呂銀祥，侯　磊

(復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系，上?！?00433)

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電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)課程建設(shè)的思考*

呂銀祥，侯磊

(復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系，上海200433)

物理化學(xué)是一門(mén)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課程，在電子科學(xué)與技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外電子信息類專業(yè)物理化學(xué)課程的現(xiàn)狀，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)課程內(nèi)容、課程特點(diǎn)、教學(xué)方法等進(jìn)行分析，為電子信息類本科生物理化學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐提供參考。

物理化學(xué); 電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè); 課程建設(shè)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類歷史已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代──信息時(shí)代。信息時(shí)代科學(xué)的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)和光電子技術(shù)，它們同屬于教育部本科專業(yè)目錄中的一級(jí)學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”。電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)以電子器件及其系統(tǒng)應(yīng)用為核心，重視器件與系統(tǒng)的交叉與融合，面向微電子、光電子、光通信、高清晰度顯示產(chǎn)業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，培養(yǎng)在通信、電子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子材料與器件等領(lǐng)域具有寬廣的適應(yīng)能力、扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)、較強(qiáng)的實(shí)踐能力、具備創(chuàng)新意識(shí)的高級(jí)技術(shù)人才和管理人才。

作為一門(mén)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，電子科學(xué)與技術(shù)是技術(shù)性很強(qiáng)的學(xué)科，也是綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展不僅與近代物理學(xué)、數(shù)學(xué)、無(wú)線電、計(jì)算機(jī)及空間技術(shù)的迅速發(fā)展有著密切的關(guān)系，而且也與化學(xué)學(xué)科息息相關(guān)。新材料的制備、新器件的出現(xiàn)、新工藝的探索幾乎都離不開(kāi)物理化學(xué)知識(shí)，但專門(mén)針對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科(專業(yè))的物理化學(xué)課程建設(shè)未受到重視。

物理化學(xué)是化學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，物理化學(xué)課程是許多涉及化學(xué)的學(xué)生必修的基礎(chǔ)課，歷來(lái)受到廣大師生的高度重視。物理化學(xué)在工科教學(xué)體系中的地位界于專業(yè)理論層次與通用理論層次之間，起到了重要的承上啟下的樞紐作用。物理化學(xué)課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生能深層次地理解和掌握化學(xué)變化過(guò)程中普遍應(yīng)用的基本規(guī)律、原理及方法，并將其用于分析和解決其他化學(xué)學(xué)科如化工、材料、能源、電子等所遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而不斷地提高學(xué)習(xí)和實(shí)踐的能力[1]。

1　國(guó)內(nèi)外電子信息類專業(yè)物理化學(xué)課程的現(xiàn)狀

本文調(diào)研了電子科學(xué)與技術(shù)(2012年)學(xué)科評(píng)估排名前10的國(guó)內(nèi)高校，以及美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州理工學(xué)院、日本東京工業(yè)大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等國(guó)外電子信息工程專業(yè)排名較高的大學(xué)，發(fā)現(xiàn)在物理化學(xué)課程教學(xué)及建設(shè)方面各不相同。

由于培養(yǎng)體系不同，國(guó)外大學(xué)幾乎聽(tīng)不到專業(yè)的概念，學(xué)校開(kāi)設(shè)的專業(yè)均以課程的概念涵蓋，電子信息工程課程內(nèi)容包括信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)工程、電路和微電子技術(shù)、通信工程等多個(gè)方向，其中主干課程為各專業(yè)方向的專業(yè)基礎(chǔ)課，各方向核心專業(yè)課均以選修課形式開(kāi)出，由學(xué)生自由選取。各個(gè)專業(yè)方向沒(méi)有一套固定的從基礎(chǔ)到專業(yè)的課程體系而是開(kāi)設(shè)大量的課程供學(xué)生選修。課程以模塊成組，根據(jù)教授的研究方向分別有特定的方向。另外，課程形態(tài)不局限在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的大綱、教材，更多是通過(guò)講座、報(bào)告等多種形式。其中麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)都建議學(xué)生選修一門(mén)化學(xué)課程以拓展知識(shí)，可以是有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)類課程中的任何一門(mén)。

