科研项目导向与兴趣驱动模式下的光电工程本科生创新实践能力培养研究与实践

摘  要：近年来，随着“第三代”半导体等行业技术的成熟，我国光电产业迎来了重大发展机遇，国内光电人才的缺口主要集中在具有丰富行业经验的工程人员以及具有创新能力的高端研究人员。本科教育是高等教育的基础，对于高端人才的培养至关重要。半导体物理作为光电工程技术的基础性研究学科，对光电工程学院的学生学习至关重要。但现有教学模式缺乏个性化，无法激发学生的自主学习激情，缺乏探索创新的意识。本项目通过构建以科研项目为导向，基于兴趣驱动的培养模式，树立学生的创新思维及创新能力，培养学生的实践能力，激发其从事科学研究的积极性与热情。

关键词：项目导向;兴趣驱动;半导体物理

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0033-05

Abstract： In recent years， with the maturity of the "third generation" semiconductor and other industries， photoelectric industry has ushered in a major development opportunity. The gap of domestic optoelectronic talents is mainly concentrated in engineers with rich industry experience and high-end researchers with innovative ability. Undergraduate education is the foundation of higher education， which is very important for the cultivation of high-end talents. As a basic research subject of optoelectronic engineering technology， "Semiconductor Physics" is very important to the students of photoelectric engineering college. However， the existing teaching mode is lack of individuation， unable to stimulate students' enthusiasm for autonomous learning， and lack of awareness of exploration and innovation. Through the construction of a scientific research project oriented and interest driven training mode， this project establishes students' innovative thinking and innovative ability， cultivates students' practical ability， and stimulates their enthusiasm and enthusiasm in scientific research.

Keywords： project oriented; interest driven; Semiconductor Physics

光电工程技术，是一种交叉光学、通信、信息、微电子等多学科的综合性高新技术[1]，受到了学术界、产业界的广泛关注，具有广阔的行业应用前景，据Ovum等资讯机构估计光电行业规模已达数千亿美元[2]。“十三五”以来，我国接连出台了“中国制造2025”“互联网+”等国家战略政策，加上“第三代”半导体等行业技术的成熟，我国光电产业迎来了重大发展机遇，但我国相关基础研发薄弱、产业创新能力不强、产业链发展不均衡情况依然存在，研究水平相对滞后已成为制约产业发展的瓶颈[3]。与此同时，高端光電工程技术几乎被美日厂商垄断，“贸易战”阴影笼罩下美日等西方国家开始实施技术封锁与商业制裁，对中国光电行业的发展造成了极大的危害[4-5]。为了突破技术封锁，打破技术瓶颈，促进产业长远发展，需要大力培养光电工程创新型人才。

行业研究表明，国内光电人才的缺口主要集中在：工程型人才，具有丰富行业经验的工程人员;研究型人才，具有创新能力的高端研究人员[6]。本科教育是高等教育的开始和基础，对于高端人才的培养至关重要。但现有工科人才培养较为模式化，缺乏个性化，无法有效激发学生的自主学习激情，缺乏探索创新的意识，容易造成学生厌学和功利性学习[7]。同时，现行的本科教育更加注重学科知识的传授，对于科研能力的训练不够，这对学生后续进行硕士、博士研究生的深造是不利的[7-8]。对比南洋理工大学等国际高校，其在本科阶段就鼓励优秀学生进入科研实验室，培养学生的科研能力，并设立专项经费支持本科生开展科研项目[9]。因此，为了激发学生的科研兴趣，培养其创新实践能力，本项目将基于“项目导向”与“兴趣驱动”的理念，以学生个人兴趣为驱动力，引导学生参与科研项目，让学生在解决实际科研问题的过程中掌握科研实践技能，树立科学创新思维。

本文以光电工程学院核心课程半导体物理为例，基于我校教改项目的支持，拟对半导体物理课程进行一系列的教学改革。本次改革基于科研项目导向与兴趣驱动，通过引导学生参与科研项目来提高学生的科研兴趣，培养光电工程本科生的创新实践能力。

