新工科背景下“光電器件”課程科研反哺教學(xué)新模式探索

韋 瑋，楊利平，馮 鵬，袁 剛

（重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400044）

引言

“光電器件”課程內(nèi)容聚焦國際光電技術(shù)科技前沿，覆蓋發(fā)光二極管、太陽能電池、光電探測器等軍用、民用領(lǐng)域的核心光電子器件，是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的核心必修課程。隨著信息產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的發(fā)展，光成為最主要的信息載體，且迎來了光電信息科技迅速發(fā)展的時(shí)期，出現(xiàn)了許多新的科學(xué)分支和技術(shù)增長點(diǎn)，國家建設(shè)迫切需要大批具有信息工程知識背景的高素質(zhì)專業(yè)人才［1］?！肮怆娖骷闭n程具有學(xué)科交叉、課程知識豐富、課程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，該課程為培養(yǎng)光電領(lǐng)域高素質(zhì)專業(yè)人才提供了重要支撐。

當(dāng)前，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新興經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對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創(chuàng)新，推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展［2-3］。在此背景下，如何為國家光電領(lǐng)域培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，是對“光電器件”傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式提出的新挑戰(zhàn)［4］。近年來以美國為首的歐美國家在高端光電子器件領(lǐng)域?qū)χ袊鴮?shí)施技術(shù)封鎖，突破光電子技術(shù)“卡脖子”難題［5］，發(fā)展自主可控的高端光電子器件，是我國當(dāng)前面臨的重大難題。因此，國家亟須高校培養(yǎng)大批優(yōu)秀的高素質(zhì)高水平光電專業(yè)人才。然而，該課程在教學(xué)過程中存在課程內(nèi)容前沿性欠缺、課程內(nèi)容涉及多學(xué)科交叉、科研教學(xué)案例偏少、教學(xué)考核方式單一、評價(jià)體系具有局限性等問題。因此，如何改進(jìn)“光電器件”課堂教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化課程內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為本門課亟須解決的關(guān)鍵問題。

一、“光電器件”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

“光電器件”是針對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)本科三年級學(xué)生開設(shè)的核心必修課程。課程系統(tǒng)介紹了發(fā)光二極管、光電探測器、熱探測器、太陽能電池等典型的光電器件基本結(jié)構(gòu)、工作原理、器件制備方法、器件表征技術(shù)等。學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過“大學(xué)物理”“工程光學(xué)”“模擬電子技術(shù)”等課程，具備學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理知識。本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出該課程教學(xué)過程中存在的問題，具體如下。

（一）授課內(nèi)容基礎(chǔ)性強(qiáng)，但前沿性欠缺

隨著光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，“光電器件”課程內(nèi)容更新速度與光電子行業(yè)發(fā)展相比，明顯滯后。課堂教學(xué)中大多注重基礎(chǔ)性內(nèi)容的講授，但前沿性內(nèi)容欠缺，導(dǎo)致學(xué)生課堂學(xué)習(xí)時(shí)容易失去動力，沒有新鮮感。例如傳統(tǒng)課程內(nèi)容中存在大量的新概念介紹、公式推導(dǎo)、原理分析等，學(xué)生對這些枯燥的概念理解及公式推導(dǎo)較為抵觸，很可能會導(dǎo)致他們迅速失去對本課程的學(xué)習(xí)興趣。

（二）內(nèi)容多學(xué)科交叉，學(xué)習(xí)難度較大

“光電器件”是一門“理論—材料—器件—應(yīng)用”多學(xué)科交叉的核心課程，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程前理應(yīng)具備理論物理、半導(dǎo)體物理、工程光學(xué)等基礎(chǔ)知識，但是由于學(xué)生前期基礎(chǔ)的差異，學(xué)生在理解本課程內(nèi)容時(shí)的難易程度也不同，學(xué)習(xí)難度較大。例如在學(xué)習(xí)光電探測器單元內(nèi)容時(shí)，需要學(xué)生了解并掌握材料生長、工藝制備、器件封裝、系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)知識，然而在有限的課時(shí)內(nèi)學(xué)生顯然難以將所有的知識點(diǎn)都理解到位，無法對重點(diǎn)問題進(jìn)行深入研究學(xué)習(xí)，最終導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

（三）授課以講授為主，科研教學(xué)案例偏少

傳統(tǒng)課程知識通常過分強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的傳授，課堂模式往往形成了教師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面。導(dǎo)致學(xué)生只注重書本知識的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，忽視對相關(guān)專業(yè)知識的拓展學(xué)習(xí)，科研交叉前沿知識局限化，培養(yǎng)過程和教學(xué)內(nèi)容滯后于時(shí)代發(fā)展的要求。教學(xué)模式?jīng)]有創(chuàng)新，導(dǎo)致作為認(rèn)知主體的學(xué)生處于被動地接受知識的地位，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性被忽視，甚至被壓抑。此外，學(xué)生缺少足夠的實(shí)踐教育資源，忽視了工科教育自身實(shí)踐與理論學(xué)習(xí)相結(jié)合的特點(diǎn)，導(dǎo)致大量學(xué)生在進(jìn)入社會時(shí)缺乏動手實(shí)踐能力，喪失核心競爭力。