國(guó)內(nèi)大學(xué)在本科生培養(yǎng)上有比較細(xì)致的方案，自由度比國(guó)外小，課程體系建設(shè)比較明朗。對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)化學(xué)課程的國(guó)內(nèi)高校有復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)及西安電子科技大學(xué)，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)等高校并未要求電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，北京大學(xué)可能借鑒了國(guó)外大學(xué)的做法，在任意選修課程中建議學(xué)生學(xué)習(xí)一點(diǎn)化學(xué)知識(shí)。在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)設(shè)化學(xué)課程的四所高校中，復(fù)旦大學(xué)與西安電子科技大學(xué)明確開(kāi)設(shè)物理化學(xué)課程，電子科技大學(xué)與西安交通大學(xué)則開(kāi)設(shè)材料物理化學(xué)課程。

2　電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)課程內(nèi)容淺析

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程大多包含半導(dǎo)體技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)就是以半導(dǎo)體為材料，制作成組件及集成電路的技術(shù)。半導(dǎo)體技術(shù)可以細(xì)分為半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體化學(xué)；半導(dǎo)體化學(xué)是在發(fā)明晶體管之后逐漸形成的，是一門(mén)交叉學(xué)科，主要內(nèi)容為：①硅、鍺、砷化鎵等半導(dǎo)體材料的物理化學(xué)性質(zhì)及其提純精制的化學(xué)原理。②半導(dǎo)體器件和集成電路制造技術(shù)如清洗、氧化、外延、制版、光刻、腐蝕、擴(kuò)散等主要工藝過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)原理。③半導(dǎo)體器件及集成電路制造工藝中所用摻雜材料、化學(xué)試劑、高純氣體、高純水的化學(xué)性質(zhì)及制備原理。物理化學(xué)課程是半導(dǎo)體化學(xué)課程的基礎(chǔ)。

對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科(專業(yè))而言，課程體系中有經(jīng)典物理、近代物理、固體物理等基礎(chǔ)課程，物理化學(xué)作為新加入的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容安排要有特殊性，不能與上述物理類課程重復(fù)。此外，現(xiàn)行的物理化學(xué)歸屬于化學(xué)學(xué)科，課程體系中帶有明顯的化學(xué)化工特征，授課對(duì)象是物理基礎(chǔ)比較薄弱的化學(xué)、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)類本科生。例如絕大部分物理化學(xué)教材以氣體為主要物質(zhì)對(duì)象，同時(shí)特別重視化學(xué)反應(yīng)，這些側(cè)重對(duì)化工學(xué)科是合情合理的，但對(duì)凝聚態(tài)為主要物質(zhì)對(duì)象，且更為重視界面效應(yīng)的電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科而言，就暴露出理論與應(yīng)用的雙重問(wèn)題。首先說(shuō)應(yīng)用問(wèn)題，在動(dòng)力學(xué)部分，現(xiàn)行物理化學(xué)主要介紹化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，而且是氣相化學(xué)反應(yīng)，但沒(méi)有與界面有關(guān)、主要研究凝聚態(tài)的動(dòng)力學(xué)。再說(shuō)理論體系上的問(wèn)題，物質(zhì)對(duì)象由氣體轉(zhuǎn)移到凝聚態(tài)，會(huì)帶來(lái)理論體系的變化，因?yàn)槟蹜B(tài)具備不同于氣體的特殊性，尤其是對(duì)常壓不敏感，使得具有二元函數(shù)性質(zhì)的熱力學(xué)量(如內(nèi)能、焓、熵、自由能)變?yōu)橐辉瘮?shù)，從而使理論簡(jiǎn)化，這對(duì)知識(shí)體系復(fù)雜的物理化學(xué)意義重大。

