導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇半導(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體物理學(xué) 課程探索

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2016）02-0001-01

信息技術(shù)的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)，隨著半導(dǎo)體和集成電路的迅猛發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到電子信息學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，電子、通信、控制等諸多學(xué)科都融合了微電子科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。《半導(dǎo)體物理學(xué)》是微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生未來(lái)的就業(yè)和發(fā)展。但是，《半導(dǎo)體物理學(xué)》具有理論性強(qiáng)、教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容更新慢等特點(diǎn)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在一定的難度。因此，本文從課堂教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，對(duì)微電子專(zhuān)業(yè)的《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程進(jìn)行探索。

一、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置

重慶郵電大學(xué)采用的教材為電子工業(yè)出版社劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，該教材具有知識(shí)體系完善、涉及知識(shí)點(diǎn)多、理論推導(dǎo)復(fù)雜、學(xué)科交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要學(xué)生有扎實(shí)的固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理以及數(shù)學(xué)物理方法等多門(mén)前置學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。另外，我們開(kāi)設(shè)的學(xué)生對(duì)象為微電子相近專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，因而在課程內(nèi)容設(shè)置時(shí)有必要考慮學(xué)生知識(shí)水平及其知識(shí)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。雖然微電子學(xué)相近專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了大學(xué)物理等課程，但是大部分專(zhuān)業(yè)未開(kāi)設(shè)量子力學(xué)、固體物理及熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理等前置課程，學(xué)生缺少相應(yīng)的背景知識(shí)。因此，我們?cè)凇栋雽?dǎo)體物理學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)置上，需要將部分量子力學(xué)、固體物理學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)融合貫穿在教學(xué)中，避免學(xué)生在認(rèn)識(shí)上產(chǎn)生跳躍。

從內(nèi)容上，依據(jù)課程大綱《半導(dǎo)體物理學(xué)》主要分為兩大部分，前半部分著重介紹半導(dǎo)體的電子狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，電子有效質(zhì)量、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡述了費(fèi)米能級(jí)、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；后半部分對(duì)典型的半導(dǎo)體元器件及其性能進(jìn)行了深入分析?；谝陨戏治?，半導(dǎo)體物理課程對(duì)授課教師要求較高，需要教師采用多樣化的教學(xué)手段，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，注重理論推導(dǎo)與結(jié)論同相關(guān)電子元器件的實(shí)際相結(jié)合，使學(xué)生較好地理解并掌握相關(guān)知識(shí)。

二、教學(xué)方法與教學(xué)手段

為了讓學(xué)生能較好地掌握《半導(dǎo)體物理學(xué)》中涉及的理論及模型，需要采用多樣化的教學(xué)方法和手段?；凇栋雽?dǎo)體物理學(xué)》課程的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)黑板板書(shū)基礎(chǔ)上，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件，實(shí)物模型等多種信息化教學(xué)手段，模擬微觀過(guò)程，使教學(xué)信息具體化，邏輯思維形象化，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和主動(dòng)性，從而達(dá)到提高課堂教學(xué)質(zhì)量的目的。

三、考核方式的改革

為了客觀地評(píng)價(jià)教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，改革考核方式是十分必要的。針對(duì)《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程特點(diǎn)，對(duì)考核方式作如下嘗試：（1）在授課過(guò)程中，針對(duì)課程的某些重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)幾個(gè)小題目，進(jìn)行課堂討論，從而增強(qiáng)學(xué)生上課積極性及獨(dú)立思考能力；（2）學(xué)期末提交針對(duì)課程總結(jié)的課程論文，使學(xué)生在對(duì)課程有更深入了解的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造積極性。

《半導(dǎo)體物理學(xué)》是微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)《半導(dǎo)體物理學(xué)》這門(mén)課的全面深入的改革，還有待與同仁一道共同努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯乃云.微電子專(zhuān)業(yè)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的探索[J].中國(guó)電力教育，2012，（13）.

篇2

多年以前，高科技最牛的美國(guó)就已不把電子計(jì)算機(jī)列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)給了法國(guó)人塞爾日·阿羅什和美國(guó)人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國(guó)人浪漫，而簡(jiǎn)稱(chēng)美國(guó)人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開(kāi)始熱門(mén)起來(lái)的科技詞匯。

一般認(rèn)為，中文的“信息”一詞出自南唐詩(shī)人李中《暮春懷故人》：“夢(mèng)斷美人沉信息，目穿長(zhǎng)路倚樓臺(tái)。”—— “美眉音信消息全無(wú)啊，夢(mèng)里也夢(mèng)不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長(zhǎng)路盡頭也不見(jiàn)你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺(jué)到深深的思念。

其實(shí)，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩(shī)人杜牧《寄遠(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書(shū)無(wú)信息，道旁車(chē)馬起塵埃。”還有比小杜更早的，唐朝詩(shī)人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來(lái)無(wú)信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過(guò)“信息”這個(gè)詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當(dāng)年安樂(lè)的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?guó)，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒(méi)法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來(lái)傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對(duì)象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語(yǔ)也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識(shí)與智慧之間關(guān)系的，卻是得過(guò)諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)的大詩(shī)人艾略特（T. S. Eliot；錢(qián)鐘書(shū)故意譯為“愛(ài)利惡德”）。他在1934年的詩(shī)歌“The Rock”中寫(xiě)道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識(shí)中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識(shí)在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩(shī)人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒(méi)在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)。客觀世界有物質(zhì)、能量?jī)煞N存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見(jiàn)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來(lái)的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無(wú)法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對(duì)論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來(lái)，使量子理論進(jìn)入量子場(chǎng)論階段。

“量子”詞源拉丁語(yǔ)quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子；或者說(shuō)，一個(gè)物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個(gè)物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說(shuō)其物理量的數(shù)值會(huì)是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問(wèn)題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺(jué)的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量。現(xiàn)代社會(huì)要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來(lái)才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個(gè)尖端芯片可集聚數(shù)十億個(gè)微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無(wú)法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開(kāi)始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號(hào)（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的每個(gè)單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個(gè)本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個(gè)“0”或兩個(gè)“1”，即可同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級(jí)地提高了運(yùn)算能力——一臺(tái)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來(lái)100萬(wàn)年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語(yǔ)言說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒(méi)有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)2的250次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)，比人類(lèi)已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過(guò)美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由一個(gè)獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說(shuō)箱里的原子既衰變又沒(méi)有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對(duì)應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開(kāi)蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬(wàn)微觀粒子、無(wú)數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開(kāi)箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。即若不分離出單個(gè)粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會(huì)消失?？茖W(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測(cè)它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個(gè)體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和操控的方法，則可實(shí)證地說(shuō)出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級(jí)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見(jiàn)光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來(lái)捕捉、控制以及測(cè)量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對(duì)零度（約-273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過(guò)發(fā)射原子穿過(guò)阱，控制并測(cè)量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，粒子像是被裝進(jìn)碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個(gè)最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個(gè)光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測(cè)工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過(guò)觀測(cè)光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來(lái)，加拿大、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家都說(shuō)自己研制出了某種級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無(wú)一個(gè)投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€(gè)量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開(kāi)始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀(jì)公園》、《失去的世界》等）在科幻小說(shuō)《時(shí)間線》中，曾文藝化地描述量子計(jì)算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲(chóng)洞”、“量子運(yùn)輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個(gè)量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說(shuō)法。其中一些如今正在證實(shí)或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會(huì)有的問(wèn)題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系?？烧f(shuō)量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無(wú)法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個(gè)過(guò)程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無(wú)破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來(lái)保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來(lái)源的兩個(gè)粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也發(fā)生變化，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光速，一旦受擾即不再糾纏。愛(ài)因斯坦稱(chēng)這種發(fā)生機(jī)理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會(huì)擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

篇3

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)改革；互動(dòng)教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國(guó)高等學(xué)?；瘜W(xué)專(zhuān)業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對(duì)稱(chēng)性，配位化學(xué)和晶體學(xué)基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識(shí)系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學(xué)習(xí)曲線陡峭，不少學(xué)生因此存在著畏難情緒。然而正如詩(shī)詞所言，無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，學(xué)好這門(mén)課程不僅有助于理解其它化學(xué)課程的內(nèi)容，也是為進(jìn)一步在本專(zhuān)業(yè)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[1]在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)課程上好，真正做到讓老師強(qiáng)起來(lái)，學(xué)生忙起來(lái)，效果實(shí)起來(lái)，筆者在此對(duì)授課以來(lái)的問(wèn)題和解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1重視數(shù)理，夯實(shí)基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一大難點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，譬如量子化學(xué)部分完全使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述核心知識(shí)，而對(duì)于化學(xué)專(zhuān)業(yè)的同學(xué)，數(shù)學(xué)一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學(xué)和畏難情緒。[2-4]針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點(diǎn)介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們?cè)谑谡n過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因?yàn)榛A(chǔ)不牢，課程的學(xué)習(xí)只能是空中樓閣、風(fēng)中沙塔，很多同學(xué)在課程結(jié)束后還是無(wú)法對(duì)物理圖像有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)和把握。紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行，筆者認(rèn)為與其淡化數(shù)學(xué)，不如嚴(yán)格要求，把數(shù)學(xué)學(xué)到位。偉大的思想家恩格斯說(shuō)過(guò)：“任何一門(mén)科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用?！闭且?yàn)閿?shù)學(xué)和物理的引入，才讓化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門(mén)科學(xué)。因此我們?cè)谑谡n時(shí)自始至終強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性，在涉及數(shù)學(xué)內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學(xué)工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進(jìn)行串講并配合習(xí)題進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，要求所以學(xué)生每學(xué)完一個(gè)章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時(shí)總結(jié)復(fù)習(xí)，將重要公式進(jìn)行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生對(duì)于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準(zhǔn)確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

2理清主線，合理增負(fù)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容主要涉及量子化學(xué)基礎(chǔ)，分子對(duì)稱(chēng)性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個(gè)部分知識(shí)彼此之間較為獨(dú)立，但所表達(dá)的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問(wèn)題是：量子化學(xué)部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學(xué)部分和專(zhuān)業(yè)無(wú)機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容有重疊；晶體學(xué)基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對(duì)這些問(wèn)題，我們對(duì)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和刪減。首先，對(duì)于量子化學(xué)部分，我們?cè)谑谡n一開(kāi)始給出課程的故事主線，即量子力學(xué)的誕生背景，量子力學(xué)基本假設(shè)，簡(jiǎn)單模型的量子力學(xué)處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過(guò)程及解的物理意義，以及針對(duì)于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開(kāi)始時(shí)，我們對(duì)之前的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧，幫助學(xué)生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學(xué)期末復(fù)習(xí)課時(shí)對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)復(fù)習(xí)，進(jìn)行鞏固。配位化學(xué)部分，對(duì)于和無(wú)機(jī)化學(xué)有重疊的部分，我們通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)，同時(shí)突出結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點(diǎn)，即分子軌道理論在配位化學(xué)的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個(gè)新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行線性組合的方式，同時(shí)介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見(jiàn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問(wèn)題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過(guò)知識(shí)解決實(shí)際科研問(wèn)題，真正做到科研反哺教學(xué)。晶體學(xué)部分除了介紹基本知識(shí)以外，補(bǔ)充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識(shí)有利于化學(xué)專(zhuān)業(yè)的同學(xué)在材料化學(xué)方向進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學(xué)都表示感受到了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)所帶來(lái)獲得感和高階樂(lè)趣。

3反客為主，多元考核

傳統(tǒng)理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學(xué)生被動(dòng)填鴨式學(xué)習(xí)，效果較差，也不利于學(xué)生培養(yǎng)綜合能力。針對(duì)這些問(wèn)題，我們開(kāi)始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法來(lái)提高學(xué)生參與性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，表達(dá)能力，獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，這些都是未來(lái)創(chuàng)新型人才所具有的重要特質(zhì)。翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容主要涉及三個(gè)方面，一個(gè)是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中難度較低的幾個(gè)章節(jié)，如雙原子分子電子結(jié)構(gòu)，分子對(duì)稱(chēng)性，配位化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)等章節(jié)，各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)以及研究性課題，教師提供慕課資源，書(shū)籍資料和分子建模軟件，讓所有學(xué)生統(tǒng)一準(zhǔn)備，課堂上抽簽進(jìn)行講解，在授課過(guò)程中，要求其他小組必須提問(wèn)，教師在課程結(jié)束時(shí)對(duì)各小組所準(zhǔn)備的課件進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)評(píng)，我們也將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)納入了考核評(píng)價(jià)，提高了課程總結(jié)筆記，課堂提問(wèn)，翻轉(zhuǎn)課堂課件等分?jǐn)?shù)項(xiàng)的比例。翻轉(zhuǎn)課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思辨精神。

篇4

關(guān)鍵詞：graphene, 石墨烯， 單原子石墨膜， 新型材料

中圖分類(lèi)號(hào)：N04；O47；H059 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578(2012)01-0036-05

Novel Material―Graphene

QIAN Jiajun

Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.

Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon

引 言

2010年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，授予在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)任教的兩位俄羅斯裔科學(xué)家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷蘭籍，時(shí)年51歲)和康斯坦丁•諾沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英國(guó)籍，時(shí)年36歲)，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)谛路f材料graphene方面杰出的先驅(qū)性實(shí)驗(yàn)物理研究。這種新型材料，實(shí)際上是透明的，比金剛石還硬，是世界上最薄和最硬的電子材料，具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，可承受電流密度比銅高六個(gè)數(shù)量級(jí)，有可能用于制備透明觸摸屏、平板閱讀器、太陽(yáng)能電池、復(fù)合材料、貯氫材料以及運(yùn)算速度極快的超級(jí)計(jì)算機(jī)等。盡管這種材料出現(xiàn)的時(shí)間很短，卻顯現(xiàn)出極其豐富的物理現(xiàn)象和潛在的應(yīng)用前景。

然而，在有關(guān)這種新型材料的報(bào)道中，一些文獻(xiàn)與媒體將graphene一詞譯作“石墨烯”。雖然，按化學(xué)名詞的慣例，將英文詞根graphite(石墨) + ene (烯類(lèi)化合物的結(jié)尾)，從字面上直譯為“石墨烯”是符合一般化學(xué)譯名法的，但筆者認(rèn)為，如此譯法不準(zhǔn)確，容易引起混淆，值得商榷。

正如前面已經(jīng)指出的，graphene 來(lái)源于英文graphite，因此中文譯名中保留“石墨”這個(gè)詞根是恰當(dāng)?shù)?，?wèn)題是出在后面的“烯”字上。按照《新華詞典》的解釋?zhuān)?］，“烯”是分子中含有碳-碳雙鍵的烴類(lèi)化合物的總稱(chēng)；而“烴”則是由碳和氫兩種元素組成的有機(jī)化合物。這就是說(shuō)，“烯”包含幾個(gè)要素，其一是它必須是碳?xì)浠衔铮黄涠撬仨毢刑?碳雙鍵；第三，它的分子結(jié)構(gòu)是鏈狀。再來(lái)看新材料graphene, 其中既沒(méi)有氫元素，也不包含碳-碳雙鍵，而且分子結(jié)構(gòu)是按單鍵蜂房結(jié)構(gòu)密集排列的，因此，把它譯成“石墨烯”，會(huì)使人誤認(rèn)為是某種碳?xì)浠衔铮鸶拍钌系幕煜?/p>

實(shí)際上，在兩位諾獎(jiǎng)得主的原始文獻(xiàn)［2-3］中，對(duì)graphene的定義很明確，就是按蜂房結(jié)構(gòu)密集排列的單原子層碳薄膜，如圖1a所示。換言之，graphene實(shí)際就是二維單原子層石墨薄膜。把這層石墨膜包圍起來(lái)，可以構(gòu)成一個(gè)零維的富勒球分子（圖1b）；把單層（或多層）卷起來(lái)，則形成一維的碳納米管（圖1c）; 而把它們按三維堆積在一起，就構(gòu)成了通常的體石墨（圖1d）。所以，graphene材料實(shí)際就是各種碳基材料的最基本的組成原料。

由此看來(lái)，將graphene材料直譯作“石墨烯”，雖然符合化學(xué)名詞譯法的慣例，但此種譯法容易出現(xiàn)混淆。不如采取意譯的方式，除保留“石墨”這個(gè)詞根外，再加上“單原子層”的含義――即“單原子石墨膜”（簡(jiǎn)稱(chēng)石墨膜）為妥。本文將采用這一譯名，對(duì)這種材料的能帶結(jié)構(gòu)、性能、可能的應(yīng)用前景以及主要的制備方法做一簡(jiǎn)單介紹，以供參考。

一 單原子石墨膜能帶結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

單原子石墨膜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)石墨膜），是碳原子在二維平面上按蜂房（苯環(huán)）結(jié)構(gòu)密集排列的一層單原子碳薄膜。每個(gè)碳原子最外層4個(gè)電子，占據(jù)1個(gè)2s軌道和3個(gè)2p軌道。當(dāng)碳原子彼此靠近形成單原子層碳晶格時(shí)，2s軌道與分子平面內(nèi)的2個(gè)2p軌道重疊（sp2雜化），形成 σ-σ* 強(qiáng)共價(jià)鍵。此鍵十分堅(jiān)固，把碳原子緊密地連接在一起，形成二維平面內(nèi)的蜂房結(jié)構(gòu)。此鍵對(duì)碳晶格的電導(dǎo)沒(méi)有貢獻(xiàn)。碳原子外層電子中剩下一個(gè)未成對(duì)的2p軌道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格過(guò)程中，雜化形成π鍵（價(jià)帶）和π*（導(dǎo)帶）。導(dǎo)帶與價(jià)帶，在蜂房結(jié)構(gòu)晶格布里淵區(qū)頂角的兩個(gè)不等價(jià)點(diǎn)K和K’（稱(chēng)之為“狄拉克點(diǎn)”）相互接觸。低能量能帶結(jié)構(gòu)，近似為K和K’點(diǎn)上的兩個(gè)對(duì)頂角園錐（圖2）。在狄拉克點(diǎn)附近，載流子能量色散關(guān)系是線性的，電子的動(dòng)力學(xué)是按“相對(duì)論”處理。導(dǎo)帶與價(jià)帶的電子態(tài)具有相反的手征性（chirality）。當(dāng)多數(shù)電子具有相同的手征性時(shí)，其相互作用能量降低。這點(diǎn)，與鐵磁物質(zhì)中大多數(shù)粒子具有相同自旋時(shí)，其相互作用能量降低類(lèi)似。

由于石墨膜這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其載流子具有非常獨(dú)特的物理性質(zhì)。通常，在凝聚態(tài)物理中，采用薛定諤方程就足夠描述材料體系的電學(xué)性質(zhì)。例如，在典型的半導(dǎo)材料中，電子與空穴（荷正電載流子）分別占據(jù)導(dǎo)帶和價(jià)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一個(gè)有限能量的帶隙。載流子獲得超過(guò)帶隙的能量后，才能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。電子與空穴的運(yùn)動(dòng)，符合一般粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：它們具有質(zhì)量，當(dāng)它們被加速時(shí)，其速度從零開(kāi)始增加，而且它們的動(dòng)能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，電子與空穴的行為完全不同于常規(guī)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律：這里的電子與空穴具有一個(gè)恒定的速度VF (費(fèi)米速度)，它不依賴(lài)于粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能, 這一點(diǎn)類(lèi)似于光子的行為，即光子總是以恒定光速c（約3×1010cm/s）運(yùn)行。而在石墨膜中，電子與空穴的速度要比光速慢，大約是光速的1/300，即費(fèi)米速度VF≈1×108cm/s。電子與空穴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能再用薛定諤方程描述，而是要采用（2+1）維的狄拉克方程精確描述。這類(lèi)準(zhǔn)粒子稱(chēng)為無(wú)質(zhì)量狄拉克-費(fèi)米子。在形式上可以把它們看作是失去了靜止質(zhì)量（m0）的電子，或者是獲得了電子電荷（e）的中微子。因此，實(shí)驗(yàn)研究石墨膜材料的電學(xué)性質(zhì)，可以為從理論上探索量子電動(dòng)力學(xué)（quantum electrodynamic, QED）現(xiàn)象開(kāi)辟出一條實(shí)驗(yàn)研究的路徑，這在基礎(chǔ)科學(xué)研究中具有重要意義。

此外，石墨膜的特殊電子態(tài)結(jié)構(gòu)，也極大地影響其中的量子輸運(yùn)現(xiàn)象。眾所周知，當(dāng)電子被限制在二維半導(dǎo)體材料中時(shí)，能夠觀察到量子力學(xué)增強(qiáng)輸運(yùn)現(xiàn)象，例如量子霍爾效應(yīng)（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍爾樣品平面的磁場(chǎng)作用下，霍爾電導(dǎo)率（σxy）與載流子濃度（n）之間出現(xiàn)一系列等間距的導(dǎo)電率“平臺(tái)”。與這些平臺(tái)相對(duì)應(yīng)，霍爾樣品縱向的電阻率（ρxx），降低到近似為零的極小值。這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)之為“量子霍爾效應(yīng)”［4］。然而，對(duì)于通常的二維半導(dǎo)體系統(tǒng)，這些電導(dǎo)率平臺(tái)與縱向電阻率極小值，是出現(xiàn)在傳導(dǎo)量子（e2/h）（其中e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)）為整數(shù)值（或分?jǐn)?shù)值）的位置。對(duì)于石墨膜而言，這些平臺(tái)和電阻率極小值是出現(xiàn)在傳導(dǎo)量子為半整數(shù)值的位置上［3］（圖3）。不僅如此，對(duì)于通常的二維半導(dǎo)體材料，只能在極低的溫度下（例如液氦溫度），才能觀察到量子霍爾效應(yīng)。但對(duì)于石墨膜，甚至在室溫下，還能觀察到這個(gè)現(xiàn)象［5］。這是因?yàn)樵谑ぶ校d流子的行為如同一個(gè)無(wú)質(zhì)量的相對(duì)論粒子（狄拉克-費(fèi)米子），而且，即使在室溫下，它們與聲子的散射速率也是極低的緣故。

在石墨膜中，實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的電子與空穴遷移率，在室溫下均能超過(guò)1.5×104cm2/Vs( 4K下約為6×104cm2/Vs)。如此高的遷移率表明，載流子的運(yùn)動(dòng)主要是受雜質(zhì)或缺陷的影響。因此，改善石墨膜晶格質(zhì)量，預(yù)期遷移率或許可以達(dá)到 1.0×105cm2/Vs。雖然在所有半導(dǎo)體材料中，銻化銦(InSb)半導(dǎo)體材料具有最高的室溫遷移率（7.7×104cm2/Vs），但該值是從未摻雜的高純材料獲得。一般來(lái)講，其載流子濃度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在較高的載流子濃度下（n>1012/cm2），其遷移率（μ）仍然很高。換算成粒子的平均自由程長(zhǎng)度在亞微米范圍（約0.4μm）。也就是說(shuō)，一個(gè)荷電載流子，大約要運(yùn)行通過(guò)2800個(gè)原子間距之后才能被散射一次。這說(shuō)明，在亞微米范圍內(nèi)，載流子實(shí)際上是彈道運(yùn)行的。這種特性在高速高頻碳基電子器件的實(shí)際應(yīng)用中具有十分重要的意義。

二 單原子石墨膜的應(yīng)用

石墨膜中載流子顯示出極高的遷移率，其值不僅較硅（Si）大約100倍，比目前認(rèn)為最高速材料――晶格匹配的磷化銦（InP）也高出大約10倍。因此特別適合于制備射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管（RF-FET）。研究者在一個(gè)2英寸的半絕緣高純碳化硅（6H-SiC (0001)） 襯底的硅面上［6］，采用高溫（1450℃）熱退火方法，生長(zhǎng)出石墨膜（單層或雙層）材料。以氧化鉿（HfO2）作為柵介質(zhì)，制備成場(chǎng)效應(yīng)器件，在2英寸的片子上，霍爾遷移率在900～1520cm2／Vs范圍。載流子濃度約為3×1012/cm2,場(chǎng)效應(yīng)晶體管的截止頻率（f T）在射頻（RF）范圍。對(duì)于柵長(zhǎng)240nm, fT高達(dá)100GHz。而同樣?xùn)砰L(zhǎng)（240nm）的硅基金屬氧化物――半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），其fT 約為40GHz ，僅為石墨膜器件的2/5。在超高頻模擬晶體管器件方面，目前主要以砷化鎵（GaAs）基器件為主，稱(chēng)之為高電子遷移率晶體管（HEMT）,應(yīng)用在通訊技術(shù)領(lǐng)域。盡管采用石墨膜制備的高電子遷移率晶體管，其工作頻率還不如砷化鎵基器件，但從石墨膜所顯示的室溫彈道輸運(yùn)特性推測(cè)，對(duì)于典型的100nm溝道而言，載流子在源和漏極之間渡越時(shí)間僅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制備過(guò)程中仍能保持高的遷移率，例如達(dá)到2×104cm2/Vs, 在柵長(zhǎng)為50 nm 時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的截止頻率（fT）有望達(dá)到太拉赫茲［7］，這將成為石墨基納米電子學(xué)的重要里程碑。

在光電子器件應(yīng)用方面，通常的無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、氮化鎵（GaN）等，比有機(jī)光電子材料有許多優(yōu)越之處：高的載流子遷移率，高的輻射復(fù)合速率以及長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性等等，使這些無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，十分適合于制備光電子器件，如光發(fā)射二極管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面積、可彎曲甚至可折疊的屏幕顯示，或者大面積、低成本的太陽(yáng)電池等應(yīng)用中，上述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，受到很大的限制。一方面由于這些材料是外延生長(zhǎng)在晶體（如硅、藍(lán)寶石、碳化硅等）襯底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料與晶體襯底之間結(jié)合得十分緊密，高的機(jī)械與化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)致很難把外延層從襯底上剝離下來(lái)，極大地妨礙了其大規(guī)模應(yīng)用。石墨膜材料的出現(xiàn)，或許能為解決這些難題提供了一種可能的選擇途徑。正如前面提到的，石墨膜在同一層碳原子之間，彼此是由強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合在一起，十分牢固；而在層與層之間，是靠很弱的范德華分子鍵結(jié)合，使層與層之間容易分離開(kāi)。利用石墨膜的這種性質(zhì)，研究者［8］以它作為襯底，先在其上生長(zhǎng)出高密度氧化鋅（ZnO）納米柱，作為中間介質(zhì)層，再在其上外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵。這種氮化物薄膜顯示出極佳的室溫下與激子相關(guān)的近帶邊光致發(fā)光（PL）峰，和十分微弱的深能級(jí)發(fā)射，表明氮化鎵薄膜具有極高的光學(xué)質(zhì)量，完全適合于制備光電子器件。不僅如此，利用石墨膜層與層之間易于剝離的特性，能將生長(zhǎng)在其上的氮化鎵外延層剝離下來(lái)，并轉(zhuǎn)移到其他襯底上，例如金屬、玻璃和塑料上。采用這些襯底制備的氮化鎵光發(fā)射二極管，都能發(fā)出很強(qiáng)的藍(lán)光，在整個(gè)300×300μm2的面積上發(fā)光均勻。在通常的室內(nèi)照明條件下，用肉眼清晰可見(jiàn)［8］。當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步增加后，引起受激發(fā)射，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的閾值泵浦功率約為0.6 MW/cm2。與生長(zhǎng)在藍(lán)寶石、硅以及碳化硅襯底上的氮化鎵器件，閾值在0.56~0.70MW/cm2值類(lèi)似。此外，對(duì)于大功率光發(fā)射二極管器件而言，采用金屬襯底不僅有極佳的導(dǎo)電性，而且還可提供良好的熱傳導(dǎo)性，有利于器件散熱和提高功率。采用玻璃或塑料做襯底，則可將無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料氮化鎵制成大面積、柔軟可延展的全彩色光發(fā)射二極管顯示屏幕，以及光伏器件的功能組件，有利于電子與光電子器件集成。

