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新旧动能转换战略下“半导体照明原理与技术”课程教学改革研究

  • 教育论文
  • 2021-05-14

尹正茂 孙长龙 李桂村 孙琼 王莉 石良 于立岩 杜芳林

[摘 要]半导体照明原理与技术是新能源材料与器件专业的重要基础课程,在新旧动能转换战略下半导体照明原理与技术课程的教学改革,对促进半导体照明产业创新发展及国家半导体产业突破升级具有重要意义;慕课教学、启发教学、实物教学、翻转课堂、实践教学等多种教学手段的综合运用促进本课程的教学改革。

[关键词]新旧动能转换;半导体照明原理与技术;教学研究

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324(2020)48-0-02[收稿日期] 2020-05-11

半导体照明是以发光二极管(LED)为核心的固体发光器件,具有节能、环保、智能等优点,成为21世纪最有发展前景的“绿色”光源。在新旧动能转换战略下,半导体照明产业如何不断突破新技术,如何从跟踪超越到引领,如何从做大到做强,成为重要目标和课题。半导体照明创新发展离不开对半导体照明人才的培养,而半导体照明原理与技术是一门重要的专业基础课。

半导体照明原理与技术是新能源材料与器件专业和材料学相关专业的基础课程,涉及光学、固体物理、半导体物理与器件、光电子学等内容[1,2],是一门集合材料合成、器件结构设计、工艺制备等的应用综合交叉课程。在培养学生创新性思维、工程设计、综合应用能力方面起到重要作用。因此,为了适应新旧动能转换战略下半导体照明的发展要求,培养学生创新能力和解決实际问题的能力,需要探索本课程的新型教学方法。

一、课程改革思路目标

本课程改革的总体思路是教学形式灵活多样、启发引导为主、以学生为中心、激发学生主动性、注重实践应用。对教师目标要求:运用现代教学手段建立线上课程,丰富教学手段;改变填鸭式教学,注重启发互动;教学内容形象化可视化,同时公式原理回归传统板书教学;将更多实物带入课堂,激发学生学习兴趣;以学生为中心,探索翻转课堂;注重实践教学,培养学生综合能力。对学生目标要求:养成主动学习习惯,主动思考并勇于提问,课上跟上教师思路,注重理论联系实际,培养团队合作、归纳总结、语言表达、动手实践的能力;掌握半导体照明相关的理论知识,具备半导体照明材料制备、结构设计、器件开发、产品应用的能力。

二、教学改革方法

为了实现新旧动能转换战略下半导体照明产业的突破和引领目标[3],半导体照明原理与技术课程的教学过程中综合运用了多种教学改革方法。具体内容如下:

(一)慕课教学

建立了以超星学习通为基础的半导体照明原理与技术线上慕课课程,集合了视频、PPT课件、习题、文献等资料。课前学生预习课程内容;课上教师现场发送客观题,学生线上答题,这种方式快速反馈学生对知识点的掌握情况;课后学生通过慕课系统随时与老师、同学沟通讨论,学生学习的积极性和时效性得到明显提高。

(二)启发式教学

知识点尽量以问题形式引入,启发引导学生思考,注重学生独立思考、分析和解决问题的能力。例如,问题:生活中哪些物品应用了LED,结构形式是什么?让学生开动脑筋、发散思维、判断解答问题。

(三)PPT和板书教学结合

丰富PPT课件内容,搜集和制作了大量彩色立体图像和视频动画,把知识原理从苦涩的文字转变成简单可视易懂的影像,使知识更容易被接受,提高了学生的积极性和学习效率。例如,PN结通电时电子和空穴运动的动画使载流子的运动清晰可见,LED中电子和空穴复合发光的动画使发光过程一目了然;MOCVD设备的详细拆解图、LED芯片工艺流程图、LED芯片的各种设备等图表,使学生详细了解LED外延生长过程、芯片工艺以及多种设备的工作原理和结构。对一些关键性的知识点要以板书为主,仔细讲解原理内涵和公式推导,板书过程使学生看到知识点的来源和演变过程,学生理解更深刻。例如,PN结、异质结、双异质结的能带图在黑板上边画边讲,异质结的进化过程一目了然。