物理化學(xué)課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，為了加深學(xué)生對(duì)物理化學(xué)抽象概念的理解和深?yuàn)W內(nèi)容的掌握，注意收集、整理信息技術(shù)中用到物理化學(xué)知識(shí)的相關(guān)實(shí)例，并在講授相關(guān)基本物理化學(xué)知識(shí)時(shí)穿插講解，將枯燥的理論與專業(yè)應(yīng)用密切相聯(lián)系。例如，在講解熱力學(xué)第一定律時(shí)，以物理氣相沉積制備金屬電極為例[2]；在講解熱力學(xué)第二定律時(shí)以化學(xué)氣相沉積制備多晶硅為例子；在講解多組分熱力學(xué)系統(tǒng)時(shí)以超高真空的獲得以及超純氣體的制備為例；在講解化學(xué)平衡時(shí)，以磁控濺射制備透明導(dǎo)電ITO薄膜為例；在講解相平衡時(shí)，講述相平衡在可擦寫(xiě)相變光盤(pán)中的重要應(yīng)用，包括存儲(chǔ)技術(shù)的原理和具體過(guò)程；在講解潤(rùn)濕問(wèn)題時(shí)列舉LB膜技術(shù)、分子自組裝技術(shù)在分子芯片制備中的應(yīng)用；在講解膠體知識(shí)時(shí)將印刷電子中的導(dǎo)電材料——納米墨水(納米金、銀、銅等)溶膠溶液的制備方法、工藝控制、尺寸效果等作展示；在講解電化學(xué)內(nèi)容時(shí)，以鋰電池快速充電、傳感器的開(kāi)發(fā)、電鍍-化學(xué)鍍?cè)谛酒ミB線中的作用等為例。

3　電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)課程的特點(diǎn)

在一些院校里，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)通常歸類為工科，關(guān)于工科專業(yè)物理化學(xué)課程的設(shè)置及教學(xué)，已經(jīng)有比較系統(tǒng)的研究[3-5]，但針對(duì)的專業(yè)通常是所謂的“非化學(xué)類專業(yè)”，包括環(huán)境、生物、食品、材料等。電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案里，物理類課程很多，包括理論物理、經(jīng)典物理等，與其他專業(yè)的學(xué)生相比，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)類學(xué)生的物理基礎(chǔ)比較扎實(shí)，開(kāi)設(shè)物理化學(xué)課程的作用是拓展他們的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，這些知識(shí)又能與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，由于課時(shí)限制，教學(xué)內(nèi)容要有所取舍，例如，氣體的pVT關(guān)系、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律這三部分內(nèi)容，現(xiàn)有教學(xué)大綱通常在16學(xué)時(shí)以上，由于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)很多課程已經(jīng)涉及上述知識(shí)，課時(shí)限制在4學(xué)時(shí)即可，綜合為物質(zhì)變化的熱力學(xué)基礎(chǔ)。多組分系統(tǒng)熱力學(xué)、化學(xué)平衡、相平衡這些內(nèi)容可以結(jié)合起來(lái)講，下面以氮化硅薄膜制備為例，介紹其熱力學(xué)分析過(guò)程。

氮化硅薄膜是廣泛應(yīng)用于集成電路中的一種常用鈍化材料，它可以保護(hù)芯片免受外界腐蝕物質(zhì)侵蝕和機(jī)械損傷，具有優(yōu)良的光電性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、抗高溫氧化性和抗雜質(zhì)擴(kuò)散，以及水汽滲透能力強(qiáng)、硬度高、耐磨損等特性，被用在集成電路封裝工藝中作為引線和壓焊區(qū)的保護(hù)層以及傳感器芯片中的鈍化層。氮化硅Si3N4的反應(yīng)燒結(jié)包括：(1)硅蒸汽與氮?dú)夥磻?yīng)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積過(guò)程形成Si3N4；(2)氮?dú)庠谝簯B(tài)硅合金中溶解形成Si3N4；(3)Si3N4在固相硅上的成核和生長(zhǎng)以及通過(guò)表面擴(kuò)散到反應(yīng)區(qū)域。此外，Si3N4還可由一氧化硅氮化生成：3SiO+2N2=Si3N4+3/2O2，其中SiO可通過(guò)反應(yīng)2Si+O2=2SiO、Si+H2O=SiO+H2生成。熱力學(xué)計(jì)算表明，當(dāng)K=pSiO=10-6MPa，pN2=0.1 MPa，則pO2<10-22MPa、pH2O<10-11MPa反應(yīng)可向右進(jìn)行，但當(dāng)氣氛中H2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，pO2可升至10-9MPa，反應(yīng)即可進(jìn)行，這樣在現(xiàn)實(shí)工藝中，硅的氮化是主要反應(yīng)。

