《拉曼荧光光谱基础及应用》课程的科教融合教学探索

徐宗伟 吴 斌刘 蓉 王 鹏 薛 涛

（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津 300072；2.天津大学分析测试中心 天津 300072）

0 引言

教育，滋养着人才；科研，连接着创新[1]。如何让两台引擎相互调谐、输出最强合力，是高等教育的重要课题。高层次人才培养与高水平科学研究是互为依托、相互促进的[2]。发达国家最早成立的一批国立科研机构，如1810年成立的德国洪堡大学注重科研与教育的结合，一方面催生了一批一流的早期研究型大学，同时也在大学里产生了一批高水平的国家级科研机构[2,3]。

2020年1月13日，《教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》印发，决定自2020年起，在部分高校开展基础学科招生改革试点（强基计划）[4]。在意见中指明了强基计划的培养模式包括：探索推进科教协同育人，鼓励国家重点实验室等吸纳本-硕-博学生参与项目研究，探索建立结合重大科研任务进行人才培养的机制。

科教融合的难点是如何促使“教育”和“科研”形成有机的整体[5-7]，以国家重大战略需求、重大科学问题等科研项目实践为牵引，通过不断丰富、完善教学内容等途径，带动教学的发展，并反哺/推动科研的进步。

1 把握科技发展脉搏，深挖科教融合案例

第三代半导体是提升新一代信息技术核心竞争力和推动新基建国家战略的重要支撑。围绕国家自然科学基金国际合作与交流项目、国家自然基金委与德国科学基金会合作研究项目、中德合作交流项目、国家自然科学基金项目等项目的实施，课程组搭建了共聚焦拉曼/荧光光谱仪，配备了激发波长范围325 nm～1064 nm、高精度变温台、铟镓砷红外探测器以及偏振功能等，为科教融合的实践、教学案例的凝练等提供了有效的硬件支撑。

在承担国家纵向项目的同时，课程组也积极参与产学研合作。课程组成员与中国电子科技集团公司第46研究所、第13研究所等第三代半导体国内龙头产业化单位保持紧密的产学研合作关系，课程组成员担任河北省新型半导体材料重点实验室学术委员会委员，与河北普兴公司开展了联合培养工程博士等深入合作模式，推动了科教融合的有效实施。

课程组基于变温共聚焦拉曼/荧光光谱表征分析，研究了Al离子注入碳化硅的电学性能、碳化硅色心光致发光性能、金刚石和氧化镓光谱特性等，相关成果已发表在Crystals,Diamond&Related Materials,Ceramics International,Journal of Alloys and Compounds等高水平期刊上，并被Horiba公司进行了专题介绍。同时，在International Conference on Silicon Carbide and Related Materials(2019)和第五届国际碳材料大会等顶级半导体材料会议上受邀作报告展示，与本领域国际/国内同行建立了良好的交流和合作关系。

课程组坚持以科研项目实践为牵引，通过丰富教学内容等带动教学的发展。接下来分享两个典型的科教融合案例。

科教融合案例1。半导体材料/器件因其具有多层膜的结构特征，共聚焦光谱的高精度逐层表征方法和技术在界面应力、电学性能、材料相变等高精度探测中发挥重要作用。载流子浓度作为半导体材料电学性能的关键参数，拉曼光谱等离激元与纵光学声子耦合模（LOPC）的峰型、峰位等与载流子浓度相关，可以实现SiC等半导体载流子浓度的无损表征。而且，LOPC模和LO模在物理机制上的差异，可以作为光谱谱线的多普勒展宽和自然展宽机制，以及高斯洛伦兹峰型拟合函数的典型应用案例。

科教融合案例2。拉曼散射及荧光信号通量的计算公式中包含十多项参数，为了更直观地理解关键参数的物理意义，如，探测器量子效率，授课选择了光致发光波长在～1000 nm左右的硅空位缺陷发光信号等为分析对象，通过对比分析CCD探测器和铟镓砷红外探测器的表征结果，讲授了探测器量子效率的影响机制和测试策略等。

