先进科研测试技术在实验教学中的应用研究

樊永祥 许晟瑞 康海燕

摘  要：面对行业需求和学科前沿的快速发展，以增强学生创新能力培养和建立科学研究信心为目的，在本科“微电子科学与工程”专业实验教学平台上，结合西电在宽禁带半导体材料GaN领域的科研优势，通过在实验教学中引入先进的科研测试技术，討论科学研究促进教学改革的思路。以荧光光谱分析技术在半导体材料参数的测试应用为案例，探讨先进科研测试手段在实验教学中应用的模式、方法和问题等。

关键词：测试技术;实验教学;改革;半导体材料

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：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

近年来，先进的科学研究对实践教学的促进作用备受关注，发展迅速。GaN作为典型的第三带半导体材料，相关材料与器件研究是西安电子科技大学的科研优势，取得了众多的研究成果[1-4]。同时行业对于工程型人才的实际需求也要求“微电子科学与工程”专业实验教学要与行业迫切需求、科研前沿发展相适应。

“微电子科学与工程”专业是国家一级学科“电子科学与技术”的重要支撑专业，本科实践教育对学生创新能力和创新意识的培养是至关重要的，这也是近年来高等教育的主要发展方向之一[5-8]。如何以科研优势促进教学发展的思路由来已久[9-13]，将先进的科研测试技术引入本科相关专业的实验教学环节是很好的“以研促教”方法，是一个重要的实验教学研究课题。

二、行业对人才的客观需求和本科实验教学现状

近年来，“微电子科学与工程”专业发展迅速，国家对集成电路产业非常重视，近年来美国对华为的百般刁难和出口限制充分说明了芯片产业对于国家的重要性和战略意义。产业的快速发展和对相关人才需求，极大地推动了教学改革的发展。西安电子科技大学的“微电子科学与工程”本科专业属于国家一类热门专业。本科实验教学对高层次理论型、工程型人才培养至关重要，但在本科专业实验教学中存在一些问题，主要表现为：

（一）课程教学大纲滞后于学科发展前沿和行业实际需求

“微电子科学与工程”专业的前身是1965年设立“半导体材料与器件”专业，历经50多年的发展，专业培养计划进行了多次的修订和完善，从课程内容、学时、能力培养、课程层次关系等多方面进行了改进。随着近十年行业和学科的快速发展，学校的专业教育表现出在专业前沿领域涉及不足的问题，同时教学内容滞后于学科的快速发展，教学形式与行业脱节现象严重。

（二）重科研轻教学的现象一直客观存在着

目前，对于高校的评价体系中，核心指标仍然主要是由科学研究工作完成的，其中论文、项目经费等是重要的量化评价指标，这就导致了重科研轻教学现象的客观存在。国家政策是高等教育重要的发展指针，也是学校考核教师的重要方向，尽管在国家层面多次出台政策促进教学的快速发展，但是重科研轻教学现象仍然存在，亟待有所改变。

（三）先进的科研测试手段在教学中的应用较难推广

在西电“微电子科学与工程”专业的本科教学中，科研优势对教学的促进作用不明显。先进的科研设施和精密仪器很难面向本科教学用途推广，精密的科研设备具有高昂的价格和维护成本，承担着科研前沿和高层次研究型人才培养任务。学科前沿知识的传递在教学中有涉及，但延伸性较差。先进的科研技术手段在实验教学中应用不足。

针对上述问题，在西电“微电子科学与工程”专业的实验教学中，依托西电在第三带半导体材料GaN研究领域的科研优势，探索先进科研测试手段应用于教学并形成良性促进作用就显得十分迫切和必要了。

三、案例内容和先进科研测试技术在实验教学中的应用

结合本科专业实验教学实际和人才培养需要，以新实验教改项目的形式完成荧光光谱分析技术的实验教学应用作为案例，研究应用先进科研测试技术于教学的模式、方法和难点等问题。