在氣體分子探測(cè)方面，目前多采用固體傳感器，其靈敏度較高。但在通常的固體傳感器中，由于電荷有缺陷的熱運(yùn)動(dòng)漲落，往往使器件的本征噪聲要遠(yuǎn)超過(guò)探測(cè)器從單個(gè)氣體分子收集到的信號(hào)，一般會(huì)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而采用石墨膜材料制作傳感器［9］，由于它是二維材料，整個(gè)表面積都暴露在被測(cè)環(huán)境中，吸附效率最大化；另外這種材料具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性，當(dāng)吸附或脫附一個(gè)氣體分子時(shí)，會(huì)引起載流子濃度的顯著變化，對(duì)應(yīng)于器件電阻值呈臺(tái)階式改變，靈敏度極高，甚至達(dá)到可探測(cè)單個(gè)氣體分子的水平。此外，石墨膜材料，對(duì)外部的電場(chǎng)，磁場(chǎng)以及機(jī)械應(yīng)力等也十分靈敏，有望在這些實(shí)用領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)發(fā)出新型電子器件。

三 單原子石墨膜的制備

目前，制備石墨膜的方法，主要分為兩類(lèi)：機(jī)械剝離法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生長(zhǎng)法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，兩位諾獎(jiǎng)得主就是采用第一類(lèi)方法，首先制備出單原子石墨膜材料的。通常，采用這類(lèi)方法制備的材料，尺寸較小，在數(shù)十微米范圍，需要把材料轉(zhuǎn)移到覆蓋二氧化硅（SiO2）介質(zhì)膜的硅襯底上，以便制成霍爾樣品，進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測(cè)量。應(yīng)當(dāng)指出，采用這種方法制備出的單原子石墨膜樣品，測(cè)量的電學(xué)性質(zhì)與理論上預(yù)期的結(jié)果十分一致，大大促進(jìn)了有關(guān)這種新型材料的理論研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。第二類(lèi)方法是，在一定的襯底表面上外延生長(zhǎng)出大面積石墨膜材料。這類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以生長(zhǎng)出滿足器件工藝要求的大面積材料，可為批量制備碳基納米器件提供支撐。當(dāng)前，這類(lèi)技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展方向：一是在金屬表面（例如鎳（Ni）［10］, 銅（Cu）［11］, 鉑（Pt）［12］ 等）上，化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)大面積石墨膜材料；二是采用寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅的溫度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制備［13］。第二種方法是在高溫（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升華，在襯底表面上形成富碳的單原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是絕緣的，因此無(wú)需再將單原子石墨膜外延層轉(zhuǎn)移到其他絕緣襯底上，無(wú)疑在器件工藝方面是一項(xiàng)十分重要的優(yōu)點(diǎn)。單原子石墨膜應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素是：控制厚度的均勻性，生長(zhǎng)大面積薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的質(zhì)量。

四 小 結(jié)

單原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 強(qiáng)共價(jià)鍵互相連接的二維六角形網(wǎng)絡(luò)。具有優(yōu)異的載流子輸運(yùn)特性，其電子的費(fèi)米速度約為108cm/Vs［14］ ?？捎糜谥苽湫阅軆?yōu)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，如硅、鍺，以及Ш-V族化合物半導(dǎo)體的新一代碳基納米電子器件與量子集成電路，在基礎(chǔ)學(xué)科與實(shí)際應(yīng)用兩方面都有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］商務(wù)印書(shū)館辭書(shū)研究中心. 新華詞典（2001年修訂版）［M］. 北京：商務(wù)印書(shū)館. 2001:980,1054.

［2］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Science ［J］. 2004, 306: 666-669

［3］ Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Nature ［J］. 2005, 438: 197-200. Zhang Yuanbo, Tan Yanwen, Stomer H L, et al. Nature［J］. 2005, 438: 201-204.

［4］Klitzing von K. Physical Review Letters［J］. 1980, 45: 494-497.

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篇5

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件；物理；教學(xué)改革

半導(dǎo)體器件物理是微電子學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)新興光電產(chǎn)業(yè)所需的應(yīng)用技術(shù)人才必備的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)課程。該課程是連接半導(dǎo)體材料性質(zhì)和器件應(yīng)用的橋梁學(xué)科，在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)中具有重要的基礎(chǔ)地位。因此，探討教學(xué)中存在的問(wèn)題，改革教學(xué)的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學(xué)中產(chǎn)生的問(wèn)題及原因分析

1.學(xué)生聽(tīng)課效率低，學(xué)習(xí)興趣淡薄，考試成績(jī)低

以某大學(xué)光電行業(yè)方向工科專(zhuān)業(yè)近三年半導(dǎo)體器件物理考試成績(jī)分布情況為例，表1中近三年學(xué)生成績(jī)均顯示出60分左右的人數(shù)最多，以60分為原點(diǎn)，其高分和低分兩側(cè)的人數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績(jī)低分人數(shù)逐年增多，成績(jī)偏離理想狀況較多。

2.針對(duì)問(wèn)題分析原因

導(dǎo)致表1結(jié)果的原因有以下三方面：

（1）學(xué)生的物理基礎(chǔ)參差不齊，知識(shí)結(jié)構(gòu)存在斷層

近年來(lái)，由于高考制度的改革，部分學(xué)生參加高考時(shí)未選報(bào)物理，物理僅作為會(huì)考科目使得相當(dāng)一部分高中學(xué)生輕視物理的學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)，有些專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理成為必修課，由于學(xué)生高中物理基礎(chǔ)差別很大，因此，同一班級(jí)的學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對(duì)于一般工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生（包括面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專(zhuān)業(yè)）來(lái)說(shuō)，他們大二或大三開(kāi)始學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理課程（或半導(dǎo)體物理課程）時(shí)，他們的物理基礎(chǔ)只有在高中學(xué)過(guò)的普通物理和大學(xué)學(xué)過(guò)大學(xué)物理，其內(nèi)容也僅涉及經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的基本規(guī)律，而近代物理中的實(shí)物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導(dǎo)體器件物理課程的接受對(duì)象，不僅在物理基礎(chǔ)上參差不齊，而且在物理知識(shí)結(jié)構(gòu)上還存在斷層，這給該課程的教和學(xué)增加了難度。

另外，即使增加學(xué)習(xí)該門(mén)課程所必需的近代物理、量子物理初步知識(shí)和固體物理的基礎(chǔ)內(nèi)容，但由于課程課時(shí)的限制，也決定了該課程在學(xué)習(xí)時(shí)存在較大的知識(shí)跨度，很多學(xué)生難以跟上進(jìn)度。

（2）課程理論性強(qiáng)，較難理解的知識(shí)點(diǎn)集中

半導(dǎo)體器件物理課程以半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用為基本內(nèi)容，內(nèi)容編排上從理想本征半導(dǎo)體的性質(zhì)和半導(dǎo)體的摻雜改性，到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體器件的核心單元，再到各種PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制，采取層層推進(jìn)的方式，邏輯嚴(yán)密，理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的要求也高，每一部分的核心內(nèi)容都要扎實(shí)掌握才能跟上學(xué)習(xí)的進(jìn)度。同時(shí)，在各章內(nèi)容講解過(guò)程中幾乎都有若干較難的知識(shí)點(diǎn)，如本征半導(dǎo)體性質(zhì)部分的有效質(zhì)量、空穴的概念、能帶的形成、導(dǎo)帶和價(jià)帶的概念等；半導(dǎo)體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級(jí)、受主能級(jí)、半導(dǎo)體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；簡(jiǎn)單PN結(jié)部分的平衡PN結(jié)、非平衡PN結(jié)、PN結(jié)的能帶和工作原理；不同專(zhuān)業(yè)在PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制這部分會(huì)根據(jù)所設(shè)專(zhuān)業(yè)選取不同的章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，面向光電行業(yè)的本科專(zhuān)業(yè)則通常選取半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光這部分來(lái)講授，該部分包含半導(dǎo)體的躍遷類(lèi)型，以及半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識(shí)點(diǎn)分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進(jìn)，因此理解難度較大。

（3）學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的現(xiàn)象普遍存在

近幾年，在社會(huì)大環(huán)境的影響下，學(xué)習(xí)態(tài)度不端正現(xiàn)象在本科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生中普遍存在。無(wú)故遲到曠課情況經(jīng)常發(fā)生，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生獨(dú)立思考積極性差。電子產(chǎn)品的普及也嚴(yán)重影響到了學(xué)生上課的積極性，很多學(xué)生成了手機(jī)控，即使坐在課堂上也頻頻看手機(jī)、上網(wǎng)。有些學(xué)生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點(diǎn)、難點(diǎn)。特別是半導(dǎo)體器件物理這門(mén)課程涉及的知識(shí)點(diǎn)密集，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，知識(shí)連貫性要求高，如果一些知識(shí)點(diǎn)漏掉了，前后可能就連貫不起來(lái)，容易使疑難問(wèn)題堆積起來(lái)，對(duì)于不認(rèn)真聽(tīng)講的部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，很快就跟不上進(jìn)度了。另外，學(xué)生畏難情緒較嚴(yán)重，課下也不注意復(fù)習(xí)答疑，迎難而上的精神十分少見(jiàn)。俗話說(shuō)，“師傅領(lǐng)進(jìn)門(mén)，修行在個(gè)人?！痹谡n時(shí)緊張、學(xué)生積極性差、課程理論性強(qiáng)等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學(xué)效率。

二、改進(jìn)方法的探討

針對(duì)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，本文從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩個(gè)方面入手來(lái)探討該課程教學(xué)的改進(jìn)。

1.教學(xué)方法的改革

半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)改革以建設(shè)完整的半導(dǎo)體理論體系和實(shí)踐應(yīng)用體系為目標(biāo)，一方面，著重在教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教師隊(duì)伍、教學(xué)管理和教材方面進(jìn)行建設(shè)和改革，形成適合應(yīng)用型本科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的課程體系。另一方面，我國(guó)本科院校正處于教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，按照“專(zhuān)業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求相對(duì)接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)接、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)接”的原則，半導(dǎo)體器件物理課程改革重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能教學(xué)，力爭(zhēng)構(gòu)建以能力為本的課程體系，做到與時(shí)俱進(jìn)。本課程改革具體體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

（1）轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念

改變傳統(tǒng)向?qū)W生灌輸理論知識(shí)的教學(xué)觀念，以學(xué)習(xí)與新興行業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向，確定該課程在整個(gè)專(zhuān)業(yè)課程體系中承上啟下的基礎(chǔ)性地位，在教學(xué)觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學(xué)內(nèi)容

為構(gòu)建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué)、合理構(gòu)建應(yīng)用型人才的知識(shí)體系的同時(shí)，力爭(zhēng)使學(xué)生了解半導(dǎo)體器件制作和應(yīng)用的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，并積極實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化的教學(xué)模式，故此本課程改革分幾個(gè)層次組織教學(xué)內(nèi)容。

第一層次為基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊。為解決學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整的問(wèn)題，在講授半導(dǎo)體器件物理之前要進(jìn)行固體物理學(xué)課程知識(shí)的鋪墊，還要增加近論物理學(xué)知識(shí)，如原子物理和量子力學(xué)的知識(shí)，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架，降低認(rèn)知落差。

第二層次為半導(dǎo)體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)、半導(dǎo)體PN結(jié)的工作原理、常見(jiàn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作原理和半導(dǎo)體的光電及發(fā)光現(xiàn)象和應(yīng)用。

第三層次為課內(nèi)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。在理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如“電阻應(yīng)變傳感器”、“太陽(yáng)電池伏安特性測(cè)量”、“光電傳感器基本特性測(cè)量”、“霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用”等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合專(zhuān)業(yè)方向設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解半導(dǎo)體電子和光電器件的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)，還有行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。

第四層次為開(kāi)展課題式實(shí)踐教育，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化。為解決傳統(tǒng)教學(xué)理論和實(shí)踐脫節(jié)問(wèn)題，以基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和針對(duì)各專(zhuān)業(yè)方向設(shè)置的與半導(dǎo)體器件應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為實(shí)踐基礎(chǔ)，開(kāi)展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和工廠企業(yè)，利用已學(xué)理論對(duì)行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行思考和探究，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。

（3）調(diào)整教學(xué)方法

一方面，要正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不追求公式推導(dǎo)的嚴(yán)密性，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理結(jié)論的正確理解和應(yīng)用。另一方面，充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性。

（4）建設(shè)教學(xué)隊(duì)伍

對(duì)國(guó)內(nèi)知名院校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行考察和調(diào)研，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家進(jìn)行講座，邀請(qǐng)企業(yè)高級(jí)技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來(lái)為學(xué)生講授當(dāng)前最前沿、最先進(jìn)的技術(shù)及產(chǎn)品，并參與教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容的修訂。另外，鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)充分利用產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)的機(jī)會(huì)深入企業(yè)，提高教師隊(duì)伍的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎(chǔ)。

（5）完善教材體系

教材是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平的有效方法。針對(duì)理工科專(zhuān)業(yè)特色方向及學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)，除選用經(jīng)典的國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材――《半導(dǎo)體物理學(xué)》以外，還組織精干力量編寫(xiě)專(zhuān)業(yè)特色方向的相關(guān)教材，以形成完善的半導(dǎo)體理論和實(shí)踐相結(jié)合的教材體系，在教材中融入學(xué)校及專(zhuān)業(yè)特色，注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，增加案例分析，體現(xiàn)學(xué)以致用。

（6）加強(qiáng)教學(xué)管理

良好的教學(xué)管理是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。首先根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)以及本課程的教學(xué)目標(biāo)合理制訂教學(xué)大綱及教學(xué)計(jì)劃。在授課過(guò)程中充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，積極與學(xué)生交流，了解學(xué)生現(xiàn)狀，建立學(xué)生評(píng)價(jià)體系，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容等，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.教學(xué)手段改革

（1）采用類(lèi)比的教學(xué)方法

課堂上將深?yuàn)W理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中可比事物進(jìn)行類(lèi)比，讓學(xué)生易于理解基本理論。例如，在講半導(dǎo)體能帶中電子濃度計(jì)算時(shí)，將教室中一排排桌椅類(lèi)比為能帶中的能級(jí)，將不規(guī)則就座的學(xué)生類(lèi)比為占據(jù)能級(jí)的電子，計(jì)算導(dǎo)帶中電子的濃度類(lèi)比為計(jì)算教室中各排上學(xué)生數(shù)量總和再除以教室體積。讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中找出例子與抽象的半導(dǎo)體理論進(jìn)行形象化類(lèi)比，幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體的基本概念和理論。