一、半导体物理教学现状

半导体物理是一门理论性很强的学科，其中涉及大量的公式推理和假设简化，不仅导致教学内容的繁杂，也容易使学生在学习过程中感到枯燥无味，难以理解，进而不能取得良好的学习效果。半导体物理作为固体物理的一门分支，是研究半导体的原子、电子状态及其器件内部电子过程的学科，在学习之前，需要先学习固体物理、量子力学和材料化学等多门学科作为基础铺垫，才能更好地理解其中包含的抽象的物理概念和繁琐的公式推导。其本科教学内容主要分为两部分：一是半导体材料属性，主要讨论固体晶体结构、量子力学、固体量子理论、平衡半导体、运输现象和半导体中的非平衡过剩载流子等内容;二是半导体器件基础，主要讨论pn结、pn结二极管、金属半导体和半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应晶体管和双极晶体管等内容[10]。在课程教学中，最大的难点莫过于怎样让学生准确地理解物理过程及其相关公式推导，但材料内部发生的物理过程往往难以表征追踪，常采用理论建模方式加以解释，而在传统的教学中，往往侧重公式推导与理论计算，课程内容抽象，缺乏吸引力[11]。因此，大部分学生感觉学习吃力且枯燥乏味，进而导致学生学习态度消极，自主学习能力匮乏。

此外，随着半导体相关技术更新越来越快，新的科研成果相继涌现，各学科之间的交叉也逐步深入，仅依靠教师课堂上短暂的教学时间，难以完成知识的传授，相比而言，提高学生的学习兴趣，让他们在课余时间主动去接触相关领域知识，才更为重要。但传统教学尚未实现与实际应用结合，仍然采用教师讲解、学生听课的方式。老师的讲解通常只局限于书本内容，而学生的学习也仅限于老师讲解的部分，课外扩展很少。书中有很多结论是通过数学公式来表示的，整体抽象而难以理解，而为了通过考试拿到学分，部分学生会采取死记硬背的方式来应付考核，不能较为深刻地理解相关内容并熟练运用[12]。还有课程考核方式未将理论与实际相结合，这就导致了在实际应用中，学生很难达到理想效果。采用实践教学的方式，不仅可以巩固学生所学知识，深化理解内容，还可以培养学生的动手能力，发散思维，实现创新能力的提高，促进专业学习水平的提升。将实验仿真和科研等加入教学过程中，使学生能够深入理解知识，提高分析问题的能力，将所学知识应用于实践中，当以后科研遇到问题时，可以积累经验，更好地实现科研创新。还可以增加学生对相关知识点的理解，唤起学习的热情，提高自学的能力，培养学生的探索精神和创新能力，丰富课堂内容。

但就目前情况而言，一些学校仍采取单一的教学方式，未开设相关实验课程，或者是仍采取以基础内容为主的实验设计，不仅设备简单，且器件陈旧，学生根本没机会了解新材料器件的新功能，这对科研是十分不利的。因此，如何在实验教学中，将理论与实践相结合，使学生在理解知识的同时创新性应用半导体物理相关知识，是当前教学的另一大难点[13-15]。

二、项目导向式与兴趣驱动教学方法的实施

以光电工程学院专业核心课程半导体物理为例，说明项目导向与兴趣驱动式教学方法的具体实施措施。半导体物理是固体物理学的一个分支，融合了量子力学、材料化学、固体物理等众多先修学科。理解并掌握该门课程的相关知识与应用技能对学生专业能力的培养与提升具有重要意义。半导体技术，是交叉光学、通信、信息和微电子等多学科的综合性高新技术，受到了学术界、产业界的广泛关注，具有广阔的行业应用前景。因此，在教学中，引用项目导向式方法，让学生主动地探索知识颇为重要。

（一）兴趣诱导，分成小组，调动学生自主学习积极性

针对光电工程学院教师教学中存在的问题并结合学生自身学习的特点，可以从培养学生的学习兴趣入手。“兴趣是最好的老师”，在教学过程中，教师可以以兴趣为载体，精心设计半导体物理课程内容的导入点和切入点，积极创造条件，从而培养学生的兴趣，使学生在愉悦中学习知识，掌握技能，使教学效果达到最佳。如果学生在课程学习中对某一知识点产生了兴趣，并主动去搜集相关资料，求知欲被激发，学习将会成为快乐的过程，有了第一次的探索，将会有后续主动摄取知识的收获，如果能让兴趣贯穿整个教学环节之中，则有事半功倍之效。