（四）教學(xué)考核方式單一，評價(jià)體系有局限性

在以往傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生考核成績往往是評價(jià)學(xué)生對本課程掌握情況的唯一標(biāo)準(zhǔn)。然而這種評價(jià)方式具有一定的局限性，雖然傳統(tǒng)考試的方式普遍應(yīng)用在對學(xué)生成績的評價(jià)之中，但是這種評價(jià)方式具有偶然性，并不能完全反映出學(xué)生對所學(xué)知識整體的掌握程度以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的考核方式僅僅能反映出學(xué)生應(yīng)對考試的能力以及對書本內(nèi)容的掌握程度，不能很好地反映出學(xué)生對書本內(nèi)容以外知識的掌握程度以及自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。

二、“光電器件”科研反哺教學(xué)改革探索

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院“光電器件”教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年來一直針對課程教學(xué)存在的難題，提出科研反哺教學(xué)的新方法，從課程思政、授課內(nèi)容、授課方法、評價(jià)考核手段等方面進(jìn)行了初步的改革探索與實(shí)踐，并取得了一定的教學(xué)成效。教學(xué)為科研培養(yǎng)人才，科研則為人才培養(yǎng)提供學(xué)術(shù)思維鍛煉的平臺?？蒲蟹床附虒W(xué)，實(shí)現(xiàn)二者協(xié)同發(fā)展是提高大學(xué)生獨(dú)立思考能力、自主創(chuàng)新能力和社會實(shí)踐能力的重要舉措［6-9］。針對上述教學(xué)難題，提出以下科研反哺教學(xué)改革方法。

（一）積極推進(jìn)課程思政建設(shè)

課程思政是指以構(gòu)建全員全程全方位育人大格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把立德樹人作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念［10］。深入落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，積極推進(jìn)課程思政建設(shè)，將思政元素糅進(jìn)教學(xué)內(nèi)容中，將全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。例如在“光電器件”課程教學(xué)中，給學(xué)生講解中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所方家熊院士為解決空間用紅外傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及工程問題，不畏艱難，勇攀高峰，最終成功實(shí)現(xiàn)了碲鎘汞紅外器件對1～15μm探測的全波段覆蓋，助力我國航天事業(yè)發(fā)展的勵志故事，厚植愛國主義情懷，培養(yǎng)學(xué)生勵志科研報(bào)國的矢志初心。在講授光刻章節(jié)時(shí)，給學(xué)生講解美國為壟斷移動通信技術(shù)，阻礙我國5G芯片的發(fā)展而通過其盟友加拿大對華為的孟晚舟實(shí)施非法拘押的事件，激發(fā)學(xué)生奮斗進(jìn)取的定力，培養(yǎng)砥礪前行的決心。

（二）精選科研成果融入課堂教學(xué)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，學(xué)生從課本上獲取的知識無法跟上最新的研究進(jìn)展。教師應(yīng)該將科學(xué)前沿的知識與研究熱點(diǎn)融入教學(xué)過程中，使學(xué)生及時(shí)獲取本專業(yè)最新的研究動態(tài)。同時(shí)，將最新的科研成果結(jié)合相應(yīng)課程改編為教學(xué)案例為學(xué)生進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論交流，增強(qiáng)學(xué)生對本專業(yè)相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)主動性。例如，在新型光電探測器相關(guān)章節(jié)的課程教學(xué)中，教師可以將新型的二維材料光電器件與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，介紹最前沿的石墨烯光電探測器、單光子探測器、鈣鈦礦太陽能電池等，為學(xué)生展現(xiàn)本領(lǐng)域的科研動向，拓寬學(xué)生的科學(xué)視野，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動去探索科學(xué)的奧秘，加深學(xué)生對基本概念的深入理解，注重對學(xué)生的研究能力、創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力的逐步提升，將學(xué)生從課堂教學(xué)帶入工程應(yīng)用領(lǐng)域，使學(xué)生深切體會課程的重要性。

（三）探索多學(xué)科背景教師教學(xué)模式

在教學(xué)模式上，建立一種多學(xué)科背景教師助力一門課程教學(xué)的交叉滲透人才培養(yǎng)新模式，促使相近學(xué)科的教師能更好地交流合作，逐步形成一個跨學(xué)科、跨專業(yè)團(tuán)結(jié)協(xié)作的學(xué)科教學(xué)群。實(shí)現(xiàn)多位不同學(xué)科背景的科研教師對一門課程進(jìn)行反哺教學(xué)，有效地利用青年教師豐富的科研資源。例如在本門課程學(xué)習(xí)中，針對多學(xué)科交叉內(nèi)容，可以邀請材料制備、器件加工等不同學(xué)科背景的教師給學(xué)生開設(shè)小型課堂講座或課外答疑討論等多種課堂教學(xué)形式，拓展學(xué)生的知識面，并及時(shí)查漏補(bǔ)缺，加深對課堂內(nèi)容的理解，降低課程的學(xué)習(xí)難度。

