三层次方法在光电子材料教学中的探索与实践

张 斌

（中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州 510275）

引言

光电子芯片的快速发展是近年来半导体和光电子技术相融合的必然产物［1］。相较于传统的电子芯片，光电子芯片使用光波作为信息传输和数据运算的载体，具有传输带宽大、传输损耗小、时间延迟低的特点，在光通信、光互连、光计算、激光雷达、生物传感和光量子等领域展现出巨大的应用潜力。此外，光电子芯片还有望应用于纳米材料等生物与环境、科学领域，为相关研究提供更好的支持和可能性。光电子芯片的科学发展，将推动整个行业更加前沿化和有序化，为人类社会的进步奠定坚实的科学基础。当前，国内的加工工艺线已经能够完全满足光电子芯片的加工需求，并且在技术研发和产业化方面都取得了重大进展。此外，政府也加强了对光电子芯片产业的支持力度，鼓励企业加大研发投入，推动产业链的完善和发展。笔者相信，在这些支持和助力下，光电子芯片的应用前景和市场空间将更加广阔，势必会为科技进步和社会发展做出新的贡献。

在更加注重基础教育的高校中，光电子材料是一门交叉学科，融合了物理学、光电子学、电子学、信息技术等众多学科的知识，在当今电子信息领域发挥了举足轻重的作用。目前国内高校主要讲光电子器件的基本原理、光电子器件与系统的设计和应用以及相对应的制备技术等知识。其中，“光电子材料”是光电信息科学与工程、微电子等专业的学生进一步学习光电子理论和光电子器件与技术的基础理论课，也是他们今后从事光电子材料、器件和光电子系统应用相关领域的工作、生产、科研等的必修课程。所以关于光电子材料和光电子学的教学模式的讨论，引起大家的广泛关注和研究。

然而，当前光电子材料更多是从材料角度了解光电子基础材料的基本概念和理论，主要涉及材料的物理和化学性质、制备方法和表征技术等，这是光电子学和光电子技术课程的重要组成部分，但仅仅了解光电子材料的基础知识还不足以满足光电子领域科研院所和企业对人才专业知识储备的需求。在新工科的背景下，如果能够将光电子材料、光电子学等基本原理和光电子器件与技术同光电信息系统应用的需求联系起来，可以更加系统地培养学生对光电子器件和系统的基本理论和设计方法的认知，培养他们良好的工科思维，将理论与实际应用直接关联，不仅可以开阔学生的视野，又可以锻炼学生的探索能力［2-3］。因此，在新工科背景下，光电子材料课程的教学和学生的培养模式也需要不断创新和拓展。

笔者从“教材编写、教学模式创新、教学内容拓展、实践课程设置”等方面综合考虑，提出建立“基本原理—器件结构—系统应用”三层次系统性的教学方法，探讨新工科背景下的光电子材料与光电子学的课程教学和学生培养模式。

一、“光电子材料”课程教学和学生培养现状

（一）光电信息科学与工程专业的本科生课程教学和学生培养要求

针对新工科背景下对光电子芯片的发展要求，在课程设置上，通过对学生进行涵盖光子学、光电子学相关的物理、器件和工艺技术等基本理论知识的系统教学，使学生深入掌握光子和光电子材料与技术，培养他们的学习和适应发展能力，以培养他们具备自主学习和终身学习的意识；在实践训练方面，通过开展科研实验室、创新创业训练计划和研发基地等培养计划，培养学生掌握科研开发的基本技能，并使之具备初步技术开发和研究能力，以培养他们综合应用本专业知识、分析和解决复杂工程问题的能力。此外，光电子材料课程涉及多个学科交叉的知识体系，有助于学生开拓学科间的知识视野，能够更好地满足学生的学习需求和职业发展要求。

（二）“光电子材料”课程教学现状

目前许多高校开展相关课程，为相关专业学生提供了必要的理论知识和实践技能。针对光电子技术发展的需求，在对应实验课程上，不少高校在光电子器件相关课程的基础上开展了实验教学平台，有效地培养了学生独立分析问题和解决问题的能力，让学生掌握了光电子器件与系统的基本设计开发能力；在教学质量方面，借助现代信息技术，结合互联网上的教学资源有效地提高了教学质量，拓宽了学生的知识面；另外，不少高校以开展创新训练计划，建立科研实验室和研发基地等方式加大了对光电子器件相关课程的投入，满足了学生自主开展实践活动的需求，培养了学生针对复杂工程问题的分析能力和解决能力，提高了学生的团队协作、创新创业和工程领导等能力，极大提高了本科课程教学中光电子器件相关课程的教学质量。

