《半导体光电子学》课堂教学改革研究与实践

梅红樱 周原 熊娟

【摘要】随着互联网技术的发展，学生获取学习资源的方式越来越广泛，教师在教学過程中要根据教学内容和教学对象进行有效的课堂教学改革，改善教学效果，从而有效提高人才培养质量。针对半导体光电子学这门课程，通常理论知识比较难懂，学生学习起来枯燥无味，缺乏学习兴趣，希望优化课堂教学模式，使课程教学实效化，真正达到半导体光电子学方面的知识传授与能力培养为一体的效果。

【关键词】教学改革;半导体光电子学;课堂教学;理论与实践

【基金项目】黄淮学院2019年度高等教育教学改革研究项目（编号：2019XJGLX0173）;黄淮学院2018年度高等教育教学改革研究项目（编号：2018XJGLX0112）;黄淮学院青年骨干教师资助计划。

中图分类号：G223                 文献标识码：A               DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04.087

半导体材料的导电性能在外界条件的干扰下会发生显著的变化，因此半导体光电子器件已经融入了我们生活的方方面面，一直是科学研究的热点内容。随着科学技术的发展，电子科学与技术专业逐渐形成了以电子系统设计为基础，以光电信息工程为方向的培养模式。《半导体光电子学》主要研究半导体材料中的电子与所受到的光子之间的相互作用，包括电子与光子之间相互作用的科学理论，也紧扣光电子器件的实践应用，通常作为电子科学与技术专业的选修课程。这门课程涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理，也关联着半导体光电子材料及其相关器件，在信息（光通信、光显示等）、照明、光学仪器（激光精密测距、光纤传感等）、加工（激光打印、激光切割、激光焊接等）、医疗等领域有着广泛的应用。这门课程要求学生不仅从理论上掌握半导体光电子学的基本概念、基本理论和基本思想，更重要的是掌握一些半导体光电子器件的实践技术，为将来从事半导体光电技术领域的科研、开发和应用工作奠定基础。

半导体光电子学内容涉及半导体光电子基础和半导体光电子器件两部分内容，课堂中需要讲解的知识点较多，课程的公式繁多，推导较为复杂，抽象难记，理论分析部分难于理解。因此，在有限的教学安排时间内讲解所有内容对教师来说是一个挑战。因此，基于这些现状教师必须要进行课程改革，以达到相对较好的授课效果。在本课程的教学过程中，形成了以学生为中心，从教学内容、教学方法和教学手段等多方面进行改革、尝试，加强师生互动，讲解深入浅出，扩宽知识面，加强理论与实践结合等从多方面出发，改善教学效果，进而培养能掌握半导体光电子基础理论及半导体光电子器件的面向世界的现代化专业人才。

1.课堂教学改革方式

1.1课堂教学内容的改革

在教学内容方面，第一是精选授课内容，紧跟科学发展的步伐，做到与时俱进。这门课程既是基本的原理内容，但又是滞后的材料和器件，若教师授课时只是按照教材内容讲解，往往导致内容与技术发展脱节的后果。为了满足对学生不同层次的需求，我们应及时更新教材内容，以拓宽学生的知识面，培养学生不同层面，不同方向的兴趣，为学生将来就业，升学做好充分的准备。例如，根据科学技术的发展，在半导体材料方面，增加新型二维半导体材料如石墨烯、二维过渡金属硫化物、黑磷等相关材料的基本特性阐述，详细解释不同器件之间的异同之处以及器件能够应用的领域;在光电检测方面，除了介绍基本的光子和光热等光电探测器外，增加现在应用比较普遍的太赫兹时域光谱的电光效应的检测原理，相比其它探测器的优越性，扩宽学生的知识面的同时也与社会的科研发展紧密结合，使授课内容紧跟时代潮流。

第二是在授课过程中，让学生明白教学内容的重难点，也就是要让学生轻松地理解教材中知识点的基本概念，学会发现问题和解决问题的基本思路和方法。不建议学生过于注重繁琐理论公式的推导，应正确理解公式中各物理量的含义，这样有利于提高学生的学习兴趣。如《半导体光电子学》中费米的“黄金定则”公式是从哈密顿量形式出发，利用薛定谔方程进行求解得到的，然而对于高等数学基础知识比较薄弱的同学，求解起来可能比较困难，那教师在授课过程中要用易懂的语言讲解公式的物理含义，即跃迁几率，具体的推导过程视学生自己情况而定，以免影响学生的学习兴趣。