在课堂教学中，还可以采取小组合作的方法，由几位同学组成一个学习小组，在课程开始前，每组选定一个半导体物理技术应用方面的课题，并在课程结束后完成该课题的设计开发。这些课题的来源可以是教师的工程项目，需老师提前设计好课题库，如半导体技术在智能终端、物联网、4G通信、智能家居和汽车电子等新兴領域的具体应用实例。因课题的完成需学生了解并掌握课程的重点知识，教师可在开始时为学生设置启发性问题，增加学生完成课题的趣味性，增强学生的实践能力。在授课过程中，教师可鼓励学生主动查阅本课程相关资料，同时定期汇报，总结辅导学生。以此为基础，要求学生总结查找的资料，完成文献综述的书写，再试着应用学到的相关理论及技术完成某个子课题的方案设计和软硬件开发。学生在完成课题的开发与设计中，可以学习如何查阅文献，提升总结能力，了解目前研究的现状，思考相关研究的不足之处，分析产生不足的原因，试着提出解决的方法，再预测未来的发展趋势，试着取前人研究之长，运用于自己的具体方案设计中[16-17]。这将对学生日后的学习、工作能力大有提高。此外，因前期研究的铺垫，可以鼓励学生积极参加全国大学生物联网设计竞赛、大学生电子设计竞赛或大学生创新创业训练计划等活动，在比赛中升华课题，学习撰写科技论文。这种项目导向式的教学方式，实现了学生从被动接受知识到主动探索知识的转变，在学生发现问题、解决问题的过程中，学习动机实现了根本转变，跟着项目学习，学生成为了学习的主体，教师则成为了教学工作中的辅助者。

（二）引入模拟软件与实验教学，培养学生自主创新科研能力

半导体物理包括半导体器件和半导体材料两部分内容，可以引用Materials Studio和Silvaco TCAD这两种计算软件进行仿真。引入这两种模拟计算软件，可以有效将教学与科研相结合，将所学理论知识活学活用，激发学生自主学习兴趣，培养动手和创新能力，提升学生的科学素养。

1. 半导体材料物理性质模拟

Materials Studio是ACCELRYS公司为材料化学领域设计的一款可运行在PC上的模拟仿真软件，可以有效解决当今化学、材料工业中的一系列问题。Materials Studio让化学材料领域的研究者们可以更方便地建立三维分子模型，对有机晶体、无机晶体以及聚合物进行深入分析。Materials Studio中的CASTEP模块是一种先进的量子力学程序，广泛应用于半导体、陶瓷、金属等多种材料，可研究晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属和分子筛等）、表面和表面重构的性质、电子结构（能带及态密度）、表面化学、点缺陷性质、晶体的光学性质、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等[18-20]。通过CASTEP模拟计算常见硅、锗等半导体材料的能带结构及相关缺陷掺杂对其性质的影响，引导学生主动探索其他半导体材料（如宽禁带半导体材料氮化镓、碳化硅，超宽禁带半导体材料氧化铝等）的相关性质，加深学生对导带价带、费米能级、直接带隙、间接带隙和载流子运动等问题的理解，同时培养学生主动参与科研的兴趣。

2. 半导体器件性质模拟

为了让学生更加深入理解半导体器件的相关性能，可以引入TCAD（计算机仿真模拟技术）软件仿真教学内容。Silvaco TCAD 软件是由Silvaco公司出品的一款辅助设计软件，它由工艺仿真模块Athena和器件仿真模块Atlas组成。通过设定相应的工艺和器件参数，可以模拟实现电路或者器件制造的全流程，也可以对电路或者器件的性能进行仿真分析，提取有关参数[21-23]。通过ATLAS模块可以获取直流、交流以及瞬态情况下器件的电学参数，仿真研究器件的器件参数（如器件尺寸、掺杂浓度等）变化对电压电流的影响。通过ATLAS建立相关器件结构、添加模型与参数、划分网格、设置求解内容，可以将学习的理论知识与当前的半导体前沿科研内容相结合，增强学生的科研意识及能力。