2 强化实践考核环节

《拉曼荧光光谱基础及应用》课程加强实践考核环节的比重，实验成绩、结课答辩成绩占55%。与传统的课程实验设置相对陈旧不同，以“科教融合”为出发点的课程实验环节设计相对灵活，新颖性和探索性也更强。课程实验环节采用了科教融合、博士生助课的授课模式，分5组不同实验方案，进行拉曼荧光光谱的实践动手操作和数据分析等。另外，课程设置了结课答辩环节（5个答辩小组，每组5～6人），结合课程所学知识、实验结果的数据分析和代表性科技论文的梳理，小组成员分工协作、共同完成课程的结课展示与答辩。

通过增加实践环节的考核，提升同学们的课程学习所得，培养团队协作精神，锻炼提升本硕博的中/英文表达和逻辑思维等科研素养能力。在课程达成度统计反馈中，针对实验环节和结课答辩环节的学习所得上，同学们给予了积极评价。

3 启发式教学模式探索

实践授课表明，通过对日常物理现象的解析来引导同学们对科学问题和课程知识的思考，是科教融合授课的有效途径之一。

通过对日常物理现象的解析，来加深同学们对课程知识的理解。例如，通过对雨后彩虹的分析引入光谱仪的色散原理；利用极光、萤火虫的发光原理，来展开阐述荧光的发光机制等；通过类比分析调幅（AM）广播的信号传播原理与拉曼非弹性散射原理的相通性，加深同学们对斯托克斯散射和反斯托克斯散射信号对称分布有更直观的理解，等等。

激光波长的选择是共聚焦光谱表征分析的核心参数，其选择依据可以通过日常光学现象分析进行更直观的讲授。一方面，利用晴朗天空的蓝色是由于散射光效率与波长四次方成反比（瑞利散射定律）的原理，让同学们理解短激发波长会提升散射光效率。另一方面，通过分析晚霞呈现红色、汽车雾灯选择红光等由于长波长光穿透能力更强的解释，引入不同波长激光的吸收、穿透能力的基本概念和规律的讲解，为共聚焦光谱表征时激发波长的合理选择提供支撑。

4 加强授课团队的科教融合能力建设

不断打磨和完善授课课件。主讲老师们利用夏令营、冬令营等各种授课机会，通过授课实践及持续改进等，不断打磨和完善授课课件，优化授课思路和技巧等。

发挥分析测试中心的测试服务优势。天津大学分析测试测试中心面向全校开展光谱测试技术服务，同时定期面向全校和社会开展拉曼光谱知识讲座与培训，为课程提供了丰富的课件素材。

推动研究生参与课程助课建设。积极鼓励博士生和高年级研究生参与助课工作，鼓励研究生积极参加学术交流、发表科技论文，在学术交流中不断提升和磨炼科研素养，培养科研自信；在科技论文写作过程中不断加深对课程知识的理解。

5 持续改进建议

课程基于问卷星征集了课程持续改进建议，同学们建议增加“练习题”“阅读文献任务”等环节。分析原因，是课程设计之初侧重于“科教融合”中“科研”部分内容的设计，而本科生的科研实践经验相对薄弱，通过提供适当题量的“练习题”等可以有效强化、加深基本知识的学习所得。另外，完善课程配套教材的建设也是推动科教融合课程的继续改进的关键所在。

6 致谢

感谢天津大学研究生创新人才培养项目《面向强基计划的贯通培养与科教融合实践》（YCX202039）、天津大学研究生全英文教材建设项目《Raman/Photoluminescence spectroscopy of wide bandgap semiconductors》（YJC202004）资助。感谢宋莹、张琨、董兵、刘嘉宇，刘涛等几位助课同学，感谢天津工业大学王虹副教授，德国弗劳恩霍夫Mathias Rommel博士，中科院半导体所谭平恒研究员、刘雪璐博士，南开大学王玉芳教授，中国科学技术大学李强博士，天津大学分析测试中心毕明海老师，李威博士，胡恩萍博士，杨宇丰工程师，苗芃工程师，中国电子科技集团公司第46研究所、第13研究所对项目的支持。