第三是注重理论与实践相结合，培养学生的动手能力，加深知识理解，提高学生兴趣。理论与实践的结合在教学领域一直受到高度评价。通过教师的理论传授和学生的实验操作，学生能够及时完整地加深对于所学知识的理解与记忆。例如，在讲解半导体中的载流子复合这一节内容时，结合科研动态，从砷化镓材料的超快电子学实验入手，研究砷化镓材料在不同波长、不同功率的泵浦光激发后载流子的动力学行为，主要包括光激发过程、散射过程以及载流子的复合过程，实验测试其超快光谱并结合PPT动画的形式描述载流子的变化过程，使学生更能直观地理解载流子的变化，加深对复合过程中的弛豫时间的理解。针对激光应用技术等内容进行讲解时，结合激光精密测距实验同时进行，通过了解时差法光电测距、相位法光电测距和三角法光电测距的基本原理，掌握激光传感器测距的基本使用方法。实践教学贯穿到理论教学中去，避免过多，繁杂的公式推导，突出半导体光电子学的“实践”特色，培养学生具有理论联系实际的本领，锻炼学生的动手能力，提升学生学习的兴趣。

1.2课堂教学方法的改革

在教学方法方面，根据学生的个体差异和实际情况，培养学生自主学习能力。为了达到有效的教学效果，我们改变以往“一言堂”的教学模式，注意实施互动式课堂教学方法。第一部分是半导体光电子理论，理论内容是基础，是这门课程的难点，所以这部分内容由教师搜集相关通俗易懂的资料进行讲授，学生课下需要进行复习、预习以及完成基本的课后作业。第二部分是半导体光电子器件，包括器件的发展历史、构造原理以及应用领域，这部分内容需要学生和教师配合完成。学生课下利用学校的图书馆和网络资源自主查找资料，自主学习和总结，撰写相应的报告，课上先由分组的学生进行讲解，最后由教师进行总结，通过学生们自己动手搜索，并从文献中总结，可以加深对理论知识的理解，了解这方面的研究动态，有利于培养学生的科研探索精神。

1.3课堂教学手段的改革

在教学手段方面，根据教学内容合理采用教学手段，例如，授课教师利用传统的黑板讲授平板光波导理论中本征方程的推导，可以引导学生跟随教师的思路，掌握本征方程的推导过程，锻炼和活跃学生的思维。授课教师利用多媒体动画演示半导体中的受激发射和受激吸收的过程，可以更好地理解发射几率和吸收几率。演示半导体中导带电子和价带空穴互相复合发射光子的现象，这样能够让学生对抽象的概念有一定的感性认识。教师在课堂教学中开展多种教学方式，目的是采取切实有效的教学方法，努力引导学生去积极思考与讨论问题，培养他们自主分析问题和解决问题的能力。

1.4课程考核的改革

在课程考核方面，除了平时考勤和作业之外，期末采用闭卷考试、自命题学期论文和实验等形式进行考核，既有理论知识的检验，又有实验动手能力的操作。大多数学生不重视学习过程，养成了在最后一刻磨枪的习惯。其实最终的评价标准不仅要看学生的考试成绩，而且要与学期论文结合起来考察学生的掌握和应用知识的能力，达到真正的学以致用的效果。

2.结语

随着现代化技术的发展，传统的授课方式已不能满足学生，通过研究和分析《半导体光电子学》这门课程教学中存在的问题，对其进行教学改革是学科发展的必然要求。同时，为了提高学生的主动性、积极性、自主学习的能力和团队合作精神，主要从教学内容、教学方法、教学手段和课程考核等角度进行教学改革和实践，改善教学效果，从而有效提高人才培养质量。

参考文献：

[1] 王晓雄.半导体光电子器件及其应用[J].大众标准化，2020（13）：99-100.

[2] 董骁骁.半导体光电子元器件技术现状与趋势[J].大众标准化，2020（13）：83-84.

[3] 邱伟彬.高校本科《半导体光电子学》教学改革[J].课程教育研究，2018（01）：256.

[4] 王祥传.基于半导体光电子学课程的新型教学模式研究[J].教育现代化，2019，6（49）：94-95.