《拉曼熒光光譜基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程的科教融合教學(xué)探索

徐宗偉 吳 斌劉 蓉 王 鵬 薛 濤

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 天津 300072；2.天津大學(xué)分析測試中心 天津 300072）

0 引言

教育，滋養(yǎng)著人才；科研，連接著創(chuàng)新[1]。如何讓兩臺(tái)引擎相互調(diào)諧、輸出最強(qiáng)合力，是高等教育的重要課題。高層次人才培養(yǎng)與高水平科學(xué)研究是互為依托、相互促進(jìn)的[2]。發(fā)達(dá)國家最早成立的一批國立科研機(jī)構(gòu)，如1810年成立的德國洪堡大學(xué)注重科研與教育的結(jié)合，一方面催生了一批一流的早期研究型大學(xué)，同時(shí)也在大學(xué)里產(chǎn)生了一批高水平的國家級(jí)科研機(jī)構(gòu)[2,3]。

2020年1月13日，《教育部關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)工作的意見》印發(fā)，決定自2020年起，在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)（強(qiáng)基計(jì)劃）[4]。在意見中指明了強(qiáng)基計(jì)劃的培養(yǎng)模式包括：探索推進(jìn)科教協(xié)同育人，鼓勵(lì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等吸納本-碩-博學(xué)生參與項(xiàng)目研究，探索建立結(jié)合重大科研任務(wù)進(jìn)行人才培養(yǎng)的機(jī)制。

科教融合的難點(diǎn)是如何促使“教育”和“科研”形成有機(jī)的整體[5-7]，以國家重大戰(zhàn)略需求、重大科學(xué)問題等科研項(xiàng)目實(shí)踐為牽引，通過不斷豐富、完善教學(xué)內(nèi)容等途徑，帶動(dòng)教學(xué)的發(fā)展，并反哺/推動(dòng)科研的進(jìn)步。

1 把握科技發(fā)展脈搏，深挖科教融合案例

第三代半導(dǎo)體是提升新一代信息技術(shù)核心競爭力和推動(dòng)新基建國家戰(zhàn)略的重要支撐。圍繞國家自然科學(xué)基金國際合作與交流項(xiàng)目、國家自然基金委與德國科學(xué)基金會(huì)合作研究項(xiàng)目、中德合作交流項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目的實(shí)施，課程組搭建了共聚焦拉曼/熒光光譜儀，配備了激發(fā)波長范圍325 nm～1064 nm、高精度變溫臺(tái)、銦鎵砷紅外探測器以及偏振功能等，為科教融合的實(shí)踐、教學(xué)案例的凝練等提供了有效的硬件支撐。

在承擔(dān)國家縱向項(xiàng)目的同時(shí)，課程組也積極參與產(chǎn)學(xué)研合作。課程組成員與中國電子科技集團(tuán)公司第46研究所、第13研究所等第三代半導(dǎo)體國內(nèi)龍頭產(chǎn)業(yè)化單位保持緊密的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，課程組成員擔(dān)任河北省新型半導(dǎo)體材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，與河北普興公司開展了聯(lián)合培養(yǎng)工程博士等深入合作模式，推動(dòng)了科教融合的有效實(shí)施。

課程組基于變溫共聚焦拉曼/熒光光譜表征分析，研究了Al離子注入碳化硅的電學(xué)性能、碳化硅色心光致發(fā)光性能、金剛石和氧化鎵光譜特性等，相關(guān)成果已發(fā)表在Crystals,Diamond&Related Materials,Ceramics International,Journal of Alloys and Compounds等高水平期刊上，并被Horiba公司進(jìn)行了專題介紹。同時(shí)，在International Conference on Silicon Carbide and Related Materials(2019)和第五屆國際碳材料大會(huì)等頂級(jí)半導(dǎo)體材料會(huì)議上受邀作報(bào)告展示，與本領(lǐng)域國際/國內(nèi)同行建立了良好的交流和合作關(guān)系。

課程組堅(jiān)持以科研項(xiàng)目實(shí)踐為牽引，通過豐富教學(xué)內(nèi)容等帶動(dòng)教學(xué)的發(fā)展。接下來分享兩個(gè)典型的科教融合案例。

科教融合案例1。半導(dǎo)體材料/器件因其具有多層膜的結(jié)構(gòu)特征，共聚焦光譜的高精度逐層表征方法和技術(shù)在界面應(yīng)力、電學(xué)性能、材料相變等高精度探測中發(fā)揮重要作用。載流子濃度作為半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)，拉曼光譜等離激元與縱光學(xué)聲子耦合模（LOPC）的峰型、峰位等與載流子濃度相關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)SiC等半導(dǎo)體載流子濃度的無損表征。而且，LOPC模和LO模在物理機(jī)制上的差異，可以作為光譜譜線的多普勒展寬和自然展寬機(jī)制，以及高斯洛倫茲峰型擬合函數(shù)的典型應(yīng)用案例。

科教融合案例2。拉曼散射及熒光信號(hào)通量的計(jì)算公式中包含十多項(xiàng)參數(shù)，為了更直觀地理解關(guān)鍵參數(shù)的物理意義，如，探測器量子效率，授課選擇了光致發(fā)光波長在～1000 nm左右的硅空位缺陷發(fā)光信號(hào)等為分析對(duì)象，通過對(duì)比分析CCD探測器和銦鎵砷紅外探測器的表征結(jié)果，講授了探測器量子效率的影響機(jī)制和測試策略等。

2 強(qiáng)化實(shí)踐考核環(huán)節(jié)

