电子科学与技术专业物理化学课程建设的思考*

吕银祥，侯　磊

(复旦大学材料科学系，上海　200433)



电子科学与技术专业物理化学课程建设的思考*

吕银祥，侯磊

(复旦大学材料科学系，上海200433)

物理化学是一门电子科学与技术专业基础课程，在电子科学与技术中有着广泛的应用。本文对国内外电子信息类专业物理化学课程的现状，电子科学与技术专业物理化学课程内容、课程特点、教学方法等进行分析，为电子信息类本科生物理化学课程教学实践提供参考。

物理化学; 电子科学与技术专业; 课程建设

随着现代科学技术的飞速发展，人类历史已经进入一个崭新的时代──信息时代。信息时代科学的基础是半导体技术、微电子技术和光电子技术，它们同属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。电子科学与技术专业以电子器件及其系统应用为核心，重视器件与系统的交叉与融合，面向微电子、光电子、光通信、高清晰度显示产业等国民经济发展需求，培养在通信、电子系统、计算机、自动控制、电子材料与器件等领域具有宽广的适应能力、扎实的理论基础、系统的专业知识、较强的实践能力、具备创新意识的高级技术人才和管理人才。

作为一门现代科学技术，电子科学与技术是技术性很强的学科，也是综合性很强的学科，电子科学与技术的发展不仅与近代物理学、数学、无线电、计算机及空间技术的迅速发展有着密切的关系，而且也与化学学科息息相关。新材料的制备、新器件的出现、新工艺的探索几乎都离不开物理化学知识，但专门针对电子科学与技术学科(专业)的物理化学课程建设未受到重视。

物理化学是化学的基础学科之一，物理化学课程是许多涉及化学的学生必修的基础课，历来受到广大师生的高度重视。物理化学在工科教学体系中的地位界于专业理论层次与通用理论层次之间，起到了重要的承上启下的枢纽作用。物理化学课程的教学目的是让学生能深层次地理解和掌握化学变化过程中普遍应用的基本规律、原理及方法，并将其用于分析和解决其他化学学科如化工、材料、能源、电子等所遇到的一些实际问题，进而不断地提高学习和实践的能力[1]。

1　国内外电子信息类专业物理化学课程的现状

本文调研了电子科学与技术(2012年)学科评估排名前10的国内高校，以及美国麻省理工学院、斯坦福大学、加州理工学院、日本东京工业大学、新加坡南洋理工大学等国外电子信息工程专业排名较高的大学，发现在物理化学课程教学及建设方面各不相同。

由于培养体系不同，国外大学几乎听不到专业的概念，学校开设的专业均以课程的概念涵盖，电子信息工程课程内容包括信息技术、计算机工程、电路和微电子技术、通信工程等多个方向，其中主干课程为各专业方向的专业基础课，各方向核心专业课均以选修课形式开出，由学生自由选取。各个专业方向没有一套固定的从基础到专业的课程体系而是开设大量的课程供学生选修。课程以模块成组，根据教授的研究方向分别有特定的方向。另外，课程形态不局限在规定标准的大纲、教材，更多是通过讲座、报告等多种形式。其中麻省理工学院、斯坦福大学都建议学生选修一门化学课程以拓展知识，可以是有机化学、无机化学、分析化学、物理化学等化学类课程中的任何一门。

国内大学在本科生培养上有比较细致的方案，自由度比国外小，课程体系建设比较明朗。对电子科学与技术专业本科生开设化学课程的国内高校有复旦大学、电子科技大学、西安交通大学及西安电子科技大学，清华大学、上海交通大学、南京大学、东南大学、北京邮电大学等高校并未要求电子科学与技术专业的学生学习化学知识，北京大学可能借鉴了国外大学的做法，在任意选修课程中建议学生学习一点化学知识。在电子科学与技术专业开设化学课程的四所高校中，复旦大学与西安电子科技大学明确开设物理化学课程，电子科技大学与西安交通大学则开设材料物理化学课程。