（2）采用理論實(shí)踐相結(jié)合的方法

在教學(xué)中時(shí)刻注意理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，例如，根據(jù)學(xué)生專(zhuān)業(yè)方向，在講述寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光性能時(shí)，給學(xué)生總結(jié)介紹了LED芯片材料的類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)，讓學(xué)生體會(huì)到材料性質(zhì)是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（3）構(gòu)建網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)

建立紙質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的一體化體系，及時(shí)更新、充實(shí)課程資源與信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)課程的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關(guān)的教學(xué)大綱、教材、多媒體課件、教學(xué)示范、習(xí)題、習(xí)題答案、參考文獻(xiàn)、學(xué)生作業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)講座等。

（4）開(kāi)展綜合創(chuàng)新的實(shí)踐

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生提供實(shí)踐條件。同時(shí)積極開(kāi)拓校外實(shí)踐基地，加強(qiáng)校企合作，為學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐提供良好的平臺(tái)，使課程教學(xué)和實(shí)踐緊密結(jié)合。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，與教師科研結(jié)合，申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統(tǒng)以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評(píng)價(jià)方式，多角度衡量、綜合評(píng)定教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件物理；教學(xué)改革；探索與實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）04-0222-03

一、引言

隨著全球信息化進(jìn)程的加快，微電子產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展，作為向社會(huì)輸送技能型人才的高職院校，培養(yǎng)微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生具備一定理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力顯得尤為重要。《半導(dǎo)體器件物理》是高職院校微電子專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授的是半導(dǎo)體特性、PN結(jié)原理以及雙極型晶體管和MOS型晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、電學(xué)特性等內(nèi)容，該課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)所用的基本器件知識(shí)，為學(xué)習(xí)集成電路工藝和設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。

二、目前課程面臨的問(wèn)題

1.學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)的不足。要系統(tǒng)而深入地學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體器件物理》課程，一般要求具備量子力學(xué)、固體物理及統(tǒng)計(jì)物理等前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)知識(shí)。高職院校的學(xué)生，雖然是高中起點(diǎn)，但其中有很多文科畢業(yè)生，物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，缺乏現(xiàn)代物理學(xué)方面的基本概念和相關(guān)理論知識(shí)，面對(duì)《半導(dǎo)體器件物理》課程的學(xué)習(xí)，知識(shí)上難以順利銜接。

2.缺乏適合高職學(xué)生的教材。高職院校的微電子專(zhuān)業(yè)通常起步較晚，目前適合高職教育的《半導(dǎo)體器件物理》教材很少，比較成熟的幾乎全部都是本科教材，其基礎(chǔ)知識(shí)起點(diǎn)較高、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜，內(nèi)容覆蓋太廣，不能適應(yīng)高職學(xué)生的需求[1]。

3.教學(xué)模式的限制。《半導(dǎo)體器件物理》這門(mén)課理論性很強(qiáng)，通常把它定位于純理論課程，在教學(xué)模式上通常以板書(shū)為手段，以講授為主。其實(shí)，這門(mén)課是一門(mén)理論性和實(shí)踐性并重的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)學(xué)會(huì)科學(xué)的思維方法、具備開(kāi)放的研究能力。但是傳統(tǒng)的教學(xué)模式對(duì)這些能力的培養(yǎng)是一個(gè)束縛。

4.教學(xué)資源的匱乏。在教學(xué)過(guò)程中為提高教學(xué)效率、增強(qiáng)學(xué)生興趣，強(qiáng)調(diào)充分應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)和手段。但本課程缺乏直觀生動(dòng)、富有動(dòng)態(tài)變化，切實(shí)反映物理過(guò)程的輔助用PPT，另外，網(wǎng)絡(luò)資源很少，學(xué)生無(wú)法通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。

三、課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

1.編寫(xiě)適合高職學(xué)生的教材?；诟呗殞W(xué)生的特點(diǎn)和培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上應(yīng)以必須、夠用為度，突出基礎(chǔ)性、實(shí)踐性。例如在半導(dǎo)體材料特性這一部分，我們注意和高中物理的銜接，刪去K空間、布里淵區(qū)等過(guò)于艱深內(nèi)容，增加了原子物理的基本概念，順利引出能帶論。在講雙極和MOS器件時(shí)，我們將半導(dǎo)體器件版圖的內(nèi)容滲透到教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生形成基本概念，有利于和《半導(dǎo)體集成電路》、《集成電路版圖設(shè)計(jì)》等課程的銜接；同時(shí)引入半導(dǎo)體器件工藝流程，為學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體制造工藝》打下基礎(chǔ)，課程的實(shí)踐性也得以體現(xiàn)。另外，教學(xué)過(guò)程中的數(shù)學(xué)推導(dǎo)盡可能簡(jiǎn)潔或者略去，注重通過(guò)圖例闡述物理過(guò)程，避免學(xué)生的畏難情緒。

本課程的內(nèi)容按照知識(shí)內(nèi)在的邏輯關(guān)系，可以分為三個(gè)模塊。集成電路的設(shè)計(jì)與制造是圍繞著半導(dǎo)體材料特性展開(kāi)的，是微電子專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)；PN結(jié)原理是雙極型晶體管的基礎(chǔ)、半導(dǎo)體表面特性是MOS型晶體管的基礎(chǔ)；我們把這三塊內(nèi)容確定為基礎(chǔ)模塊。常規(guī)的半導(dǎo)體器件不是雙極性型的就是MOS型的，集成電路的基本單元也就是這兩種類(lèi)型的晶體管，這是后續(xù)課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，也是崗位職業(yè)能力的基礎(chǔ)。我們把這兩塊內(nèi)容定為核心模塊。功率器件、太陽(yáng)能電池、LED屬于新興的產(chǎn)品，對(duì)他們的結(jié)構(gòu)原理的介紹也是有必要的，歸為拓展模塊。教學(xué)過(guò)程中要夯實(shí)基礎(chǔ)（模塊），突出核心（模塊），介紹拓展（模塊）。以期打好后續(xù)課程的基礎(chǔ)，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力。基于上述教學(xué)內(nèi)容選擇及組織形式，在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我們編寫(xiě)了一本文字淺顯易懂、圖例直觀明了、論述明白流暢、數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)潔、理論聯(lián)系實(shí)際、內(nèi)容夠用即可的校本教材。通過(guò)試用學(xué)生反映較好，為教學(xué)工作帶來(lái)極大的便利。目前，教材《半導(dǎo)體器件物理》[2]已由機(jī)械工業(yè)出版社正式出版。

2.推進(jìn)理實(shí)一體化教學(xué)改革。以前，教師通常將這門(mén)課當(dāng)成一門(mén)理論課來(lái)上，以教師講課為主，實(shí)行的是填鴨式的灌輸教育，大部分學(xué)生對(duì)這種教學(xué)模式不感興趣。筆者以為，《半導(dǎo)體器件物理》這門(mén)課是理論性和實(shí)踐性并重的一門(mén)課程。在教學(xué)改革中我們將半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)嵌入其中，作為理實(shí)一體化項(xiàng)目。把原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象自行分析研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律、得出的結(jié)論，從而提高學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到切實(shí)掌握知識(shí)的目標(biāo)。

以PN結(jié)的正向特性——肖克萊方程為例，肖克萊方程的引入是個(gè)難點(diǎn)，完整的推導(dǎo)至少需要一個(gè)課時(shí)，作為高職院的學(xué)生來(lái)說(shuō)，能聽(tīng)懂的是少數(shù)?，F(xiàn)在我們講完正向?qū)ǖ奈锢磉^(guò)程之后，運(yùn)用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)量出PN的正向特性曲線（如圖2），然后直接引入肖克萊方程：

I=I■exp■-1

我們根據(jù)實(shí)測(cè)曲線給出理想曲線（如圖3）并進(jìn)行對(duì)照，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)差異，然后介紹閾值電壓及其產(chǎn)生機(jī)理。這樣既避開(kāi)了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，又使得閾值電壓的概念能夠牢固的掌握。

目前課程運(yùn)用的理實(shí)一體化項(xiàng)目有14個(gè)，如表1所示，占約占總課時(shí)的30%。

3.采用多元化教學(xué)方法。為了幫助克服學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體器件物理”課程理論性較強(qiáng)和抽象難懂的困難，我們?cè)趯?shí)際的教學(xué)過(guò)程中，多采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)，將理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐練有機(jī)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維和參與意識(shí)。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式教學(xué)，注重師生互動(dòng)，改變以往的灌輸教育，使學(xué)生真正參與進(jìn)來(lái)，加強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高教學(xué)效率。采用討論式教學(xué)可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)。在課堂上教師提出一些問(wèn)題，讓學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)尋找解決的辦法。然后就該問(wèn)題組織學(xué)生展開(kāi)討論。例如MOS管柵電極兩邊出現(xiàn)電場(chǎng)峰值，會(huì)降低擊穿電壓，應(yīng)當(dāng)怎么改善？在討論過(guò)程中教師總結(jié)和點(diǎn)評(píng)時(shí)，要指出為什么對(duì)，為什么錯(cuò)[3]。在教學(xué)過(guò)程中，課程組設(shè)計(jì)完成一套多媒體課件，注重反映重要的概念與公式以突出基本概念和基本計(jì)算，展示器件等圖例，既方便說(shuō)明問(wèn)題，又可以減少板書(shū)時(shí)間，將更多的時(shí)間留給學(xué)生交流討論。PPT中還表現(xiàn)了物理現(xiàn)象的變化過(guò)程，將抽象理論知識(shí)動(dòng)起來(lái)，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深刻理解。

4.將版圖設(shè)計(jì)軟件引入教學(xué)。Cadence virtuoso是一款功能強(qiáng)大的版圖設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用cadence配套的specture仿真工具，也可以對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真分析，在這方面cadence軟件也有不俗的表現(xiàn)。下面采用該軟件對(duì)mos特性曲線在不同器件參數(shù)下進(jìn)行量化分析。

圖1是標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件的特性曲線仿真結(jié)果，寬長(zhǎng)比為1μm∶1μm；改變其寬長(zhǎng)比為1μm∶10μm，特性曲線仿真結(jié)果如圖2。通過(guò)對(duì)比讓學(xué)生理解半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變將造成電學(xué)特性的變化，掌握如何合理選擇參數(shù)的方法。在教學(xué)過(guò)程中利用版圖設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行仿真，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生的對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí)讓學(xué)生初步接觸專(zhuān)業(yè)軟件，為后續(xù)的《集成電路版圖設(shè)計(jì)技術(shù)》等課程打下基礎(chǔ)。

5.建立課程網(wǎng)站。目前，課程已建立了網(wǎng)站，將課程信息、教學(xué)內(nèi)容、多媒體課件、課外習(xí)題及答案等材料上網(wǎng)。課程網(wǎng)站的設(shè)立共享了教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

四、總結(jié)與展望

在《半導(dǎo)體器件物理》課程改革的探索實(shí)踐過(guò)程中，我們使用課程組編寫(xiě)的適合高職學(xué)生的教材，推進(jìn)理實(shí)一體化的教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用啟發(fā)、討論等教學(xué)方法、制作直觀、動(dòng)態(tài)的PPT輔助教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的畏難情緒明顯減少，主動(dòng)性得到了顯著提升，和往屆相比，學(xué)習(xí)成績(jī)獲得一定的提高，后續(xù)課程的老師反映學(xué)生對(duì)基本概念的掌握更為扎實(shí)，教學(xué)改革獲得了初步成效。

目前已建立了《半導(dǎo)體器件物理》課程網(wǎng)站，但是缺乏互動(dòng)。下一步的設(shè)想是：利用學(xué)校的Kingosoft高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，創(chuàng)建了《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)網(wǎng)站，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)。要設(shè)立多媒體課件、課程錄像、網(wǎng)絡(luò)資源、交流論壇、課程信息、課外習(xí)題、習(xí)題解答等欄目，積極拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，加強(qiáng)學(xué)生之間、教生之間的交流，以期方便不同理論基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

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>> 催化劑可實(shí)現(xiàn)冷核聚變？ “氧核冷裂變”或可改變世界的新能源技術(shù)革命 巖性油氣藏成藏形成機(jī)理 油氣藏的形成與甲烷、水合甲烷關(guān)系的分析和認(rèn)識(shí) 連續(xù)型油氣藏形成條件與分布特征 冷核聚變實(shí)用化:大突破還是大騙局 原位油氣藏特征、形成機(jī)制及其資源潛力 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)油氣藏形成的影響 鄂爾多斯油氣藏形成情況分析 巖性油氣藏形成原因分析 興隆臺(tái)潛山油氣藏鉆井技術(shù)與方法 油氣藏裂縫識(shí)別與研究方法 斜坡帶隱蔽油氣藏勘探與實(shí)踐 核聚變 天然氣水合物羽狀流油氣藏?cái)?shù)值模擬研究 非常規(guī)油氣藏形成機(jī)理及開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù) 共生礦品位指標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化 致密砂巖油氣藏開(kāi)發(fā)技術(shù) 青海油田低滲油氣藏縫網(wǎng)壓裂技術(shù)探索與研究 車(chē)排子區(qū)塊石炭系油氣藏地質(zhì)技術(shù)研究與展望 常見(jiàn)問(wèn)題解答 當(dāng)前所在位置：l.