《拉曼熒光光譜基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程加強(qiáng)實(shí)踐考核環(huán)節(jié)的比重，實(shí)驗(yàn)成績、結(jié)課答辯成績占55%。與傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置相對(duì)陳舊不同，以“科教融合”為出發(fā)點(diǎn)的課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相對(duì)靈活，新穎性和探索性也更強(qiáng)。課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用了科教融合、博士生助課的授課模式，分5組不同實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行拉曼熒光光譜的實(shí)踐動(dòng)手操作和數(shù)據(jù)分析等。另外，課程設(shè)置了結(jié)課答辯環(huán)節(jié)（5個(gè)答辯小組，每組5～6人），結(jié)合課程所學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和代表性科技論文的梳理，小組成員分工協(xié)作、共同完成課程的結(jié)課展示與答辯。

通過增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核，提升同學(xué)們的課程學(xué)習(xí)所得，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，鍛煉提升本碩博的中/英文表達(dá)和邏輯思維等科研素養(yǎng)能力。在課程達(dá)成度統(tǒng)計(jì)反饋中，針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和結(jié)課答辯環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)所得上，同學(xué)們給予了積極評(píng)價(jià)。

3 啟發(fā)式教學(xué)模式探索

實(shí)踐授課表明，通過對(duì)日常物理現(xiàn)象的解析來引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)科學(xué)問題和課程知識(shí)的思考，是科教融合授課的有效途徑之一。

通過對(duì)日常物理現(xiàn)象的解析，來加深同學(xué)們對(duì)課程知識(shí)的理解。例如，通過對(duì)雨后彩虹的分析引入光譜儀的色散原理；利用極光、螢火蟲的發(fā)光原理，來展開闡述熒光的發(fā)光機(jī)制等；通過類比分析調(diào)幅（AM）廣播的信號(hào)傳播原理與拉曼非彈性散射原理的相通性，加深同學(xué)們對(duì)斯托克斯散射和反斯托克斯散射信號(hào)對(duì)稱分布有更直觀的理解，等等。

激光波長的選擇是共聚焦光譜表征分析的核心參數(shù)，其選擇依據(jù)可以通過日常光學(xué)現(xiàn)象分析進(jìn)行更直觀的講授。一方面，利用晴朗天空的藍(lán)色是由于散射光效率與波長四次方成反比（瑞利散射定律）的原理，讓同學(xué)們理解短激發(fā)波長會(huì)提升散射光效率。另一方面，通過分析晚霞呈現(xiàn)紅色、汽車霧燈選擇紅光等由于長波長光穿透能力更強(qiáng)的解釋，引入不同波長激光的吸收、穿透能力的基本概念和規(guī)律的講解，為共聚焦光譜表征時(shí)激發(fā)波長的合理選擇提供支撐。

4 加強(qiáng)授課團(tuán)隊(duì)的科教融合能力建設(shè)

不斷打磨和完善授課課件。主講老師們利用夏令營、冬令營等各種授課機(jī)會(huì)，通過授課實(shí)踐及持續(xù)改進(jìn)等，不斷打磨和完善授課課件，優(yōu)化授課思路和技巧等。

發(fā)揮分析測試中心的測試服務(wù)優(yōu)勢。天津大學(xué)分析測試測試中心面向全校開展光譜測試技術(shù)服務(wù)，同時(shí)定期面向全校和社會(huì)開展拉曼光譜知識(shí)講座與培訓(xùn)，為課程提供了豐富的課件素材。

推動(dòng)研究生參與課程助課建設(shè)。積極鼓勵(lì)博士生和高年級(jí)研究生參與助課工作，鼓勵(lì)研究生積極參加學(xué)術(shù)交流、發(fā)表科技論文，在學(xué)術(shù)交流中不斷提升和磨煉科研素養(yǎng)，培養(yǎng)科研自信；在科技論文寫作過程中不斷加深對(duì)課程知識(shí)的理解。

5 持續(xù)改進(jìn)建議

課程基于問卷星征集了課程持續(xù)改進(jìn)建議，同學(xué)們建議增加“練習(xí)題”“閱讀文獻(xiàn)任務(wù)”等環(huán)節(jié)。分析原因，是課程設(shè)計(jì)之初側(cè)重于“科教融合”中“科研”部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)，而本科生的科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)薄弱，通過提供適當(dāng)題量的“練習(xí)題”等可以有效強(qiáng)化、加深基本知識(shí)的學(xué)習(xí)所得。另外，完善課程配套教材的建設(shè)也是推動(dòng)科教融合課程的繼續(xù)改進(jìn)的關(guān)鍵所在。

6 致謝

感謝天津大學(xué)研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目《面向強(qiáng)基計(jì)劃的貫通培養(yǎng)與科教融合實(shí)踐》（YCX202039）、天津大學(xué)研究生全英文教材建設(shè)項(xiàng)目《Raman/Photoluminescence spectroscopy of wide bandgap semiconductors》（YJC202004）資助。感謝宋瑩、張琨、董兵、劉嘉宇，劉濤等幾位助課同學(xué)，感謝天津工業(yè)大學(xué)王虹副教授，德國弗勞恩霍夫Mathias Rommel博士，中科院半導(dǎo)體所譚平恒研究員、劉雪璐博士，南開大學(xué)王玉芳教授，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李強(qiáng)博士，天津大學(xué)分析測試中心畢明海老師，李威博士，胡恩萍博士，楊宇豐工程師，苗芃工程師，中國電子科技集團(tuán)公司第46研究所、第13研究所對(duì)項(xiàng)目的支持。