但在新工科背景下，光电信息领域行业发展对光电子器件相关课程的培养模式提出了更高的要求。而且，光电子学与光电子材料课程相关的教科书少之又少，仅有的教科书理论知识较深，难以衔接学生不同阶段的课程内容，基础薄弱的本科生难以掌握课程内的知识。所以，当前需要在多年光电子材料教学经验的基础上开展新的“光电子材料”课程教材的编著工作，让学生衔接大学其他课程知识，更有效地掌握光电子学与光电子材料的课程知识。

而且当前经济社会和产业发展需求要求学生掌握贯通光电子器件中关键科学理论和关键技术的物理机制、材料、器件结构和系统应用，因此需要创新和改革课程教学和学生培养模式。目前，关于课程教学和学生培养模式的研究还较少，是光电信息科学与工程专业教学的新课题之一。

二、“三层次”教学方法助力“光电子材料”课程的改革

（一）“三层次”教学方法在新体系教材编著中的探索

随着光电子学和光电子器件领域理论和技术的快速发展，需要组织完善“光电子材料与器件”通用课程教材的编撰工作。现有的光电子学相关书籍主要是按照“光电子学中线性光学现象的基础原理和常规器件结构”的逻辑框架介绍，对于已有一定基础课程学习的电子信息类本科专业学生来说，存在内容繁杂、知识点与其他课程重叠过多的问题，给本课程的教学带来了困扰。基于多年的“光电子材料”课程教学经验和积累，笔者及教学团队提出“三层次”教学方法，并着手编写新体系教材《光电子学基础与光电子材料》，以当代光通信系统中“光与物质的相互作用机理”为逻辑链，涵盖激光产生、调制、传输与放大、探测，非线性的光学响应，以及光电子信息材料与器件的结构和制备工艺。相比原有教材，新教材以光电信息系统应用需求为主链，从基本机理出发，涵盖基本原理和数学模型，定量阐述光电子材料参数对器件性能的影响，让学生在结合物理光学和电动力学的基础上，对光电子器件和系统应用，以及材料的结构和性质的形成具有更加基础性的认识，为之后学习半导体器件和通信原理奠定更底层的认知和光学原理的基础，使本课程更好地发挥承上启下的作用。

（二）“三层次”教学方法在课程教学中的应用

光电子芯片发展，对“光电子材料与器件”课程的教学提出更高要求，把“三层次”教学方法应用到课程教学中将有助于学生形成清晰的专业课逻辑，达到更好的授课效果。培养学生建立基本原理到系统应用的思维方式，需要在理论和实践上不断协调和衔接，让学生积极参与实践操作，从而掌握实际操作技能和丰富的实践经验。与此同时，还需要鼓励学生多方面思考和探究问题，培养学生的工科思维和创新精神，培养学生解决问题的能力和实际应用能力。因此，在教学过程中，强调光电子器件的基本原理与系统应用之间的关系，让学生通过学习基本原理到器件结构的认识到系统应用的了解，将基本原理与应用相互关联，形成完整的知识系统。在课程设计上，从光与物质的相互作用机理出发讲述激光产生、调制、传输与放大、探测以及非线性的光学响应，形成一个链条式逻辑框架，在学生掌握以上基本原理的基础上，进一步讲解光电子器件和材料的结构和制备，将枯燥的理论公式和概念与现实生活中接触到的光电子技术和各类光电器件联系起来，让学生更加容易理解和掌握，提高学生的学习兴趣。在导论性质的课程教学中加入光电子学发展历程和相关科学家的介绍，让学生感受到科研工作者不畏困难、敢于探索、勇于创新的科学精神，培养学生积极向上、钻研攻关的意志品质。同时，将理论课程和实验操作相结合，在教学中频繁引入应用案例和实际应用场景，鼓励学生通过课外的实践活动加强对所学知识的理解和应用。在学习和解决实际问题时，让学生从多个角度观察问题，综合考虑问题的不同方面，从而培养其工科思维。