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作者簡(jiǎn)介:許馭,中國(guó)原國(guó)防科工委新能源試驗(yàn)開(kāi)發(fā)基地科研副總工程師,研究方向:“共生礦的形成機(jī)理與生命起源”等自然科學(xué)整體化原始創(chuàng)新探索。

附錄:

國(guó)內(nèi)外多學(xué)科專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)許馭科研組的原創(chuàng)科研成果

肯定許馭原創(chuàng)的多學(xué)科匯聚理論創(chuàng)新成果不是他個(gè)人的事,而是國(guó)家大事,目的是宣傳新能源技術(shù)革命起源于中國(guó)的真實(shí)性,以及美國(guó)后來(lái)居上、中國(guó)沒(méi)有重視的緊迫性。

2009年10月31日,北京相對(duì)論研究聯(lián)誼會(huì)、美國(guó)《格物》雜志編輯部聯(lián)合在北京召開(kāi)第99屆盧鶴紱學(xué)術(shù)論壇,邀請(qǐng)?jiān)瓏?guó)防科工委新能源基地副總工、上海恒變新能源研究所所長(zhǎng)許馭總工做《低能、中能與高能超分子微腔光子學(xué)》主題報(bào)告。此次評(píng)議會(huì)上,以及會(huì)前會(huì)后,國(guó)內(nèi)外多學(xué)科專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)許馭的《低能、中能與高能超分子微腔光子學(xué)》原創(chuàng)科研成果。

中國(guó)氣象科學(xué)研究院著名學(xué)者任振球教授評(píng)介:“科學(xué)界主流學(xué)派不相信水基燃料(水變油)的真實(shí)性,主要原因是理論上講不通;現(xiàn)在這個(gè)重大理論難題被原國(guó)防科工委新能源基地許馭總工創(chuàng)立的《高能超分子微腔光子學(xué)》基本解決了。許馭教授長(zhǎng)期刻苦從事的叫做‘自然科學(xué)整體化原創(chuàng)研究’,他以強(qiáng)大的科技資訊全面綜合能力,幾乎把所有的交叉學(xué)科、前沿學(xué)科都統(tǒng)起來(lái)了,就是把宇觀、宏觀、微觀都統(tǒng)一起來(lái)了?！薄霸S馭教授歷經(jīng)18年的艱辛探索研究,在王洪成的技術(shù)情報(bào)啟發(fā)下,破解了地球與土衛(wèi)六油氣藏的真實(shí)形成過(guò)程,創(chuàng)立了“古海洋水中鏈?zhǔn)健鹾死淞炎儭纬纱笮陀蜌獠毓采V”理論,實(shí)現(xiàn)了“氧核冷裂變”原始創(chuàng)新理論的整體性重大突破。從宏觀到微觀,許馭已經(jīng)打破了多學(xué)科交叉研究的學(xué)術(shù)障礙,將天、地、礦、生、數(shù)、理、化、醫(yī)有關(guān)多學(xué)科前沿知識(shí)與實(shí)驗(yàn)成果連成一體,做到了融會(huì)貫通。一旦獲得支持,許馭此項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)的整體性基礎(chǔ)理論原創(chuàng)成果,必將引發(fā)一系列新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命,其引發(fā)的新科技革命和世界經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的革命性意義必將載入科學(xué)史冊(cè)?！?/p>

北京航空航天大學(xué)的高歌教授認(rèn)為:許馭總工原創(chuàng)的“氧核冷裂變”基礎(chǔ)研究不但有廣度,而且有深度;從宏觀到微觀已經(jīng)連成一條線,做到了融會(huì)貫通;這項(xiàng)重大原始創(chuàng)新理論的方向是正確的,其會(huì)聚技術(shù)的工藝是新型的。清華大學(xué)校友、旅美學(xué)者王懷安教授認(rèn)為:許馭提出的“氧核冷裂變”原始創(chuàng)新理論的整體性重大突破以及與“氧核冷裂變”有關(guān)的十大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),應(yīng)該列為比美國(guó)“曼哈頓計(jì)劃”更重大的超“曼哈頓計(jì)劃”。北京大學(xué)楮德螢教授等認(rèn)為:肯定宣傳許馭原創(chuàng)的多學(xué)科匯聚理論成果不是他個(gè)人的事,而是強(qiáng)調(diào)、宣傳新能源技術(shù)革命起源于中國(guó)的真實(shí)性,以及美國(guó)后來(lái)居上、中國(guó)沒(méi)有重視的緊迫性。

北京大學(xué)生物工程專(zhuān)家褚德瑩教授,中國(guó)中醫(yī)人體科學(xué)研究專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任林中鵬教授,北京總裝備部航天醫(yī)學(xué)研究所宋孔智教授等專(zhuān)家,認(rèn)真聽(tīng)取后認(rèn)為,許馭提出的發(fā)現(xiàn)生物有機(jī)半導(dǎo)體與揭示經(jīng)絡(luò)本質(zhì)的新定義,能夠自圓其說(shuō),比較完美,富有創(chuàng)意性,有助于引發(fā)、促進(jìn)以中醫(yī)藥現(xiàn)代化為主、中西醫(yī)高層次緊密結(jié)合的21世紀(jì)新醫(yī)學(xué)的誕生,有利于利及億萬(wàn)民眾、推動(dòng)低成本整體醫(yī)療新技術(shù)的組合集成與蓬勃發(fā)展。

國(guó)際著名的《特勒肖―伽利略科學(xué)院》顧問(wèn)委員會(huì)顧問(wèn)、國(guó)際著名物理學(xué)家迪耶戈寫(xiě)信給他的中國(guó)朋友、英籍華人陳一文先生,對(duì)許馭的原創(chuàng)科研成果表達(dá)發(fā)自?xún)?nèi)心的贊嘆。物理學(xué)家迪耶戈教授認(rèn)為:“許馭教授的原創(chuàng)科研成果是了不得的成就,能學(xué)習(xí)許馭的科研成果令我激動(dòng)。我可以想象,許馭教授歷經(jīng)17年的艱辛工作、耐心創(chuàng)立有關(guān)自然科學(xué)全面理論的背景、匯聚更多新學(xué)科的意義以及他所承受的孤獨(dú)與犧牲。這是了不得的成就!我很想知道許馭的科研工作最終是否能夠得到(中國(guó))官方的支持。我已經(jīng)將許教授的科研成果報(bào)告這個(gè)消息發(fā)給了俄羅斯院士彼得?伽利耶夫(Gariaev)教授,我們計(jì)劃與伽利耶夫教授一道,繼續(xù)關(guān)注許馭教授此項(xiàng)重大科研成果事態(tài)發(fā)展。希望邀請(qǐng)?jiān)S馭教授合作研究科學(xué)整體化原創(chuàng)課題?！?/p>

國(guó)家發(fā)改委原副司長(zhǎng)嚴(yán)谷良高工,在幫助撰寫(xiě)此課題立項(xiàng)報(bào)告時(shí)評(píng)議:許馭總工歷經(jīng)17年的艱辛探索研究,在吸取國(guó)內(nèi)外多學(xué)科相關(guān)子課題研究成果的基礎(chǔ)上,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鏈?zhǔn)健把鹾死淞炎儭痹紕?chuàng)新理論的整體性重大突破。

2009年1月4日至5日召開(kāi)的量子信息與健康上海論壇上,上海市科委原副主任、上海市針灸經(jīng)絡(luò)研究中心創(chuàng)始人、經(jīng)絡(luò)專(zhuān)家魏瑚教授、上海市“經(jīng)絡(luò)物質(zhì)基礎(chǔ)”課題論證“領(lǐng)軍人物、著名經(jīng)絡(luò)專(zhuān)家、復(fù)旦大學(xué)費(fèi)倫教授,對(duì)許馭總工首先把超分子有機(jī)半導(dǎo)體量子微腔概念引入經(jīng)絡(luò)本質(zhì)研究領(lǐng)域,從超分子微腔量子光學(xué)的新方向提出了經(jīng)絡(luò)的新定義,予以高度評(píng)價(jià)。魏瑚教授認(rèn)為:從許馭的研究成果看,許馭甘坐十多年冷板凳,潛心學(xué)習(xí)的自然科學(xué)多學(xué)科基礎(chǔ)扎實(shí),匯聚交叉的新學(xué)科多,并且做到了舉一反三,融會(huì)貫通。能取得這樣的原創(chuàng)成果很不容易。

英籍華人、《科技創(chuàng)新社會(huì)學(xué)》的創(chuàng)立者陳一文顧問(wèn)于 2010年1月4日在給北京的一位朋友的信件中寫(xiě)道:“根據(jù)我了解的國(guó)內(nèi)外原始創(chuàng)新科研成果的情況,許馭教授的科研成果無(wú)論就挑戰(zhàn)、突破當(dāng)代占主導(dǎo)地位的多學(xué)科基礎(chǔ)理論研究方面,就交叉學(xué)科前沿的匯聚研究方面,就對(duì)于中國(guó)以至世界的新興產(chǎn)業(yè)潛在經(jīng)濟(jì)效益方面,就解決中國(guó)目前面臨的最為緊迫的新能源技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展方面,就促進(jìn)中國(guó)科學(xué)技術(shù)原始創(chuàng)新研究的推動(dòng)作用等方面,都居領(lǐng)先地位!”

篇8

關(guān)鍵詞：計(jì)量；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；計(jì)量意識(shí)

計(jì)量是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，一個(gè)國(guó)家的計(jì)量水平標(biāo)志著其經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，一個(gè)企業(yè)的計(jì)量水平?jīng)Q定了其產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量控制能力。沒(méi)有計(jì)量，產(chǎn)品的質(zhì)量將無(wú)法保證；沒(méi)有計(jì)量，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)將不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，公平、公正、誠(chéng)實(shí)、守信就成了一句空話。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中，計(jì)量的經(jīng)濟(jì)效益除檢定、檢測(cè)的顯性效益外，主要體現(xiàn)在維護(hù)正常的經(jīng)濟(jì)秩序、保證公平的交易、打破技術(shù)性國(guó)際貿(mào)易壁壘、提高產(chǎn)品質(zhì)量、正確評(píng)定科研、科技水平。特別在醫(yī)療衛(wèi)生、安全防護(hù)、節(jié)能降耗、社會(huì)民生等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。加強(qiáng)計(jì)量工作，充分發(fā)揮計(jì)量在各行業(yè)中的技術(shù)基礎(chǔ)作用，有利于促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、質(zhì)量提升和節(jié)能減排，保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展，有利于打造和諧、誠(chéng)信的社會(huì)環(huán)境[1-3]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育作為眾多教育領(lǐng)域的重要組成部分，它的基礎(chǔ)無(wú)疑是測(cè)量活動(dòng)，與計(jì)量測(cè)試有著密不可分的聯(lián)系，尤其是理工科高等院校，在實(shí)驗(yàn)教育中不斷增強(qiáng)計(jì)量意識(shí)，更應(yīng)引起足夠的重視[4]。

一、計(jì)量是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)

計(jì)量本身就是科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的組成部分，任何科學(xué)技術(shù)，都是為了探討、分析、研究、掌握和利用事物的客觀規(guī)律；而所有的事物都是由一定的“量”組成，并通過(guò)“量”來(lái)體現(xiàn)的。為了認(rèn)識(shí)量并確切地獲得其量值，只有通過(guò)計(jì)量。比如，哥白尼關(guān)于天體運(yùn)行的學(xué)說(shuō)，是在反復(fù)觀察的基礎(chǔ)上提出的，并在伽利略用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了進(jìn)一步觀測(cè)之后而確立的；著名的萬(wàn)有引力定律，被牛頓的敏銳觀察所揭示，并在百余年后經(jīng)卡文迪許的精密測(cè)試而得到了確認(rèn)；愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，也是在頻率精密測(cè)量的基礎(chǔ)上才得到了一定的驗(yàn)證；李政道、楊振寧關(guān)于弱相互作用下宇稱(chēng)不守恒的理論，也是吳健雄等人在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局（金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試才驗(yàn)證的?？傊?，從經(jīng)典的牛頓力學(xué)到現(xiàn)代的量子力學(xué)，各種定律、定理，都是經(jīng)過(guò)觀察、分析、研究、推理和實(shí)際驗(yàn)證才被揭示、承認(rèn)和確立。計(jì)量正是上述過(guò)程的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

歷史上三次大的技術(shù)革命，都充分地依靠了計(jì)量，同時(shí)也促進(jìn)了計(jì)量的發(fā)展。

以蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志的第一次技術(shù)革命，在蒸汽機(jī)的研制和應(yīng)用的過(guò)程中，需要對(duì)蒸汽壓力、熱膨脹系數(shù)、燃料的燃燒效率、能量的轉(zhuǎn)換等進(jìn)行大量的計(jì)量測(cè)試，發(fā)展起力學(xué)計(jì)量和熱工計(jì)量；另外，機(jī)械工業(yè)的興起，使幾何量的計(jì)量得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

以電的產(chǎn)生和應(yīng)用為基本標(biāo)志的第二次技術(shù)革命中，各種熱電偶的研制成功，對(duì)溫度計(jì)量、電工計(jì)量、以及無(wú)線電計(jì)量等提供了一種重要手段；邁克爾遜等人為了實(shí)際測(cè)量地球運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速率，研制出了邁克爾遜干涉儀，從而為長(zhǎng)度計(jì)量提供了一個(gè)重要方法；愛(ài)因斯坦成功地解釋了光電效應(yīng)，成了熱輻射計(jì)量的理論基礎(chǔ)，使計(jì)量開(kāi)始從宏觀進(jìn)入微觀領(lǐng)域；隨著量子力學(xué)、核物理學(xué)的創(chuàng)立與發(fā)展，電離輻射計(jì)量逐漸形成。

以核能及化工等的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用導(dǎo)致的第三次技術(shù)革命中，原子能、化工、半導(dǎo)體、電子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)、激光、遙感、宇航等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使計(jì)量日趨現(xiàn)代化，計(jì)量的宏觀實(shí)物基準(zhǔn)逐步向量子（自然）基準(zhǔn)過(guò)渡。原子頻標(biāo)的建立和米的新定義的形成，有著相當(dāng)重要的意義。頻率和長(zhǎng)度的精密測(cè)量，促進(jìn)了現(xiàn)代科技的發(fā)展。

至于人們廣泛談?wù)摵完P(guān)注的所謂第四次技術(shù)革命的先導(dǎo)是微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)，集成電路又可以說(shuō)是先導(dǎo)的核心。集成電路的研制，依賴(lài)于相應(yīng)的計(jì)量保證。比如，硅單晶的幾何參數(shù)、物理特性，超純水、超純氣的純度，化學(xué)試劑、光刻膠的性能，膜層厚度、層錯(cuò)位錯(cuò)，離子注入深度、濃度、均勻度以及工藝監(jiān)控測(cè)試圖形等的測(cè)定與控制，都是精密測(cè)量。當(dāng)前，我國(guó)集成電路研制尚比較落后，計(jì)量工作跟不上是其中的原因之一。

