“黃昆班”研究型教學示范課的承上啟下式案例教學探索

鄭新和 王茜茜 王馨頤

[摘 要]? “黃昆班”是大學與研究所合作辦學的一個本科教育新探索，如何進行專業課特色教學，也是一個新課題。通過選取諾貝爾獎成果的氮化鎵基半導體及其極性為案例，進行研究型示范課建設。案例具有“承上啟下”的示范性效果，“承上”是借極性對波函數的空間調控，幫助學生理解以前量子力學課晦澀難懂的薛定諤波函數方程;“啟下”是啟發性開導極性如何形成二維電子氣與高遷移率晶體管，幫助學生樹立“先入為主”的后續器件課程學習。

[關鍵詞]? “黃昆班”;研究型教學;承上啟下;半導體

[資助項目] 北京科技大學研究型教學示范課程建設，課程名稱為“半導體物理基礎”（KC2016YJX16）

[作者簡介] 鄭新和（1972—），男，江西貴溪人，博士，北京科技大學數理學院教授，主要從事III族氮化物半導體器件、薄膜生長和物性方面的研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0250-03? ? [收稿日期] 2019-08-08

一、研究背景

“黃昆班”是北京科技大學和中國科學院半導體研究所于2013年合作創建的精英人才培養項目，旨在繼續發揚黃昆院士的學術思想，充分整合中科院半導體所的科研優勢與高校人才培養的辦學優勢，共同培養從事半導體領域的高水平優秀學生[1]。這樣一個新的探索，旨在培養半導體領域的高水平人才的大學示范班級，專業為應用物理學，側重半導體物理與器件方向。該專業每年在北京科技大學理工科專業一年級學生中招收一個班，以我國已故著名物理學家黃昆先生的名字命名。黃昆班的部分專業課程由中國科學院半導體研究所的高級研究人員授課，并需在中國科學院半導體研究所參加一定的科研實踐活動，在該所完成畢業論文。校內專業課程由在半導體領域學習和研究近20年的教授講授，幫助學生奠定堅實的專業基礎?，F在有2015級學生27名，2016級學生20名以及2017級學生30名。

黃昆先生師從諾貝爾物理學獎獲得者約翰·莫特教授，是我國著名的物理學家和教育家，中國科學院院士、瑞典皇家科學院外籍院士、第三世界科學院院士。他是中國半導體事業的重要開創者，2001年獲得第二屆國家最高科學技術獎。2011年，第48636號小行星被永久命名為“黃昆星”。黃昆與諾貝爾物理學獎獲得者馬克思·玻恩合著《晶格動力學理論》，該書是國際上該領域的奠基性權威著作。他提出的一系列理論在固體物理發展中具有重要影響，比如“黃散射”“黃方程”等。他曾長期在北京大學任教，是中國科學院半導體研究所的建立者和所長，培養了一批中國物理學家和半導體技術專家?！包S昆班”的培養目標是通過雙方的合作辦學，培養半導體物理及半導體信息技術應用領域的拔尖人才。秉承北京科技大學“學風嚴謹、崇尚實踐”的辦學傳統，以“實踐和創新”為特色，培養“厚基礎、強實踐、重創新”，具有國際視野和跨文化交流能力的優秀畢業生，并期望一些畢業生能成長為該領域的杰出人物。

二、研究型教學的設計與實踐

為辦好“黃昆班”這一新增本科專業方向，增強“黃昆班”的專業歸屬感，甚至創立半導體物理與器件專業，需在本科教學中探討新型教學手段，促使學生更好地學習半導體這門學科，將來成為國家需要的行業精英人才。作為“黃昆班”建設者之一，本人重點負責了“半導體物理基礎”“半導體器件與工藝”本科專業基礎課的教學。在長達一學年的專業課教學中發現，學生普遍對課上主講教師以切身體會講述的科研課題、科研成果和將來的科研方向具有濃厚興趣。正是在這種體會下，深感學生對研究型教學方式的熱愛和期待。因此，為了進一步將“半導體物理基礎”課程作為研究型教學示范課程，形成“黃昆班”專業課程的教學特色體系，將選取“承上啟下”式的案例教學進行建設。從而，使學生可以更好地理解專業課的知識點與相關的學科動態，以此培養真正的創新性和主動思考性人才[2]。