（一）光学测试手段在科研和实验教学应用中的区别

GaN和InN形成的合金InGaN是发光二极管量子阱的核心区域，在InGaN材料的科学研究中，禁带宽度、组分和晶格常数等是非常重要的指标。光谱分析技术的科研应用由来已久，目前主要有透射電子显微镜和X射线衍射为代表的测试技术，这些技术均很好地满足了科学研究对测试精度的要求，但都存在设备价格高昂、场地要求高和维护成本高等特点，不利于实践教学推广。

在人才培养需求的带动下，面向教学市场的巨大需求，基于荧光光谱分析技术的实验系统出现了，这为增设本科专业实验测试InGaN发光材料参数提供了可能。荧光光谱分析技术采用的光源为LED或LD光源，波长较长，能够测试的半导体材料范围比科研需求要窄，但它具有很高的测试精度，仍然能够满足本科的实验教学需求，在技术上使得理论表征和实际测试先进材料InGaN成为可能，是第三代半导体材料相关理论教学的延伸。

（二）新实验开发与荧光光谱分析技术的应用

通过申请设立“PL谱在掺杂半导体组分和禁带宽度测量的实验应用研究”新实验教改项目，研究荧光光谱分析技术在实验教学中的应用，就是先进科研测试技术在教学中的应用范例。在获得学校对该项目的支持后，项目组成员先后完善了材料的参数表征理论到实验原理的内容修订，仪器光源波长对三代半导体材料适应性研究与实验样品制作，仪器测试误差与教学要求关系研究，实验推广可行性分析等问题。

该项目完成后，应用于本科“微电子科学与工程”实验教学环节，已历时两年，四个学期的实施结果表明该实验作为《半导体工艺检测实验》课程的一个子项目，具有了年接纳学生500人的能力，同时，很好地解决了实验课程缺少光学测试手段、缺少先进材料测试内容、与学科前沿发展滞后性等问题。

四、先进科研测试技术在实验教学中应用的模式总结

上述案例表明开发新的实验项目可以很好地实现先进科研测试技术在实验教学中的应用，通过“以研促教”形式实现先进科研成果在教学中的应用，是科研对教学的促进作用体现。那么，先进科研测试技术在实验教学中应用又是如何进行的？

（一）调研与推动设备厂商研制教学设备的积极性

在面向科学研究时，所使用的测试仪器具有很高的测试精度、严格的放置环境、规范的操作流程、成本高昂的性能维护等，在实验教学中存在很大的推广难度。在经济条件许可的情况下，小范围应用科研级测试仪器到实验教学是高水平人才培养的重要保障。在经济条件不足的情况下，面向专业实验教学需求，必须找到满足前沿性测试需求，相对精度较低、性价比高的面向教学用途的替代设备。积极与仪器供应商广泛的沟通，表达教学需求，使其充分认识到巨大的市场需求是促进厂商研发教学替代设备的重要途径。

（二）合理选择科学理论的前沿分支构建新实验理论模型

在相关科学研究领域存在着众多的细小分支，大多具有涉及专业知识面窄、难度大、知识水平要求高等特点。合理选择适合人才培养需求和实际操作的研究内容，将是新实验理论模型开发的重要保证。从事科学研究首要解决的就是理论问题，科学理论是科研成果产生的重要基础。在充分与科研团队成员交流后，选择合适方向或分支并以其先进的科研理论为基础，开发实验理论模型将达到事半功倍的效果。

（三）对新实验项目的设立进行论证与预判评估

新实验项目开发环节包括：专业培养计划、实验课程大纲、实验讲义、实验设备、实验样品和实验教师等。在设立新实验项目前，必须对这些环节中起到制约作用的培养计划和实验设备进行调研。内容有：是否存在满足专业培养计划和人才能力培养的新的实验内容？是否存在满足教学较低精度要求、高性价比的类似设备？在调研的基础上，先进的科研理论就是实验讲义的和课程大纲的基础，科研研究的对象就是很好的实验样品来源。