（四）引入實(shí)際工程模擬仿真案例

“光電器件”課程內(nèi)容豐富，知識點(diǎn)甚多，但對于本科生來說理論部分分析過于深入，公式煩瑣抽象，很難理解其中的物理意義，這種課程給教師教學(xué)帶來了很大的困難。引入實(shí)際工程模擬仿真案例進(jìn)行教學(xué)是近年來課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新手段，利用Comsol Multiphysics、FDTD等有限元電磁仿真軟件，對一些光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行仿真復(fù)現(xiàn)，加深學(xué)生對知識的理解和掌握。教師可以基于以上仿真軟件，結(jié)合自身科研成果，設(shè)計(jì)適合本科教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，例如通過Comsol Multiphysics仿真軟件研究如何提升光電探測器響應(yīng)靈敏度及探測率，利用FDTD有限元仿真軟件研究如何通過設(shè)計(jì)發(fā)光二極管的逃逸角提高器件的量子效率等。通過這些課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（五）打造產(chǎn)學(xué)研合作第二課堂

探索基于“課堂教學(xué)、研究所實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、校企聯(lián)合學(xué)習(xí)”三位一體的產(chǎn)學(xué)研合作教學(xué)模式。堅(jiān)持以專業(yè)能力素質(zhì)培養(yǎng)為核心，明確學(xué)生專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)中的目的。例如積極推動與中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司、聯(lián)合微電子中心、中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、重慶四聯(lián)光電科技有限公司等企業(yè)及科研院所的合作，通過邀請校外導(dǎo)師采用線上線下混合教學(xué)的方式，共同參與課程教學(xué)，將企業(yè)科研院所最新的科技案例融入課堂內(nèi)容，打造產(chǎn)學(xué)研合作第二課堂。利用學(xué)校和社會兩種教育環(huán)境，合理安排課程學(xué)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容更加貼近社會發(fā)展的需求，促進(jìn)學(xué)生科研能力、實(shí)踐能力和整體素質(zhì)的提高，達(dá)到培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的目的。

（六）發(fā)展多樣化的教學(xué)考核評價(jià)方式

科研反哺教學(xué)的最終目的是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，提高學(xué)生的科研能力。因此在教學(xué)考核方式上，教師應(yīng)摒棄傳統(tǒng)僅以期末考試成績和日?？记跒闃?biāo)準(zhǔn)的考核方式，增加互動討論、課外文獻(xiàn)研讀、調(diào)研展示等形式多樣的考核方式，例如布置LED照明、LED顯示等前沿科技調(diào)研任務(wù)，讓學(xué)生以三人為一組開展調(diào)研學(xué)習(xí)，并以PPT形式在班級進(jìn)行展示分享，教師針對調(diào)研情況及PPT展示情況進(jìn)行考核評價(jià)。給學(xué)生布置本專業(yè)最新的文獻(xiàn)閱讀任務(wù)，按照學(xué)生提交的文獻(xiàn)調(diào)研報(bào)告進(jìn)行考核評價(jià)。此外，教師應(yīng)積極啟發(fā)學(xué)生參與國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃、SRTP項(xiàng)目等科研活動，拓展學(xué)生的科學(xué)視野，建立科研思維，并將參與科研項(xiàng)目情況列入考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中。

結(jié)語

“光電器件”課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門核心必修課程，課程涉及發(fā)光二極管、光電探測器和太陽能電池等光電器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、器件制備方法、器件表征技術(shù)。本文針對“光電器件”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，布局了“光電器件”課程教學(xué)的總體改革探索方案，發(fā)展了前沿科研成果反哺于課堂教學(xué)的教學(xué)模式。在此基礎(chǔ)上探索了多交叉背景教師教學(xué)新模式，引入科研實(shí)踐案例，改進(jìn)了課堂教學(xué)方法，打造產(chǎn)學(xué)研合作第二課堂，提升了課堂教學(xué)質(zhì)量。針對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，提出了多樣的教學(xué)考核方式，建立了完備的科研反哺教學(xué)效果評價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)。“光電器件”課程科研反哺教學(xué)改革是一個長期、循序漸進(jìn)的過程，相信以上的課程教學(xué)改革探索方案能夠給教師和學(xué)生提供足夠的發(fā)揮空間，使之深入認(rèn)識科研反哺教學(xué)，最終實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)的目標(biāo)。