(yīng)商廣泛的溝通，表達(dá)教學(xué)需求，使其充分認(rèn)識(shí)到巨大的市場(chǎng)需求是促進(jìn)廠商研發(fā)教學(xué)替代設(shè)備的重要途徑。

（二）合理選擇科學(xué)理論的前沿分支構(gòu)建新實(shí)驗(yàn)理論模型

在相關(guān)科學(xué)研究領(lǐng)域存在著眾多的細(xì)小分支，大多具有涉及專業(yè)知識(shí)面窄、難度大、知識(shí)水平要求高等特點(diǎn)。合理選擇適合人才培養(yǎng)需求和實(shí)際操作的研究?jī)?nèi)容，將是新實(shí)驗(yàn)理論模型開發(fā)的重要保證。從事科學(xué)研究首要解決的就是理論問題，科學(xué)理論是科研成果產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)。在充分與科研團(tuán)隊(duì)成員交流后，選擇合適方向或分支并以其先進(jìn)的科研理論為基礎(chǔ)，開發(fā)實(shí)驗(yàn)理論模型將達(dá)到事半功倍的效果。

（三）對(duì)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)立進(jìn)行論證與預(yù)判評(píng)估

新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)環(huán)節(jié)包括：專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)課程大綱、實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)教師等。在設(shè)立新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目前，必須對(duì)這些環(huán)節(jié)中起到制約作用的培養(yǎng)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研。內(nèi)容有：是否存在滿足專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃和人才能力培養(yǎng)的新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容？是否存在滿足教學(xué)較低精度要求、高性價(jià)比的類似設(shè)備？在調(diào)研的基礎(chǔ)上，先進(jìn)的科研理論就是實(shí)驗(yàn)講義的和課程大綱的基礎(chǔ)，科研研究的對(duì)象就是很好的實(shí)驗(yàn)樣品來源。

（四）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師培訓(xùn)或人才引進(jìn)為新實(shí)驗(yàn)實(shí)施提供保障

從事相關(guān)科學(xué)研究的教師就是最好的實(shí)驗(yàn)教師引入對(duì)象。在無法引進(jìn)相關(guān)教師的情況下，培訓(xùn)已有的實(shí)驗(yàn)教師就是重要的手段。針對(duì)現(xiàn)有教師的職業(yè)素養(yǎng)、儀器操作能力、理論知識(shí)水平等開展相關(guān)培訓(xùn)工作，可以在從事相關(guān)科研工作的教師幫助下進(jìn)行。需要系統(tǒng)性嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亻_展培訓(xùn)工作，確保實(shí)驗(yàn)教師充分掌握實(shí)驗(yàn)理論、測(cè)試手段、儀器操作規(guī)范等內(nèi)容。

（五）成功的應(yīng)用模式的推廣價(jià)值評(píng)估

先進(jìn)科研測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用作為重要的促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的手段，有效地實(shí)際使用和必要合理的大力推廣，是高水平人才培養(yǎng)和教學(xué)改革發(fā)展的保證。在各門專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，通過增設(shè)新實(shí)驗(yàn)的方法，以應(yīng)用先進(jìn)的科研測(cè)試手段為媒介，可以有效地整合西電的科研優(yōu)勢(shì)，使科學(xué)研究發(fā)展拉動(dòng)教學(xué)水平提升，先進(jìn)的教學(xué)模式和高水平的教學(xué)方法必然會(huì)推動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效提升，高層次人才又可以充實(shí)科研隊(duì)伍，達(dá)到教學(xué)反哺科研的目的。

五、結(jié)束語

在已經(jīng)形成規(guī)模的集成電路實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)上，結(jié)合學(xué)校先進(jìn)的科研測(cè)試技術(shù)手段、科研前沿成果、科研從業(yè)教師隊(duì)伍及完整的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系，證明了先進(jìn)科研測(cè)試手段在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用是可行的。借助已具備的科研優(yōu)勢(shì)力量，在專業(yè)培養(yǎng)體系內(nèi)，通過增設(shè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方式，引進(jìn)先進(jìn)的科研測(cè)試手段，可以進(jìn)一步提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的推廣和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)科研促進(jìn)教學(xué)、教學(xué)反哺科研的重要手段，總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是值得借鑒的。

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