“半導體物理基礎”課是“黃昆班”的重要專業必修基礎課之一，學生們在大學三年級第二個學期進入學習。為了更好地發展“黃昆班”這一精英人才項目，在本科教學中開展研究型教學將是提高創新性人才培養質量的有效途徑和手段。在這門課程中涉及的多數知識點方面，主講教師有過很深的研究經歷，某些研究成果在國內外同行中具有很高的評價。例如，在該課程第一章中涉及的半導體晶格結構和表面再構章節，曾經從事的馬賽克晶格結構扭轉程度的測量方法受到英國劍橋大學在物理類綜合期刊上多次評述[3]，從事的晶格常數測量方法已寫入科學出版社編輯出版的專著章節[4]，制備的高性能氮化鎵基異質結太陽能電池受到2014年諾貝爾獎獲得者研究組的多次引用等[5]。第二章的半導體摻雜中涉及的多種摻雜特性，曾經研究的化合物半導體隨摻雜濃度的變化而引起的晶格常數和載流子濃度變化正好深入淺出地介紹了這部分內容，啟發了學生思考科研問題的來源。因此，主講教師可以結合這方面的研究經歷在該門課程教學過程中以科研問題為案例載體，以此創設類似科學研究的情境和途徑。另外，主講教師在課堂教學中強調知識點涉及的科研問題設問，因此師生的互動非?；钴S，有時還引起了學生之間的激烈爭辯，極大地鼓勵了學生獨立思考和分析問題的能力。這也正是研究型教學所訴求的一個重要方式和理念。

在本科教學中，由于課時的限制，往往只是某些知識點的講解。這種教學方式很容易讓學生覺得只是在學習這一門課程，實際上，教師在研究型教學中可以逐步深入科學研究的思路，以此讓學生對某些學科發生興趣，從而超越課堂或教材的約束。例如，在第一章的晶格結構內容中，半導體所涉及的一個學科——半導體極性就非常有意思，涉及的內容就很多，包括極性方向、極性電場、解離面、波函數調控、載流子的限制等。為了更好地在這門課程中倡導啟發式、探究式、討論式、參與式的教學，需要激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性、主動性和創造性。本研究型教學示范課程建設，將以科學研究的靈魂——探究和創造融入教學中，以期培養學生的創新創造能力。比如，在該章節教學中可以向學生提出問題：如何理解半導體極性的“承上啟下”式學習內容？主講教師對該門課程所涉及的學科研究與動態有著豐富的科研經歷，對學科知識的本質有深刻理解，重要的是自身參與了研究。因此，可以將研究成果真正引入教學，把這種科研過程中的成就感與學生分享，以此傳授成功體驗的方法和有趣過程。

根據上述思路，本門課程的研究型教學示范內容主要以半導體的極性概念為基礎知識，逐步以學科為出發點將科研問題落實到課程。重點以曾獲得2014年諾貝爾物理學獎的氮化鎵半導體的極性及其意義為科研問題進行探究，使學生理解半導體極性及其應用如何具有“承上啟下”的學習效果。如何設計“承上”式的研究型教學呢？在晶格結構的學習層面，學生一般更多理解的只是對稱性和平移性操作方面，而在由其造成的電學學習方面較少。而對纖鋅礦結構的半導體氮化物，不僅可以結合晶格結構進行鞏固固體物理課程中所學知識，而且有利于理解晦澀難懂的量子力學，尤其是薛定諤波函數的概念。從氮化物半導體的纖鋅礦結構來看，由于對稱性程度較低和化學鍵結合，在（0001）方向存在極性，這種極性不僅幫助學生理解晶格結構，而且進一步讓學生思考晶格結構是如何與電學特性聯系起來的。對于后者，極性會使半導體內部產生電場。這種極性除了自身晶格結構對稱性較低引起的自發極化電場外，還由于異質外延，氮化鎵基薄膜存在的應變也會引起極化，稱為應變極化。在此思路基礎上，極化電場又如何與量子力學里的波函數相聯系的呢？一般來講，學生在學習這兩個知識點方面，基本上是孤立進行的。因此，在該案例中，結合學生剛剛學習的能帶結構和量子力學，將該極性電場引入教學中，使得學生不僅溫故所學知識，而且可開啟科學問題的來源思考。極性存在于氮化物半導體，由其產生的極性電場會使能帶發生傾斜，進一步影響電子或空穴的波函數空間分布。從而，學生根據該影響理解了量子力學中波函數的實際體現，不僅只是數學方程的曲線理解。意即，電子波函數的物理圖像出現在極性電場作用下的半導體氮化物中。由于能帶傾斜，將使得電子波函數和空穴波函數皆偏向低能量處，然而由于電子和空穴的能帶結構不同，導致了它們在空間上的分離，對波函數進行了調控。因此，將氮化物極性引入研究型的學習案例中，不僅讓學生感受如何深入理解所學知識，也實實在在理解了晦澀難懂的量子力學，真正實現了“承上”式學習。