（四）加强实验教师培训或人才引进为新实验实施提供保障

从事相关科学研究的教师就是最好的实验教师引入对象。在无法引进相关教师的情况下，培训已有的实验教师就是重要的手段。针对现有教师的职业素养、仪器操作能力、理论知识水平等开展相关培训工作，可以在从事相关科研工作的教师帮助下进行。需要系统性严谨地开展培训工作，确保实验教师充分掌握实验理论、测试手段、仪器操作规范等内容。

（五）成功的应用模式的推广价值评估

先进科研测试技术的应用作为重要的促进实验教学发展的手段，有效地实际使用和必要合理的大力推广，是高水平人才培养和教学改革发展的保证。在各门专业实验中，通过增设新实验的方法，以应用先进的科研测试手段为媒介，可以有效地整合西电的科研优势，使科学研究发展拉动教学水平提升，先进的教学模式和高水平的教学方法必然会推动人才培养质量的有效提升，高层次人才又可以充实科研队伍，达到教学反哺科研的目的。

五、结束语

在已经形成规模的集成电路实验中心平台上，结合学校先进的科研测试技术手段、科研前沿成果、科研从业教师队伍及完整的学生创新能力培养实践教学体系，证明了先进科研测试手段在专业实验教学改革中的应用是可行的。借助已具备的科研优势力量，在专业培养体系内，通过增设新的实验项目的方式，引进先进的科研测试手段，可以进一步提高实践教学质量。先进测试技术的推广和应用是实现科研促进教学、教学反哺科研的重要手段，总结的经验是值得借鉴的。

参考文献：

[1]Hongchang Tao， etal.， “Numerical Investigation on the Enhanced Performance of N- Polar AlGaN-Based Ultraviolet Light-Emitting Diodes With Superlattice p-Type Doping”[J]. IEEE TRANS -ACTIONS ON ELECTRON DEVICES， VOL. 66， NO. 1， JANUARY 2019， pp. 478- 484.

[2]Lixiang Chen etal.， “Polarization Engineering in PZT/AlGaN/GaN High- Electron- Mobility Transistors”[J]. IEEE TRANSAC -TIONS ON ELECTRON DEVICES， VOL. 65， NO. 8， AUGUST 2018 pp. 3149-3155.

[3]John Simon， etal. “Polarization-Induced Hole Doping in Wide-Band-Gap Uniaxial Semiconductor Heterostructures”[J]. Science 327， 60 （2010）; DOI： 10.1126/science.1183226， 1 JANUARY 2010 VOL 327 SCIENCE. pp. 60-64.

[4]Siddharth Rajan， etal. “N-polar GaN/AlGaN/GaN high electron mobility transistors”[J]. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 102， 044501 2007.

[5]李璞.大數据背景下大学生创新意识和能力培养路径探析[J].创新创业理论研究与实践，2018（17）：85-86.

[6]马学娅，何欢.大学生创新意识和提升对策研究[J].江西电力职业技术学院学报，2018，31（6）：143-148.

[7]吴宿慧，李寒冰.工匠精神在中药学专业学生创新意识和创业能力培养中的重要作用[J].教育现代化，2018（49）：49-51.

[8]陈九双.论大学生创新意识和实践能力的培养[J].经济研究导刊，2018，27（27）：173-174.

[9]洪磊，刘子琪.科研对城轨车辆系统检测技术教学的促进作用研究[J].教育教学论坛，2019（13）：66-67.

[10]赵阳.浅谈科研仪器使用率与效益的提高[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：291-294.

[11]张小蒙，阎冰，何畔，等.高校大型仪器设备在教学中的应用探究[J].中国现代教育装备，2004（19）：4-7.

[12]葛磊.提高高校大型仪器设备使用效率的探讨[J].中国电力教育，2008（10）：197-199.

[13]朱耕宇，陈雪萍.全面开放大型仪器支撑本科教学实验的改革[J].化工高等教育，2009，26（2）：42-43.