總之，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是物理學(xué)的成就，為計(jì)量的發(fā)展創(chuàng)造了重要的前提，同時(shí)也對(duì)計(jì)量提出了更高的要求，推動(dòng)了計(jì)量的發(fā)展；而計(jì)量的成就，又促進(jìn)了科技的發(fā)展。

二、計(jì)量測(cè)試與實(shí)驗(yàn)教育密切相關(guān)

除了驗(yàn)證、確認(rèn)和深化相應(yīng)的理論課內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校理論實(shí)踐的基礎(chǔ)，也是依據(jù)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行的一種測(cè)量活動(dòng)。諸如計(jì)量單位的選取，計(jì)量檢測(cè)設(shè)備的選用，測(cè)量原理及方法和誤差理論的研究，測(cè)量結(jié)果的獲得等，其最終目的都是為了獲得統(tǒng)一和準(zhǔn)確的量值，從而得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這正是計(jì)量測(cè)試技術(shù)的核心，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。因此可以說(shuō)，計(jì)量測(cè)試是實(shí)驗(yàn)教育的基礎(chǔ)，計(jì)量測(cè)試技術(shù)滲透于實(shí)驗(yàn)教育之中。

從計(jì)量學(xué)的角度研究，計(jì)量測(cè)試技術(shù)是一個(gè)綜合性體系，它從方案的策劃到儀器的配備、測(cè)試方法、環(huán)境要求以及測(cè)試者的操作技能等，無(wú)一不對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著直接的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)教育中應(yīng)緊密結(jié)合計(jì)量測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想上要注意以下幾個(gè)方面：首先要正確認(rèn)識(shí)計(jì)量單位的運(yùn)用；其次要選用科學(xué)合理的生產(chǎn)儀器設(shè)備；再次實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)性文件，對(duì)引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)有著重要作用，應(yīng)特別著重于編寫(xiě)有層次、有深度的測(cè)量試驗(yàn)原理、程序和數(shù)據(jù)處理方法。

在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的制作上，側(cè)重于對(duì)所得數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果的分析，以此確認(rèn)理論知識(shí)的正確性。要得到好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，必須引導(dǎo)學(xué)生注意三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：其一是對(duì)理論知識(shí)的深刻理解，而不是照抄照搬書(shū)本的內(nèi)容；其二是測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確和完整，改變現(xiàn)有單一定性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，向綜合性實(shí)驗(yàn)方向發(fā)展；其三是熟悉必要的數(shù)據(jù)處理方法和依此計(jì)算的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，重點(diǎn)應(yīng)放在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與改進(jìn)上。

篇9

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2013年，美國(guó)IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎(jiǎng)名單，一位中國(guó)青年學(xué)者的名字出現(xiàn)在其中，他就是北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授王潤(rùn)聲。

IEEE（電氣電子工程師協(xié)會(huì)）有五十多年歷史。多年來(lái)，該協(xié)會(huì)一直致力于推動(dòng)電子和信息技術(shù)在理論發(fā)展和應(yīng)用方面的進(jìn)步，它被認(rèn)為是科技革新的催化劑，也是太空、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、電氣及電子工程領(lǐng)域的權(quán)威組織。

經(jīng)過(guò)了推薦、提名、網(wǎng)評(píng)、專(zhuān)家討論等考核環(huán)節(jié)后，王潤(rùn)聲成為IEEE該獎(jiǎng)項(xiàng)歷史上首位來(lái)自非美國(guó)機(jī)構(gòu)的獲獎(jiǎng)?wù)??！皩W(xué)校和實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)好，加上近期國(guó)家對(duì)科研項(xiàng)目的支持力度很大，甚至一些美國(guó)同行也都羨慕我們。”王潤(rùn)聲說(shuō)，“只要平臺(tái)是良性發(fā)展的、機(jī)制是不斷完善的，換作其他科學(xué)家，也一樣能取得成果、獲得獎(jiǎng)勵(lì)?！?/p>

在王潤(rùn)聲尚年輕的學(xué)術(shù)生涯中，IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)是重要節(jié)點(diǎn)，直接促使他在半導(dǎo)體新器件研究領(lǐng)域的地位更加令人關(guān)注。對(duì)于這個(gè)風(fēng)華正茂的年輕學(xué)者來(lái)說(shuō)，一場(chǎng)在晶體管研究領(lǐng)域的漫長(zhǎng)巡禮才剛剛開(kāi)始。

北大人的成長(zhǎng)

王潤(rùn)聲是北大“土著”，從小成績(jī)優(yōu)秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤(rùn)聲的興趣是物理學(xué)，但當(dāng)年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當(dāng)時(shí)物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤(rùn)聲因此認(rèn)為，由微電子專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)向物理專(zhuān)業(yè)應(yīng)該“比較容易”。憑借這個(gè)樸素的判斷，王潤(rùn)聲憧憬著一個(gè)物理學(xué)家的夢(mèng)，成了北京大學(xué)2001級(jí)微電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。然而，此后一直到他讀博乃至后來(lái)成為北大老師，他卻都沒(méi)有再換專(zhuān)業(yè)，反倒在微電子的路上越走越遠(yuǎn)。

王潤(rùn)聲是他這一代青年科學(xué)家成長(zhǎng)之路的典型代表：少了許多國(guó)家計(jì)劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發(fā)展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對(duì)新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔(dān)任了一年的乒乓球協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，后來(lái)又加入了學(xué)校網(wǎng)球隊(duì)。這時(shí)，王潤(rùn)聲常常思考的問(wèn)題是，“我的專(zhuān)業(yè)究竟有什么用？未來(lái)有什么發(fā)展？”那是青年學(xué)子一個(gè)迷茫善變的階段，他的目標(biāo)不再局限于轉(zhuǎn)戰(zhàn)物理專(zhuān)業(yè)，還專(zhuān)門(mén)用了大半年時(shí)間跑到中文系聽(tīng)課，甚至還打算考到中文系讀研。他困惑于選擇，思考一條最適合自己的專(zhuān)業(yè)之路。

回憶起那段日子，王潤(rùn)聲說(shuō)，人之所以對(duì)一件事情感興趣，也許是因?yàn)椴挥妹鎸?duì)任何壓力，可以自由地做，因?yàn)槟悴槐匾蕾?lài)這些有創(chuàng)造性的業(yè)余愛(ài)好來(lái)謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛(ài)好受到了物質(zhì)刺激，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛(ài)好也不再是用來(lái)放松頭腦的富有創(chuàng)造性的追求，它變成了養(yǎng)家糊口的工具。而這些壓力最終會(huì)充滿抱怨與不滿，最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己不但沒(méi)有工作好，還失去了一個(gè)愛(ài)好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時(shí)的消遣變成從早八點(diǎn)到晚五點(diǎn)要做的正常工作。經(jīng)過(guò)一番深思熟慮，王潤(rùn)聲徹底打消了轉(zhuǎn)專(zhuān)業(yè)的念頭，繼續(xù)學(xué)習(xí)微電子學(xué)。

2005年，王潤(rùn)聲獲推免資格，成為北大微電子專(zhuān)業(yè)碩士生。王潤(rùn)聲的導(dǎo)師、時(shí)任系主任的黃如教授是微納電子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者。在她的影響和指導(dǎo)下，王潤(rùn)聲開(kāi)啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學(xué)科頂級(jí)期刊TED和頂級(jí)會(huì)議IEDM上發(fā)表，當(dāng)時(shí)這在學(xué)生中尚屬罕見(jiàn)。黃如發(fā)現(xiàn)了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤(rùn)聲選擇繼續(xù)攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)的博士學(xué)位。

2008年，國(guó)家通過(guò)教育部“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生計(jì)劃”向國(guó)外輸送第二批公派研究生，王潤(rùn)聲也是其中的一員。他訪問(wèn)的是美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）學(xué)院。普渡大學(xué)的微電子專(zhuān)業(yè)在全美排名靠前，并且很早就與北京大學(xué)建立了交流關(guān)系。“我是國(guó)內(nèi)培養(yǎng)的‘土鱉’，但在美國(guó)，我發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)微電子領(lǐng)域研究條件其實(shí)不錯(cuò);與國(guó)外同行相比，發(fā)現(xiàn)自己的專(zhuān)業(yè)水平也不錯(cuò)。這說(shuō)明我們國(guó)家自己培養(yǎng)的科研人員并不比別人差，因此我對(duì)自己更有信心了?！蓖鯘?rùn)聲說(shuō)。

因?yàn)樾南祰?guó)內(nèi)未完成的研究項(xiàng)目，王潤(rùn)聲在普渡大學(xué)訪問(wèn)一年后回到北大，于2010年4月師從王陽(yáng)元院士進(jìn)入博士后流動(dòng)站深造，并得到了中國(guó)博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤(rùn)聲被聘為北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。至此，他由一名北大學(xué)生變成了北大的老師，成為一名“徹底”的北大人。

瓶頸與變革

王潤(rùn)聲認(rèn)為，微電子學(xué)科發(fā)展正處于瓶頸期。最突出的表現(xiàn)是，不論個(gè)人電腦、移動(dòng)通信，還是智能手機(jī)，制造商都在拼功耗，因?yàn)楣氖悄壳白畲蟮碾y題。“什么時(shí)候一塊手機(jī)電池能用一周？”王潤(rùn)聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創(chuàng)新，做出更好的晶體管?！爱a(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展不能停滯，否則就變成了傳統(tǒng)行業(yè)?！?/p>

“瓶頸就意味著新的變革即將產(chǎn)生。”王潤(rùn)聲的主要工作是新型晶體管研究，這需要同時(shí)透徹了解電子學(xué)和物理學(xué)，并且及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)前沿最新成果。近年來(lái)，以英特爾、IBM、臺(tái)積電等巨頭為代表的微納電子新技術(shù)在行業(yè)內(nèi)持續(xù)，產(chǎn)品功耗不斷降低?！皩?duì)未來(lái)，5年后、10年后的技術(shù)，該如何設(shè)計(jì)、如何制作，如何在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新？這是我們思考的主要問(wèn)題。”王潤(rùn)聲說(shuō)。

2014年，王潤(rùn)聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實(shí)驗(yàn)與理論研究”獲2014年教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，個(gè)人排名第二。這是一項(xiàng)適用于未來(lái)集成電路技術(shù)的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現(xiàn)象及根源，提出了新的實(shí)驗(yàn)與特性表征方法，并延拓了低功耗應(yīng)用能力，得到了國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

根據(jù)王潤(rùn)聲介紹，在技術(shù)層面降低晶體管的功耗，主要有三個(gè)方面的變革：一是做新的器件結(jié)構(gòu)，二是用更合適的材料替換原有材料，三是改變其工作原理。王潤(rùn)聲從本科畢業(yè)論文即開(kāi)始針對(duì)新結(jié)構(gòu)器件展開(kāi)研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項(xiàng)成果是從英特爾22納米技術(shù)代的CPU芯片開(kāi)始采用的三維晶體管，業(yè)內(nèi)叫做FinFET，外形像魚(yú)鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靜電學(xué)控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術(shù)代開(kāi)始，業(yè)界采用氧化鉿取代了傳統(tǒng)的氧化硅作為柵極絕緣介質(zhì)材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產(chǎn)生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學(xué)隧穿原理改進(jìn)原有晶體管的開(kāi)關(guān)機(jī)制，以期從物理本質(zhì)上進(jìn)一步降低器件功耗。

后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新

晶體管在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，遵循著名的“摩爾定律”不斷地等比例縮小以提高集成度，但如前所述，現(xiàn)在已經(jīng)遇到了發(fā)展瓶頸。在后摩爾時(shí)代，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用，晶體管還可以在物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、生物醫(yī)療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應(yīng)用中大展身手。在后摩爾時(shí)代，晶體管該如何創(chuàng)新、如何發(fā)展、如何提高性?xún)r(jià)比？王潤(rùn)聲同黃如教授等組成的團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題做技術(shù)研究，并有中芯國(guó)際等多個(gè)大型企業(yè)作為合作對(duì)象。“產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是我們的最終目的?！蓖鯘?rùn)聲說(shuō)，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基石，它的出現(xiàn)使電子設(shè)備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發(fā)展。

像多數(shù)科學(xué)家一樣，王潤(rùn)聲也時(shí)常陷入困境。比如“有時(shí)會(huì)陷入一個(gè)問(wèn)題，不停地繞圈”，他的經(jīng)驗(yàn)是，這時(shí)不能輕易放棄，堅(jiān)持下去才會(huì)有突破。“就像打乒乓球?！彼f(shuō)：“有的時(shí)候，某一階段練球會(huì)覺(jué)得不僅進(jìn)步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長(zhǎng)球’了，再堅(jiān)持一下水平就會(huì)有明顯提高?！?/p>