(四)实物教学

在教学中引入章节内容相对应的实物,让学生形象地看到实物具体什么样,激发学生的学习兴趣。例如:讲解光谱相关内容,课堂上利用微型分光光度计和光纤光谱仪,现场将卤钨灯和太阳光进行分光并测试光谱;讲解色度学内容,现场用微型光谱仪测量实物颜色;讲解LED结构时,结合LED外延片、不同规格LED芯片和LED灯珠进行实物讲解;讲解LED芯片制备流程时,结合LED芯片工艺随工单实物给学生讲解。通过实物教学,学生感官认知增强,学生更加积极主动学习,对知识的理解和把握更深入。

(五)翻转课堂

对于新型发光材料和器件部分,采取课题研究、分组协作和翻转课堂的开放式教学模式。提供几个研究课题:半导体激光器LD、有机发光二极管OLED、胶体量子点LED、钙钛矿LED、LED大屏显示、LCD显示技术等,让学生自主选择感兴趣方向,自由组合形成课题组,学生分工合作、查阅资料和文献,自学知识、提取有用内容、整理知识、制作并讲解PPT、相互提问、相互打分。教师全程跟踪和指导,对遇到的困难和问题给予引导建议,并确保每个学生都能参与进来;每个课题的讲解人在二人以上,全员参与问题解答;教师主持各课题组讲解现场,配合主讲人调动观众积极性,并对学生难以解答问题进行现场解答,制定详细的打分规则。通过翻转课堂,培养学生课题调研、学习知识、总结归纳、分工协作和演讲表达的科研素养和能力,使学生对半导体照明相关知识的综合学习能力得到提高。

(六)开设专业综合实验

开设专业综合实验这类后续实践课程—“白光LED制备及性能研究”,通过专业综合实验让学生动手组装和测试LED,使学生理论联系实践,学以致用。“白光LED制备及性能研究”分为四部分:一是新型光转换荧光纳米材料(荧光碳点、碲化镉量子点等)制备;二是新型光转换荧光纳米材料的性能测试(吸收、荧光、量子效率、TEM等);三是新型荧光纳米材料和传统Ce3+:YAG荧光粉在蓝光LED灯珠上的涂覆、调制白光和封装,制备几种白光LED;四是白光LED的光电性能测试。本专业综合实验培养学生在新材料合成、材料性能测试、器件组装、白光LED光电性能测试及分析、综合实验报告的撰写和分析等方面的能力。“白光LED制备及性能研究”专业综合实验不仅是先导课程“半导体照明原理与技术”的实践课程,更是训练和提升学生对半导体照明材料和器件研发综合能力的课程。

(七)课程考核

半导体照明原理与技术的课程目标是培养学生掌握半导体照明知识并综合运用知识的能力,期末总评成绩由平时成绩(30%)和期末考试成绩(70%)两部分构成,平时成绩由课堂问题回答、课后习题作答、翻转课堂成绩组成;专业综合实验单独考核给分。

三、结论

本课题是在新旧动能转换战略下的教学改革研究项目,综合运用了多种教学手段来提升半导体照明原理与技术的教学效果。在实际教学过程中,结合了慕课教学、启发教学、PPT和板书教学、实物教学、翻转课堂、专业综合实验等多种教学手段,培养了学生的学习兴趣和主动性,提高了学生对知识的理解、掌握和实践运用能力,锻炼了学生解决实际问题的综合能力。本教学研究自2018年开始在青岛科技大学新能源材料与器件专业实验班进行改革和实践,教学效果提升明显,具有较高的理论意义和推广价值。

参考文献

[1]李晋闽.新旧动能转换引领第三代半导体产业创新发展[J]. 中国科技产业,2018(1):54-55.

[2]王元元,吴子华,李文琴,等.基于工程认证的半导体照明原理与技术课程的教学方法研究[J].化学工程与装备,2019(9):289- 290.

[3]杨广华,牛萍娟,李玉兰,等.基于半导体照明新兴产业人才培养的本科工程教育研究[J].照明工程学报,2014(25):21-25.

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