2　电子科学与技术专业物理化学课程内容浅析

电子科学与技术专业课程大多包含半导体技术，半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。半导体技术可以细分为半导体物理和半导体化学；半导体化学是在发明晶体管之后逐渐形成的，是一门交叉学科，主要内容为：①硅、锗、砷化镓等半导体材料的物理化学性质及其提纯精制的化学原理。②半导体器件和集成电路制造技术如清洗、氧化、外延、制版、光刻、腐蚀、扩散等主要工艺过程及化学反应原理。③半导体器件及集成电路制造工艺中所用掺杂材料、化学试剂、高纯气体、高纯水的化学性质及制备原理。物理化学课程是半导体化学课程的基础。

对电子科学与技术学科(专业)而言，课程体系中有经典物理、近代物理、固体物理等基础课程，物理化学作为新加入的基础课程，内容安排要有特殊性，不能与上述物理类课程重复。此外，现行的物理化学归属于化学学科，课程体系中带有明显的化学化工特征，授课对象是物理基础比较薄弱的化学、环境、生物、医学类本科生。例如绝大部分物理化学教材以气体为主要物质对象，同时特别重视化学反应，这些侧重对化工学科是合情合理的，但对凝聚态为主要物质对象，且更为重视界面效应的电子科学与技术学科而言，就暴露出理论与应用的双重问题。首先说应用问题，在动力学部分，现行物理化学主要介绍化学反应的动力学，而且是气相化学反应，但没有与界面有关、主要研究凝聚态的动力学。再说理论体系上的问题，物质对象由气体转移到凝聚态，会带来理论体系的变化，因为凝聚态具备不同于气体的特殊性，尤其是对常压不敏感，使得具有二元函数性质的热力学量(如内能、焓、熵、自由能)变为一元函数，从而使理论简化，这对知识体系复杂的物理化学意义重大。

物理化学课程理论性强、内容抽象，为了加深学生对物理化学抽象概念的理解和深奥内容的掌握，注意收集、整理信息技术中用到物理化学知识的相关实例，并在讲授相关基本物理化学知识时穿插讲解，将枯燥的理论与专业应用密切相联系。例如，在讲解热力学第一定律时，以物理气相沉积制备金属电极为例[2]；在讲解热力学第二定律时以化学气相沉积制备多晶硅为例子；在讲解多组分热力学系统时以超高真空的获得以及超纯气体的制备为例；在讲解化学平衡时，以磁控溅射制备透明导电ITO薄膜为例；在讲解相平衡时，讲述相平衡在可擦写相变光盘中的重要应用，包括存储技术的原理和具体过程；在讲解润湿问题时列举LB膜技术、分子自组装技术在分子芯片制备中的应用；在讲解胶体知识时将印刷电子中的导电材料——纳米墨水(纳米金、银、铜等)溶胶溶液的制备方法、工艺控制、尺寸效果等作展示；在讲解电化学内容时，以锂电池快速充电、传感器的开发、电镀-化学镀在芯片互连线中的作用等为例。

3　电子科学与技术专业物理化学课程的特点

在一些院校里，电子科学与技术专业通常归类为工科，关于工科专业物理化学课程的设置及教学，已经有比较系统的研究[3-5]，但针对的专业通常是所谓的“非化学类专业”，包括环境、生物、食品、材料等。电子科学与技术专业培养方案里，物理类课程很多，包括理论物理、经典物理等，与其他专业的学生相比，电子科学与技术专业类学生的物理基础比较扎实，开设物理化学课程的作用是拓展他们的化学基础知识，这些知识又能与专业应用相结合，由于课时限制，教学内容要有所取舍，例如，气体的pVT关系、热力学第一定律、热力学第二定律这三部分内容，现有教学大纲通常在16学时以上，由于电子科学与技术专业很多课程已经涉及上述知识，课时限制在4学时即可，综合为物质变化的热力学基础。多组分系统热力学、化学平衡、相平衡这些内容可以结合起来讲，下面以氮化硅薄膜制备为例，介绍其热力学分析过程。