篇10

關(guān)鍵詞：培養(yǎng)計(jì)劃；培養(yǎng)目標(biāo)；材料科學(xué)與工程；麻省理工學(xué)院

歐美國(guó)家在20世紀(jì)60―70年代開(kāi)始設(shè)立材料科學(xué)與工程系。名稱(chēng)變更反映了對(duì)材料領(lǐng)域研究認(rèn)識(shí)的變遷，即“材料研究需要依據(jù)其行為和特征，而不是依據(jù)材料類(lèi)型來(lái)進(jìn)行”。1998年教育部對(duì)材料類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)目錄進(jìn)行了調(diào)整，將原來(lái)劃分過(guò)細(xì)的十多個(gè)材料類(lèi)小專(zhuān)業(yè)合并成了現(xiàn)在的冶金工程、金屬材料工程、無(wú)機(jī)非金屬材料工程、高分子材料與工程、材料物理、材料化學(xué)等六個(gè)專(zhuān)業(yè)。同時(shí)，在引導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)目錄中還設(shè)置了材料科學(xué)與工程一級(jí)專(zhuān)業(yè)。雖然以材料科學(xué)與工程一級(jí)大學(xué)科來(lái)設(shè)置專(zhuān)業(yè)是必然趨勢(shì)，但材料科學(xué)與工程人才培養(yǎng)模式仍在探索之中[1]。同濟(jì)大學(xué)當(dāng)年就設(shè)置了材料科學(xué)與工程本科專(zhuān)業(yè)，期望以歐美的模式來(lái)培養(yǎng)材料學(xué)科人才。實(shí)際上，早在20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的同濟(jì)大學(xué)建筑材料工程系就為建筑材料專(zhuān)業(yè)的本科生開(kāi)設(shè)了材料科學(xué)導(dǎo)論、斷裂力學(xué)、表面物理化學(xué)和傳熱、傳質(zhì)與動(dòng)量傳遞（簡(jiǎn)稱(chēng)三傳）4門(mén)基礎(chǔ)課程。近幾年因?yàn)閰⑴c學(xué)院材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的修訂工作，查閱了國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)這個(gè)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)高校在材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃上的認(rèn)識(shí)一直存在爭(zhēng)議。美國(guó)麻省理工（MIT）材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科培養(yǎng)計(jì)劃的公開(kāi)信息最多，不僅有課程列表和學(xué)分要求，還有課程的詳細(xì)簡(jiǎn)介。尤其是麻省理工的開(kāi)放課程服務(wù)（OpenCourseWare），使得我們還能夠進(jìn)一步了解課程大綱和部分內(nèi)容。此外，MIT材料學(xué)科是USNews全美排名第一的，他們的培養(yǎng)

計(jì)劃應(yīng)該具有更好的借鑒意義。本文在反復(fù)仔細(xì)研究其有關(guān)本科培養(yǎng)的各種公開(kāi)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)其培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行了分析，結(jié)合自己的教學(xué)工作實(shí)踐，總結(jié)了一些心得體會(huì)，希望與國(guó)內(nèi)同行共享。

一、麻省理工材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃

MIT材料科學(xué)與工程系設(shè)3個(gè)專(zhuān)業(yè)（Course）。其一為一般意義上的材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)（Course 3），學(xué)生所得學(xué)位是材料科學(xué)與工程理學(xué)學(xué)士（Bachelor of Science in Materials Science and Engineering），其所授學(xué)位是被ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，美國(guó)工程與技術(shù)鑒定委員會(huì)）授權(quán)的，絕大部分學(xué)生都選讀這個(gè)專(zhuān)業(yè)。其二為課程選擇度更大的一般專(zhuān)業(yè)（Course 3-A），這個(gè)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生將獲得沒(méi)有特別指定專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的理學(xué)學(xué)士（Bachelor of Science without specification）學(xué)位，系里并不尋求ABET對(duì)這個(gè)學(xué)位的授權(quán)，只有很少學(xué)生選擇這個(gè)專(zhuān)業(yè)，常常是醫(yī)學(xué)、法學(xué)、MBA預(yù)科生選擇這個(gè)專(zhuān)業(yè)。第三是考古與材料專(zhuān)業(yè)（Course 3-C），學(xué)生所得學(xué)位是考古與材料理學(xué)學(xué)士（Bachelor of Science in Archaeology and Materials），系里也不尋求ABET對(duì)這個(gè)學(xué)位的授權(quán)。從系里是否尋求對(duì)所授學(xué)位授權(quán)就可以看到，MIT材料科學(xué)與工程系本科生的主要專(zhuān)業(yè)是一般意義上的材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)（Course 3）。后面的討論主要針對(duì)Course 3的培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行。

1. 課程和學(xué)分要求

該培養(yǎng)計(jì)劃的要求包括：（1）MIT的一般要求，共17門(mén)課程，其中自然科學(xué)6門(mén)，人文社科8門(mén)，限選科技課程2門(mén)，實(shí)驗(yàn)課程1門(mén)。（2）交流能力課程（Communication Requirement）4門(mén)。（3）系內(nèi)課程，包括一套核心課程（Core subjects，共10門(mén)課），一個(gè)論文或2個(gè)實(shí)習(xí)以及4門(mén)限選課程，合計(jì)184～195學(xué)分。其2011―2012版本的課程和學(xué)分要求見(jiàn)表1，表中課程名稱(chēng)前面的數(shù)字表示課程號(hào)，后面跟表示學(xué)分的數(shù)字、課程性質(zhì)、前修或同修課程號(hào)。MIT每門(mén)課程的學(xué)分由三部分組成，表示學(xué)習(xí)課程所需要的時(shí)間分布，中間用短線隔開(kāi)，第一個(gè)數(shù)字表示講課時(shí)間，第二數(shù)字表示實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)或者野外工作時(shí)間，第三個(gè)數(shù)字表示預(yù)習(xí)的時(shí)間，是以中等學(xué)生所需要時(shí)間估計(jì)的。1個(gè)學(xué)分大約相當(dāng)于一學(xué)期需要14小時(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)間。從表 1可見(jiàn)，一般專(zhuān)業(yè)課程，預(yù)習(xí)所需時(shí)間是講課時(shí)間的2～3倍。

備注

*可以代替本先修課程的其他先修課程列在課程描述頁(yè)面。

（1）這些課程可以算作必修課程或者限選課程的一部分，但不能同時(shí)計(jì)算。

（2）可以選9-12學(xué)分。

（3）通過(guò)申請(qǐng)，可以被類(lèi)似課程替代。

2. 限選課程的選擇

中列出了21門(mén)限選課程，每個(gè)學(xué)生只需要選擇4門(mén)課（48學(xué)分）。理論上，學(xué)生可以在21門(mén)課程中任選48學(xué)分，甚至經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)，還可以選擇其他系的課程或者研究生課程來(lái)代替。實(shí)際上，由于材料的范圍很廣，這些選修課程是根據(jù)主要的研究領(lǐng)域來(lái)設(shè)置的，它們是： 生物與聚合物材料（Bio-and Polymeric Materials），電子材料（Electronic Materials），結(jié)構(gòu)與環(huán)境材料（Structural and Environmental Materials），基礎(chǔ)與計(jì)算材料科學(xué)（Fundamental and Computational Materials Science）。

因此，在MIT材料學(xué)院的網(wǎng)頁(yè)上，曾經(jīng)列出了各領(lǐng)域推薦的限選課程。網(wǎng)頁(yè)上還列出了每一個(gè)方向的咨詢(xún)教授，以方便對(duì)上述領(lǐng)域某一方面更感興趣的學(xué)生選課。

3. 部分課程大綱和教學(xué)情況分析

（1）材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程

這個(gè)課程為15學(xué)分（5-0-10），總是與“材料實(shí)驗(yàn)”一起選修。課程安排也是交叉進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)周不上課，一共有4個(gè)實(shí)驗(yàn)周。這樣，材料科學(xué)與工程課程講課時(shí)間就縮短為9周（一個(gè)學(xué)期14周，最后一周為考試）。其課程安排為周一、三、五各2小時(shí)的講課（lecture），周二和四各1小時(shí)的復(fù)習(xí)課（recitation）。所以一共27次講課，18次復(fù)習(xí)課。實(shí)際講課為24次，另外3次課為測(cè)驗(yàn)和考試。最后一次考試并不是考全部課程內(nèi)容，即每次測(cè)驗(yàn)和考試都是分段內(nèi)容。

這個(gè)課程由兩個(gè)教授分別講授，每個(gè)教授都是24次課，因此可以推論，每次每個(gè)教授將講1小時(shí)。一個(gè)講授結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵（Structure and Bonding），一個(gè)講授熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)學(xué)（Thermodynamics and Statistical Mechanics）。

兩部分課程分別布置6次作業(yè)，每部分每次都是2～3個(gè)題目，都有交作業(yè)的期限，沒(méi)有按期交作業(yè)的，該次作業(yè)成績(jī)?yōu)?。作業(yè)答案在交作業(yè)期限過(guò)后就會(huì)立即公布。課程總成績(jī)由作業(yè)成績(jī)占20%、三次測(cè)驗(yàn)占80%構(gòu)成。得分標(biāo)準(zhǔn)為：總評(píng)80分以上A，70～79分為B，55～69分為C，低于55分為不及格。

（2）實(shí)驗(yàn)課程

MIT材料系內(nèi)有2門(mén)必修的實(shí)驗(yàn)課程，即材料實(shí)驗(yàn)和材料綜合實(shí)驗(yàn)。這兩門(mén)課程同時(shí)還是加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)交流能力培養(yǎng)的課程，所以，教學(xué)過(guò)程特別注意專(zhuān)業(yè)交流方面（包括論文寫(xiě)作、口頭技術(shù)報(bào)告等）的形式要求。材料實(shí)驗(yàn)與材料科學(xué)與工程課程同時(shí)選修，在2年級(jí)第一學(xué)期進(jìn)行。材料綜合實(shí)驗(yàn)課（Materials Project Laboratory）基本上就是幾個(gè)同學(xué)合作的科研項(xiàng)目，在3年級(jí)下學(xué)期進(jìn)行。下面以二年級(jí)的材料實(shí)驗(yàn)為例，介紹其教學(xué)和考評(píng)辦法。

如前所述，材料實(shí)驗(yàn)共4個(gè)實(shí)驗(yàn)周，實(shí)驗(yàn)周沒(méi)有其他專(zhuān)業(yè)課。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括量子力學(xué)原理演示、熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)囊括了幾乎全部現(xiàn)代材料分析研究方法（XRD、SEM/AFM、DSC、光散射等），并通過(guò)口頭和書(shū)面方式加強(qiáng)交流能力培養(yǎng)。從教學(xué)內(nèi)容看，這門(mén)實(shí)驗(yàn)課承擔(dān)了教授材料研究方法的任務(wù)。

一般將50個(gè)左右學(xué)生（2011年的2年級(jí)學(xué)生只有43人）分成6個(gè)組。每個(gè)實(shí)驗(yàn)周有3個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，每個(gè)主題下面2個(gè)實(shí)驗(yàn)，2個(gè)組共選一個(gè)主題，每組選做其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)。6個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。一周3次實(shí)驗(yàn)，每次4小時(shí)。因此，每個(gè)組每周只做3個(gè)實(shí)驗(yàn)（每個(gè)主題做1個(gè)實(shí)驗(yàn)），共12個(gè)實(shí)驗(yàn)。由于每個(gè)組只做了一半的實(shí)驗(yàn)，對(duì)另一半實(shí)驗(yàn)的了解，通過(guò)每周2次的1小時(shí)交流課程（recitation sections，一般隔天舉行）來(lái)實(shí)現(xiàn)。交流課上，大家各自在黑板上即興介紹實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，回答教師和同學(xué)的提問(wèn)。

該實(shí)驗(yàn)課由3個(gè)教授上，其中一個(gè)總負(fù)責(zé)。課程成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

二、分析和討論

1. 關(guān)于必修課和選修課

系內(nèi)必修課程除畢業(yè)論文或企業(yè)實(shí)習(xí)外，共有10門(mén)。大學(xué)一般要求的17門(mén)課，理論上可以自由選擇，但從表1系內(nèi)課程的先修課程可以看出，微積分I和II，物理I和II是需要先修的，大學(xué)一般要求的6門(mén)自然科學(xué)課程就去掉了4門(mén)，能夠自由選擇的大學(xué)自然科學(xué)課程剩下2門(mén)。從系里建議的選課表（roadmap）可以看到，另外2門(mén)自然科學(xué)是化學(xué)和生物。所以，自然科學(xué)的必修課程實(shí)際上相當(dāng)于14門(mén)。

限選課程要求包括GIR類(lèi)型2門(mén)和48學(xué)分的系內(nèi)選修課。有3門(mén)系內(nèi)課程（共39個(gè)學(xué)分）可以作為GIR課程來(lái)選，但不能同時(shí)作為系內(nèi)課程要求的學(xué)分。大多數(shù)系內(nèi)選修課程的學(xué)分為12分，這樣的話，系內(nèi)限選課48學(xué)分需要選讀4門(mén)。所以，每個(gè)學(xué)生可以有6門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課程。有意思的是，在表1中只有21門(mén)限選課程，而該系主要的研究領(lǐng)域（或者說(shuō)相當(dāng)于我們的專(zhuān)業(yè)方向）有4個(gè)，平均每個(gè)方向只有5.25門(mén)課。如果去掉2011―2012年新增的2門(mén)課程，過(guò)去幾年只有19門(mén)課，平均每個(gè)方向只有4.75門(mén)課程。看來(lái)，MIT材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置，并不鼓勵(lì)學(xué)生選單一專(zhuān)業(yè)方向的課程。實(shí)際上，在以前分專(zhuān)業(yè)方向限制選修課時(shí)，每個(gè)專(zhuān)業(yè)方向僅僅提供2～3門(mén)課程，進(jìn)一步的分析見(jiàn)下文。

反觀我們的培養(yǎng)計(jì)劃，我們的專(zhuān)業(yè)方向必修課程有5門(mén)（14學(xué)分），選修課程應(yīng)選4門(mén)（8學(xué)分），合計(jì)9門(mén)課程22學(xué)分。因?yàn)槲覀兊膶W(xué)分是按照每周上課學(xué)時(shí)數(shù)計(jì)算的。如果按照MIT的學(xué)分計(jì)算方法，學(xué)分約為每周上課學(xué)時(shí)數(shù)的3～4倍，考慮到我們的上課周數(shù)為17～18周，而MIT才14周，因此，我們的專(zhuān)業(yè)方向應(yīng)選學(xué)分至少相當(dāng)于MIT的88學(xué)分，比其4門(mén)課程（48學(xué)分）的要求多了5門(mén)課程（40學(xué)分）。可見(jiàn)，我們的培養(yǎng)計(jì)劃更加注重學(xué)生專(zhuān)業(yè)方向知識(shí)和技能的培養(yǎng)。