3. 器件实验教学

仿真作为一种手段，是对理论的重现和验证，在准确的仿真基础和工艺逻辑上，可以准确预测不同结构和工艺效果，设计和优化器件。而实验是检验和验证仿真结果必不可少的一步。可以通过设置测量碳化硅二极管、MOSFET、GaN HEMT等器件的传输特性、输出特性和击穿特性等电学性能的实验，将测量所得数据和前面器件仿真结果进行比较，可以让学生对半导体物理知识有更深的理解， 开拓学生的创造性思维，激发学生的主动探索求知的精神和自学能力。

（三）确立多元化、多方位评价体系与激励制度

从教师的角度出发，由传统的“一考定全局”终结性评价转向形成性评价和终结性相结合的全程评价。一方面，提倡开放性、多样化的考核方式，多方面地评价学生的综合素质和创新能力。如在半导体物理每章内容教学结束后，举行一次小测验，测验形式可以采取课题汇报、分组讨论等形式[24-26]。测验结果作为平时成绩，与期末成绩按照一定比例结合，作为学生最终成绩。另一方面，探索多元化的培养效果评价体系：借鉴同行评议制度，将评价主体，由单一教师主体转向教师、同行、学生等多元化的评价主体，例如，将学生分成小组，在每个小组回答问题或者完成课程汇报后，由其他小组进行评价打分，这种方式可以充分调动学生的参与热情与积极性。

从学生的角度出发，俗话说“师傅领进门，修行靠个人”，重點是对学生创新能力的培养，而不是知识的灌输。这就需要对培养方案、教学方法和评价指标等一系列教学体系做出调整、改变。课上开展相关课题的汇报展示活动，对准备充足者、汇报优秀者给予一定的奖励;课下则举办半导体物理相关的专题讲座、现场参观及网络宣传等活动，对积极参与并提交报告者积极回馈评价[27-30]。通过课上课下相结合的方式，学生的创新意识能获得提高，实践水平也能实现提升，为之后学生参与到科研工作中提供理论和实践的基础和能力。

从学院的角度出发，可建立长期激励机制，设定专项奖学金，从精神、物质上鼓励学生参与科研活动;还需完善教师考核、评价体系，让更多的教师参与到本科生的科研指导工作中去。

三、结束语

在“科研项目导向，兴趣驱动”的教学模式下，首先，通过增加项目中的趣味性吸引学生，从而大大提高学生学习的积极性。其次，教师在课程中设计多个项目，每个项目由多个工作任务构成，根据不同的工作任务开展教学，学生则选取自己感兴趣的项目组成学习小组，充分调动了学生学习的主动性，发挥了其学习中的主导作用，教师则负责在学生学习过程中提供辅助，组织学生展开有序的学习。最后，在教学中增加与科研有关的软件与实验教学，学生自由选择感兴趣的项目，以小组为单位查阅资料，学习软件，分析解决方案，逐步完成项目，撰写科研论文。在此教学模式下，抽象的问题变得具体化，枯燥的问题得到趣味化，学生的逻辑思维、编程能力、实践水平得到提升，还培养了团队合作的精神，最终实现了教学的高效性。

本文一来为“教师为主导、学生为主体”的教育理念提供了新的范式。基于“科研项目导向、兴趣驱动”的培养方法，教师在培养过程中只起到咨询、指导与解答疑难的作用，充分考虑了学生的兴趣方向，能够充分发挥学生的主观能动性，培养其理论结合实践、分析问题和解决问题的综合实践能力。二来为促进师生职业发展提供了新途径：科研项目导向与兴趣驱动的人才培养方法，拓展了传统的教学培养模式，使学生早期接触专业，早期创新实践，早期确定研究发展方向。在提高学生科研能力、获得科研成果的同时，也增强了教师的职业价值感，达到了双赢的目的。

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基金項目：重庆大学“基于STEM教育理念的《半导体物理》跨学科课程教学改革研究与实践”（2019Y21）;重庆大学光电工程学院“基于科研项目导向与兴趣驱动的光电工程本科生创新实践能力培养研究”（2019J01）

作者简介：陈显平（1979-），男，汉族，重庆人，博士，教授，重庆市能源互联网及智能装备协同创新中心执行主任，研究方向为先进传感器与感知技术，功率半导体器件设计、封装及可靠性，新型电子材料及器件。