氮化硅薄膜是广泛应用于集成电路中的一种常用钝化材料，它可以保护芯片免受外界腐蚀物质侵蚀和机械损伤，具有优良的光电性、化学稳定性、热稳定性、抗高温氧化性和抗杂质扩散，以及水汽渗透能力强、硬度高、耐磨损等特性，被用在集成电路封装工艺中作为引线和压焊区的保护层以及传感器芯片中的钝化层。氮化硅Si3N4的反应烧结包括：(1)硅蒸汽与氮气反应，通过化学气相沉积过程形成Si3N4；(2)氮气在液态硅合金中溶解形成Si3N4；(3)Si3N4在固相硅上的成核和生长以及通过表面扩散到反应区域。此外，Si3N4还可由一氧化硅氮化生成：3SiO+2N2=Si3N4+3/2O2，其中SiO可通过反应2Si+O2=2SiO、Si+H2O=SiO+H2生成。热力学计算表明，当K=pSiO=10-6MPa，pN2=0.1 MPa，则pO2<10-22MPa、pH2O<10-11MPa反应可向右进行，但当气氛中H2的体积分数为10%时，pO2可升至10-9MPa，反应即可进行，这样在现实工艺中，硅的氮化是主要反应。

4　电子科学与技术专业物理化学课程教学方法

4.1理论联系实际，培养学生的学习兴趣

在教学中注意理论和实际结合，列举一些案例，引导学生用所学理论知识去解答，使他们感到学有所用，从而可激发他们的学习兴趣，分为：①案例的讲述和演示。通过口述或多媒体演示，将案例较为生动地展现给学生，案例要主题鲜明、要点突出。②案例分析。对案例的要点进行归纳，使案例的应用更加深入、生动、系统，总结案例教学的理解思路和记忆思路。③案例模块化串讲，使学生觉得所学知识具有层次性、综合性。

4.2应用翻转课堂，实施分层次教学

翻转课堂是通过颠倒知识传授和知识内化来改变传统教学中师生角色并对课堂时间的使用进行重新规划的新型教学模式。物理化学教师在教学过程中应根据实际情况，不断地探索和实践那些有利于提高教学效果的新方法。翻转课堂教学模式能培养学生的创新能力，激发学生的学习兴趣，提高学生概括问题、分析问题和解决问题的能力。多层次能使基础好、学有余力的学生感到有收获，又有继续学习和深入钻研的空间，学习吃力的同学也能学到基本内容，并有继续学习的欲望，学习兴趣不大的人也知道达到基本要求的底线是什么。

5　结　语

电子科学与技术专业物理化学的教学要与专业培养方案融合，不是简单的拓展知识或通识教育，授课内容要有针对性，教授方法要有助于学生理解和融会贯通。在物理化学课程的教学过程中，不仅要给学生传授传统的理论知识，更要注重对学生能力的培养，只有这样，才能培养和发展学生的创新能力，使之成为有用的人才。

[1]Laura J. Fox, Gillian H. Roehrig. Nationwide Survey of the Undergraduate Physical Chemistry Course [J]. J. Chem. Educ., 2015, 92: 1456-1465.

[2]Polly R. Piergiovanni. Adsorption Kinetics and Isotherms: A Safe, Simple, and Inexpensive Experiment for Three Levels of Students [J]. J. Chem. Educ., 2014, 91: 560-565.

[3]葛明, 王南平. 非化学化工专业工科“物理化学”课程的建设与改革[J]. 科教文汇旬刊, 2015(26): 47-48.

[4]谈宁馨,朱权. 工科物理化学课程小班研讨内容的思考[J]. 大学教育, 2014(5): 21-22.

[5]黄玉成,杜金艳. 工科物理化学教学内容的几点思考[J]. 广州化工, 2015,43(2): 161-163.

Reflections on the Construction of Physical Chemistry Course in Electronic Science and Technology Specialty

LV Yin-xiang, HOU Lei

(Department of Materials Science, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Physical Chemistry is a basic course for the students majored in Electronic Science and Technology. The knowledge taught in the course is widely used in Electrical Information Science and Technology. The current situation of Physical Chemistry course in electronic information specialty at home and abroad was analyzed, and the contents, characteristics and teaching methods of the course were also studied in the text. It provided reference for the teaching practice of Physical Chemistry for Electronic and Information Engineering students.

Physical Chemistry; Electronic Science and Technology specialty; course construction

复旦大学2013年度本科教学研究及教改激励项目资助(2013YB21)。

吕银祥(1976-)，男，教授，博士生导师。

O642

B

1001-9677(2016)09-0167-03