（三）“三层次”教学方法在课程实践中的应用

“三层次”教学方法有助于改变传统的灌输式理论教学方式，积极探索多元化的教学方法，例如采取在线开放课程、科学实验设计、科技应用竞赛等方式，充分激发学生的学习热情，有助于培养学生的学术性思维和科研写作能力。此外合理规划课程的理论性内容和实践性内容比例，结合课程内容进行全面系统的分析，有意识地结合课程内容培养学生的实践科研能力和创新思维，逐步引入具有综合性、分析性、设计性的大型课业实践环节，将实验课程与理论教学紧密结合、相辅相成，加深学生对理论课程的理解。打破现有教学和实验室之间的壁垒，开展微课题研究。通过短科研周期的微课题指导促进学生参与研究性学习，构建研究性学习组织系统，鼓励学生积极参与各个实验室中与本课程密切相关的实践项目。在实践课程中，由相对原理验证型、演示型、简单操作型实验，逐步提高设计创新型、高级技能型、综合型等实验课比例。按照学生的专业发展需求对课程实验进行设计和优化，找到学生的兴趣点和知识掌握上的重难点，达到让学生可更深入掌握实验原理、培养学生创新能力、提高新工科时代人才培养有效性的目标。

（四）“三层次”教学方法在课程教学内容拓展中的探索

面对日益发展的光电子芯片技术以及经济社会对新工科专业人才培养要求的变化，根据新工科的前沿动态与社会发展需求动态更新知识体系，“三层次”教学方法可以指导课程教学内容深度和广度方面的拓展，继续完善课程教学内容的改革，不断审视和保证课程教学内容的有效性、稳定性、应用性和实践性。课程教学内容要不断跟进前沿的光电子技术的发展，持续更新教学内容，将具体科学技术的创新内容，甚至其他专业知识的拓展知识等课外知识加入课程教学内容当中，有针对性地选择并重点强化某些知识点，对于一些与其他课程重复的老旧知识点进行筛选和压缩，避免重复教学，同时根据学生的学科背景和先修知识，适当调整课程难度和深度，确保学生掌握核心的知识和技能。而相应地增加前沿光电子技术的相关知识，根据当前行业的热点和趋势，选择具有前瞻性和应用性的知识点进行强化，结合学生的实际需求和兴趣，对某些重要知识点进行着重强化，提高学生的学习效果和兴趣，确保学生在有限的学时内对本课程有更加全面的学习。

（五）开辟校外课堂，拓展学生专业视野

在课堂教学以外，开辟校外课堂，提升学生对系统应用方面的直观认识。可以组织学生前往光电子器件、光通信系统、光传感系统等制造和运维企业等进行实地参观，了解光电子学和光电子技术在实际应用中的情况，在与企业专家交流学习的过程中，帮助学生巩固加深课堂所学的理论知识，使学生了解光电子行业的最新动态和生产流程，为今后就业打下基础，从企业需求的角度拓宽学生对国内光电子产业发展的视野，提高学生对国内外光电子产业的认知，从而使学生更好地掌握相关知识和技能。此外可以邀请光电子学和光电子技术领域的专家和学者来校内举办讲座或组织学生前往相关研究机构或学术会议进行交流学习，了解前沿的研究进展和最新技术动态，拓展学生的专业视野和创新思维。同时，做到及时调整课程内容，做到教学紧跟科学技术发展和市场需求。

结语

随着新工科的发展，光电子芯片逐渐成为信息光电子技术领域的核心。在这个背景下，对更大带宽、更高性能、更多功能的新一代光电子材料、器件和系统的的需求也越来越高，这也使得光电子基础理论和光电子材料、器件、系统方面的课程教学变得越来越重要。我们从教材编写、课程教学方法、学生培养模式、理论与实践的结合以及教学模式体系等五个方面进行探讨，提出了“基本原理—器件结构—系统应用”的三层次教学方法，让学生从理论学习到实践应用，提高其实践能力和创新意识，拓宽其知识面和视野。在实验和课程设计方面，我们应该鼓励学生自主探究，提高其自主学习和问题解决的能力，借助多媒体教学和互动式教学，提高学生的学习兴趣和主动性，促进其创新能力的发展。期望通过这些教学方法，能够帮助学生更好地掌握光电子材料的基础知识和应用技能，培养具有创新精神和实践能力的光电领域应用型人才。