另外，MIT材料科學(xué)與工程系的研究領(lǐng)域非常廣泛，關(guān)于其主要研究領(lǐng)域的介紹出現(xiàn)在3個(gè)網(wǎng)頁(yè)上。其一是在該系的學(xué)位要求中關(guān)于限選課程的介紹網(wǎng)頁(yè)，4個(gè)主要的研究領(lǐng)域分別是生物與聚合物材料、電子材料、結(jié)構(gòu)與環(huán)境材料、基礎(chǔ)與計(jì)算材料科學(xué)。其二是在MIT的招生網(wǎng)頁(yè)，4個(gè)主要的研究領(lǐng)域分別是：半導(dǎo)體材料和低維系統(tǒng)（Semiconductor materials and low-dimensional systems）、能源材料（Materials for Energy）、納米結(jié)構(gòu)材料（Nanostructures）、材料的生物工程（Bioengineering of Materials）。在介紹全體教師（Faculty）的網(wǎng)頁(yè)，列出了30個(gè)研究方向（discipline），共122人次（有重復(fù)計(jì)算，因?yàn)閷?shí)際教師只有35人），平均每個(gè)研究方向4.07人次（或1.17人）。少的方向僅1人如微技術(shù)、半導(dǎo)體，最多的是納米技術(shù)，23人次。上面列出的生物工程（包括生物物理和生物技術(shù)）9人次，能源材料（包括能源與環(huán)境、儲(chǔ)能）9人次。人數(shù)比較多的研究方向還有結(jié)構(gòu)與環(huán)境材料9人次，高分子材料7人次，電、光和磁材料7人次。

可見(jiàn)，盡管MIT研究的材料類(lèi)型很多，但其本科生培養(yǎng)計(jì)劃中，涉及具體材料類(lèi)別方向的課程特別少。

2. 關(guān)于考核與成績(jī)

MIT很多課程的成績(jī)?cè)u(píng)定都包括平時(shí)作業(yè)和出勤與課堂參與情況。有的課程，考試以外的項(xiàng)目在成績(jī)?cè)u(píng)定中所占份額可達(dá)到50%，有的實(shí)驗(yàn)課程則更是高達(dá)85%這在一定程度上反映了MIT對(duì)大學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的管理是非常嚴(yán)格的，與我們頭腦中關(guān)于國(guó)外大學(xué)生“自由”學(xué)習(xí)的圖像截然不同。

3. 關(guān)于選課進(jìn)度安排

MIT材料系沒(méi)有規(guī)定統(tǒng)一的選課進(jìn)度表。但從其推薦的選課安排（roadmap）看，具有如下特點(diǎn)：

（1）8門(mén)大學(xué)一般要求的社科課程（GIR）分布在8個(gè)學(xué)期選修，即每學(xué)期選修1門(mén)社科課程；

（2）一年級(jí)把大學(xué)要求的6門(mén)自然科學(xué)課程（GIR）學(xué)完，包括數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)。

（3）二年級(jí)起全面進(jìn)入專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)。第一學(xué)期學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)、材料實(shí)驗(yàn)2門(mén)課程，兩門(mén)課交叉進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)周不上課。上課周每天都有材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)周每天都有實(shí)驗(yàn)或交流，學(xué)習(xí)安排非常集中。

（4）每學(xué)期的課程一般為4門(mén)，其中1門(mén)為社科課程。

MIT二年級(jí)第1學(xué)期就學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，這比我們的教學(xué)計(jì)劃提前很多。國(guó)內(nèi)的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)度安排曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)，前兩年不安排專(zhuān)業(yè)課，以至于我們的材料科學(xué)與工程課程被安排在第5學(xué)期，材料研究方法更是被安排在第6學(xué)期，使得高年級(jí)學(xué)習(xí)特別緊張，深入接觸專(zhuān)業(yè)知識(shí)和方法的時(shí)間被推遲。

4. 關(guān)于培養(yǎng)計(jì)劃的修訂

從網(wǎng)頁(yè)上能夠追溯到MIT材料系1998年的培養(yǎng)計(jì)劃，其培養(yǎng)計(jì)劃在2003年做了很大的調(diào)整。兩者的比較

這兩個(gè)培養(yǎng)計(jì)劃的最大差別在必修課，課程名稱(chēng)幾乎完全變了。但對(duì)比課程名稱(chēng)和教學(xué)內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，新培養(yǎng)計(jì)劃中的“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)”包含結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)兩大部分內(nèi)容，分別由兩位教授講授，似乎代替了原來(lái)的“材料熱力學(xué)”、“材料物理化學(xué)”和“材料化學(xué)物理”3門(mén)課程，因?yàn)槠浣滩闹蝗匀皇俏锢砘瘜W(xué)（Engel， T.， and P. Reid. Physical Chemistry. San Francisco， CA： Benjamin Cummings， 2005. ISBN： 9780805338423）?！安牧蠈?shí)驗(yàn)”應(yīng)該與原先的“材料結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)”對(duì)應(yīng)，“材料綜合實(shí)驗(yàn)”應(yīng)該與原來(lái)的“材料加工實(shí)驗(yàn)”對(duì)應(yīng)?！安牧系奈⒔Y(jié)構(gòu)演變”與原來(lái)的“材料結(jié)構(gòu)”相似。取消了“材料力學(xué)”、“材料工程中的輸運(yùn)現(xiàn)象”2門(mén)課程。增加了“材料的電光磁性能”、“材料的力學(xué)性質(zhì)”、“有機(jī)和生物材料化學(xué)”、“材料加工”4門(mén)課程。取消2門(mén)，合并2門(mén)，增加4門(mén)，課程總數(shù)不變。

選修課變化較小，只是增加了若干課程，特別是生物材料和納米材料的課程。其實(shí)，兩門(mén)生物材料課程是2000年增加的，當(dāng)時(shí)選修課由4方向增加為5個(gè)方向。選修課的最大變化是理論上不再分專(zhuān)業(yè)方向，學(xué)生可以任意選課。但實(shí)際操作時(shí)，仍然向?qū)W生推薦各專(zhuān)業(yè)方向的課程組合。無(wú)論如何，每個(gè)專(zhuān)業(yè)方向的課程不足4門(mén)，學(xué)生必然需要選修其他方向的課程。

從2003年至今，必修課沒(méi)有變化，選修課則有一些小的調(diào)整（表5）。其中2005年減少了高分子化學(xué)、化學(xué)冶金學(xué)（Chemical Metallurgy）2門(mén)課程。增加了2門(mén)數(shù)學(xué)，材料熱力學(xué)（原來(lái)的必修課），先進(jìn)材料加工，衍射和結(jié)構(gòu)，材料的對(duì)稱(chēng)性、結(jié)構(gòu)和張量性質(zhì)，材料選擇，共7門(mén)課程?？梢?jiàn)，增加的這些課程仍然是與具體材料種類(lèi)無(wú)關(guān)的。2007年和2011年分別增加了1門(mén)生物材料方面的課程。可見(jiàn)，即使是選修課的調(diào)整，仍然在繼續(xù)加強(qiáng)有關(guān)材料行為特征方面的課程，減少有關(guān)具體材料種類(lèi)的課程。

5. 關(guān)于培養(yǎng)目標(biāo)與課程設(shè)置

過(guò)去，MIT材料科學(xué)與工程系培養(yǎng)目標(biāo)分四類(lèi)，研究型學(xué)位（Course 3）、預(yù)科型學(xué)位（Course 3A）、實(shí)踐型學(xué)位（Course 3B，2003年取消）和考古型學(xué)位（Course 3C）。其中，研究型學(xué)位與實(shí)踐型學(xué)位培養(yǎng)要求的唯一差別是不變的，即前者在四年級(jí)做畢業(yè)論文，后者在二年級(jí)暑假和三年級(jí)暑假做2個(gè)20周的企業(yè)實(shí)習(xí)，其他課程要求完全相同?，F(xiàn)在把實(shí)踐型學(xué)位取消了，但仍然保留了學(xué)生向這個(gè)方向發(fā)展的渠道，即學(xué)生仍然可以選擇做畢業(yè)論文或者企業(yè)實(shí)習(xí)，學(xué)位合并在研究型學(xué)位（Course 3）中。

從2003年培養(yǎng)計(jì)劃大調(diào)整來(lái)看，MIT材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)（Course 3）的主要培養(yǎng)目標(biāo)是讓本科畢業(yè)生繼續(xù)深造。也可能是社會(huì)需求的變化促使MIT對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。這從MIT選讀實(shí)踐型學(xué)位人數(shù)變遷或許可以看出一些端倪（表6）。從1998年到2002年，實(shí)踐型學(xué)位人數(shù)多于研究型學(xué)位的人數(shù)，2002年突然降低，與研究型學(xué)位相當(dāng)。查看大學(xué)2年級(jí)實(shí)踐型學(xué)位學(xué)生注冊(cè)數(shù)，從2002年起突然減少，由原來(lái)每年約20人突然減少為6人。2003年培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)整當(dāng)年，還有5人注冊(cè)為實(shí)踐型學(xué)位，這應(yīng)該是此前培養(yǎng)計(jì)劃延續(xù)所致。

那么，沒(méi)有了實(shí)踐型（Course 3B）學(xué)位，是否還有學(xué)生仍然會(huì)選擇實(shí)習(xí)代替論文呢。下面從2002～2008年MIT材料系本科畢業(yè)生去向分析。除了一些研究生院，網(wǎng)頁(yè)一共列出了38家企業(yè)和17家政府部門(mén)或咨詢(xún)機(jī)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)2002年以后（至2005年結(jié)束，當(dāng)年僅剩下1人）各年4年級(jí)實(shí)踐型學(xué)位人數(shù)（也約等于當(dāng)年畢業(yè)人數(shù)）總和恰為38人，與畢業(yè)生去向統(tǒng)計(jì)的企業(yè)單位數(shù)剛好相同。這難道是巧合？是否可以推論，2003培養(yǎng)計(jì)劃修改之后幾乎就沒(méi)有學(xué)生選擇去企業(yè)實(shí)習(xí)了？

MIT材料專(zhuān)業(yè)取消實(shí)踐型學(xué)位，以及此后可能幾乎沒(méi)有人選擇實(shí)習(xí)代替畢業(yè)論文事實(shí)，一方面可能與美國(guó)產(chǎn)業(yè)向國(guó)外轉(zhuǎn)移，本國(guó)企業(yè)對(duì)工程師的需求減少有關(guān)；另一方面，MIT培養(yǎng)計(jì)劃中的課程設(shè)置調(diào)整也起了一定作用。因?yàn)檫x擇實(shí)踐型學(xué)位人數(shù)銳減在前（2002年），培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)整在后（2003年）。培養(yǎng)計(jì)劃中去掉的必修課“材料力學(xué)”和“材料工程中的輸運(yùn)現(xiàn)象”，顯然屬于工程類(lèi)課程。因此，其培養(yǎng)計(jì)劃課程中增加材料研究型基礎(chǔ)知識(shí)、減少工程知識(shí)的傾向十分明顯，也說(shuō)明其培養(yǎng)計(jì)劃隨社會(huì)需求進(jìn)行了及時(shí)調(diào)整。

另外，盡管2003年培養(yǎng)計(jì)劃中的必修課有較大調(diào)整，但選修課調(diào)整比較有限。而且調(diào)整前后，沒(méi)有改變其材料類(lèi)本科生寬專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的模式。

但在選修課中，把專(zhuān)業(yè)方向的基礎(chǔ)課程去掉，仍然讓人有點(diǎn)匪夷所思。例如，高分子化學(xué)在高分子材料領(lǐng)域歷來(lái)就被認(rèn)為是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。MIT在2005年卻把這門(mén)課從本科生培養(yǎng)計(jì)劃中去掉了。查看其高分子方向研究生培養(yǎng)計(jì)劃核心課程，可以看到高分子物理化學(xué)、高分子合成、高分子合成化學(xué)等基礎(chǔ)課程。可見(jiàn)，MIT把專(zhuān)業(yè)方向的一些基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)放在了研究生階段。

以上似乎給人這樣的印象，如果不繼續(xù)讀研究生，則專(zhuān)業(yè)方向的基礎(chǔ)知識(shí)是不太夠的，無(wú)形中將人才培養(yǎng)的周期拉長(zhǎng)到研究生階段了。但從我自己教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)習(xí)高分子物理就可以了解高分子材料的行為和特征，未必需要清楚地知道高分子材料的合成與制備方法。我的一些研究生以前從未學(xué)習(xí)高分子方面的課程，為了讓他們?cè)谘芯恐心軌蚶斫夂褪褂酶叻肿硬牧希揖褪窍冉o他們講授高分子物理的基本知識(shí)。

另外，注意到MIT材料專(zhuān)業(yè)研究生數(shù)量是本科生數(shù)量的2.2倍，有很多研究生來(lái)自校外，特別是來(lái)自國(guó)外。所以，MIT材料專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中對(duì)專(zhuān)業(yè)方向選修課程的調(diào)整，結(jié)合研究生階段的課程安排，既考慮到了本科寬專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的培養(yǎng)模式，又打通了本科生培養(yǎng)與研究生培養(yǎng)之間的關(guān)聯(lián)，在研究生階段加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)方向基礎(chǔ)知識(shí)的培養(yǎng)，也便于接受其他教育背景的學(xué)生來(lái)讀研究生，還是十分合理的。

MIT材料專(zhuān)業(yè)的本科培養(yǎng)計(jì)劃，不斷強(qiáng)化了按照材料大類(lèi)進(jìn)行培養(yǎng)的模式，必修課和選修課都加強(qiáng)了材料基本行為知識(shí)的課程，減弱了材料類(lèi)別基礎(chǔ)知識(shí)的課程，把后者移到研究生教育階段。這說(shuō)明國(guó)外關(guān)于“材料研究依據(jù)其行為和特征，而不是依據(jù)材料類(lèi)型來(lái)進(jìn)行”的認(rèn)識(shí)形成30多年以來(lái)，不僅沒(méi)有改變，還在進(jìn)一步加強(qiáng)。MIT在2003年對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃大調(diào)整時(shí)，加強(qiáng)了材料研究基礎(chǔ)知識(shí)課程，減少了工程類(lèi)課程，其本科生的主要去向是進(jìn)一步深造，直接到企業(yè)就業(yè)的比例急劇減少。本科生階段加強(qiáng)研究基礎(chǔ)知識(shí)課程，把專(zhuān)業(yè)方向基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)放在研究生階段，加強(qiáng)了研究生的知識(shí)培養(yǎng)，可能是其材料研究能夠長(zhǎng)期在美國(guó)名列前茅的原因之一。