4　電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)課程教學(xué)方法

4.1理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在教學(xué)中注意理論和實(shí)際結(jié)合，列舉一些案例，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)理論知識(shí)去解答，使他們感到學(xué)有所用，從而可激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，分為：①案例的講述和演示。通過(guò)口述或多媒體演示，將案例較為生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，案例要主題鮮明、要點(diǎn)突出。②案例分析。對(duì)案例的要點(diǎn)進(jìn)行歸納，使案例的應(yīng)用更加深入、生動(dòng)、系統(tǒng)，總結(jié)案例教學(xué)的理解思路和記憶思路。③案例模塊化串講，使學(xué)生覺(jué)得所學(xué)知識(shí)具有層次性、綜合性。

4.2應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂，實(shí)施分層次教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂是通過(guò)顛倒知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化來(lái)改變傳統(tǒng)教學(xué)中師生角色并對(duì)課堂時(shí)間的使用進(jìn)行重新規(guī)劃的新型教學(xué)模式。物理化學(xué)教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，不斷地探索和實(shí)踐那些有利于提高教學(xué)效果的新方法。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生概括問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。多層次能使基礎(chǔ)好、學(xué)有余力的學(xué)生感到有收獲，又有繼續(xù)學(xué)習(xí)和深入鉆研的空間，學(xué)習(xí)吃力的同學(xué)也能學(xué)到基本內(nèi)容，并有繼續(xù)學(xué)習(xí)的欲望，學(xué)習(xí)興趣不大的人也知道達(dá)到基本要求的底線是什么。

5　結(jié)　語(yǔ)

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理化學(xué)的教學(xué)要與專業(yè)培養(yǎng)方案融合，不是簡(jiǎn)單的拓展知識(shí)或通識(shí)教育，授課內(nèi)容要有針對(duì)性，教授方法要有助于學(xué)生理解和融會(huì)貫通。在物理化學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中，不僅要給學(xué)生傳授傳統(tǒng)的理論知識(shí)，更要注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，只有這樣，才能培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力，使之成為有用的人才。

[1]Laura J. Fox, Gillian H. Roehrig. Nationwide Survey of the Undergraduate Physical Chemistry Course [J]. J. Chem. Educ., 2015, 92: 1456-1465.

[2]Polly R. Piergiovanni. Adsorption Kinetics and Isotherms: A Safe, Simple, and Inexpensive Experiment for Three Levels of Students [J]. J. Chem. Educ., 2014, 91: 560-565.

[3]葛明, 王南平. 非化學(xué)化工專業(yè)工科“物理化學(xué)”課程的建設(shè)與改革[J]. 科教文匯旬刊, 2015(26): 47-48.

[4]談寧馨,朱權(quán). 工科物理化學(xué)課程小班研討內(nèi)容的思考[J]. 大學(xué)教育, 2014(5): 21-22.

[5]黃玉成,杜金艷. 工科物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的幾點(diǎn)思考[J]. 廣州化工, 2015,43(2): 161-163.

Reflections on the Construction of Physical Chemistry Course in Electronic Science and Technology Specialty

LV Yin-xiang, HOU Lei

(Department of Materials Science, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Physical Chemistry is a basic course for the students majored in Electronic Science and Technology. The knowledge taught in the course is widely used in Electrical Information Science and Technology. The current situation of Physical Chemistry course in electronic information specialty at home and abroad was analyzed, and the contents, characteristics and teaching methods of the course were also studied in the text. It provided reference for the teaching practice of Physical Chemistry for Electronic and Information Engineering students.

Physical Chemistry; Electronic Science and Technology specialty; course construction

復(fù)旦大學(xué)2013年度本科教學(xué)研究及教改激勵(lì)項(xiàng)目資助(2013YB21)。

呂銀祥(1976-)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

O642

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1001-9677(2016)09-0167-03