那又如何體現“啟下”式教學呢？在上述學習思路前提下，繼續啟發學生，這種電子波函數和空穴波函數的空間分離從器件的角度上還能如何從研究的角度上理解，為下學期繼續學習器件提供研究型問題，從而培養學生先入為主或主動性的學習方法。對黃昆班學生，除了“半導體物理基礎”這一核心專業課外，隨后還需學習另一門“半導體器件與工藝”專業必修課，它們分別是64學時。結合學生學習的電子和空穴概念，繼續提出問題，兩者復合會發生什么。一般的理解回答都是能量降低，變成熱或光輻射。此時，引導學生如何從發光器件的設計角度下提升器件性能進行學習。也就是說，電子和空穴復合仍存在量子力學中的概率問題，意即，概率越大，器件的發光效率越高，反之則越低。在這種教學的啟發下，學生們立刻開啟了好奇式的思考。最后，學生若有所悟地提出了增強電子、空穴復合效率的方法，即將電子和空穴波函數空間進行擴展，使它們有更多的交疊機會。同時，繼續“啟下”式設問，如何避免或改善它們的交疊，以及這種波函數調控還有什么潛在的器件應用。實際上，提出的這些問題，都是下學期需要學習的器件知識和相關的研究，包括非極性方向的發光器件、異質結中二維電子氣的產生以及高遷移率晶體管。顯然，通過這種既有研究思路又有“啟下”式教學案例的設計，將會充分調動學生學習的動力。這種抱著期待和興趣的學習，效果顯而易見，他（她）們的成長也指日可待。

三、結語

學無止境，教也無止境?！鞍雽w物理基礎”課程涉及的學科知識面寬、相關研究內容更新快等，通過研究型教學示范課的建設過程，教師結合自身與課程內容相關的研究經歷和最新的科研成果，并且將這兩者有機結合，極大豐富了授課內容和方式，活躍了課堂互動，激發了主動學習，培養了創新思路，探索了科教融合[6]。

參考文獻

[1]http：//www.cas.cn/xw/cmsm/201303/t20130321_3802618.shtml

[2]X. H. Zheng， H. Chen， Z. B. Yan， Y. J. Han， H. B. Yu， D. S. Li， Q. Huang， and J. M. Zhou， Determination of Twist Angle of In-plane Mosaic Spread of GaN Films by High-resolution X-ray Diffraction， J. Crystal Growth， 255/1-2， 63 （2003）. M. A. Moram and M. E. Vickers， X-ray Diffraction of III-nitrides， Rep. Prog. Phys. 72， 036502 （2009）.

[3]許振嘉.半導體的檢測與分析[M].北京：科學出版社，2007：143-144.

[4]Xinhe Zheng， Ray-Hua Horng， Dong-Sing Wuu， Mu-Tao Chu， Wen-Yih Liao， Ming-Hsien Wu， Ray-Ming Lin， and Yuan-Chieh Lu， High-quality InGaN/GaN Heterojunctions and Their Photovoltaic Effects， Appl. Phys. Lett. 93， 261108 （2008）. E. Matioli， C. Neufeld， M. Iza， S. Cruz， S. DenBaars， U. Mishra， S. Nakamura， J. Speck， and C. Weisbuch， High Internal and External Quantum Efficiency InGaN/GaN Solar Cells， Appl. Phys. Lett.， 98， 021102 （2011）.