黃雨竹　黃致新

關(guān)鍵詞 中美教材比較;芯片技術(shù)卡脖子問題;高中物理

1 什么是芯片技術(shù)卡脖子問題

21世紀(jì)以來，隨著我國科技、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，美國為了壓制我國的復(fù)興，對中國展開技術(shù)封鎖。在此背景下，《科技日報》首版頭條推出“亟待攻克的核心技術(shù)”專欄，開篇以“是什么卡了我們的脖子”為引題，共報道了35項“卡脖子”技術(shù)[1]。此后，研究者們常用“卡脖子問題”代指與技術(shù)強(qiáng)國相比我國所面臨的核心技術(shù)瓶頸問題，其大多具有攻克難度較大、壟斷性強(qiáng)和技術(shù)壁壘高的特點。在“卡脖子問題”中最迫切需要解決的就是芯片技術(shù)卡脖子問題。2018年到2019年兩年間，美國限制我國中興和華為兩大科技公司購買其“敏感”產(chǎn)品，其中涉及最多的就是芯片相關(guān)技術(shù)。美國對我國芯片行業(yè)的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致很多計算機(jī)、手機(jī)等高科技產(chǎn)品無法正常生產(chǎn)，直接威脅到了我國科技企業(yè)的正常發(fā)展，給我國造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失， 芯片技術(shù)卡脖子問題成為亟須解決的熱點問題[2]。

芯片技術(shù)卡脖子問題的背后，是我國科技研發(fā)不獨立、基礎(chǔ)研究人才缺乏的問題。長期以來，研發(fā)人員用技術(shù)集成回避關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，導(dǎo)致我國基礎(chǔ)研究不夠深入，科技研發(fā)長期依賴于他國的核心技術(shù)。要解決芯片技術(shù)卡脖子問題，就需要培養(yǎng)出一批擁有基礎(chǔ)研究能力、創(chuàng)新能力的人才，從根本上實現(xiàn)核心技術(shù)自主化，打破西方技術(shù)霸權(quán)[3]。高中物理是理工科專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，要培養(yǎng)研究型人才，就需要從高中就打好基礎(chǔ)。作為知識載體的教材更是教師開展教學(xué)基本工具，所以從“卡脖子”問題出發(fā)，研究比較中美高中物理教材的異同，取其精華，去其糟粕，借鑒美國高中物理教材中的優(yōu)勢之處，補足我國高中物理教材的不足，顯得尤為重要。

2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”內(nèi)容的比較分析

以往的高中物理教材比較研究主要分為兩大類，一類是從不同視角（如從核心素養(yǎng)視角、科學(xué)思維視角或STSE 視角等）比較教材整體的內(nèi)容結(jié)構(gòu)、欄目設(shè)置[4]、呈現(xiàn)方式等特點。另一類是詳細(xì)對教材中某一特殊板塊的內(nèi)容（如電學(xué)、力學(xué)、科學(xué)史、學(xué)科交叉滲透內(nèi)容或近代物理等）做比較[5]。在以往的研究中，有不少研究者雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我國高中物理教材與國外（美國、英國和日本等）相比，缺少“固態(tài)電子學(xué)”部分的知識，但是并沒有研究者對“固態(tài)電子學(xué)”內(nèi)容進(jìn)行深入分析。很明顯，在教材比較研究中，“固態(tài)電子學(xué)”板塊的內(nèi)容分析嚴(yán)重缺失。

美國高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)講了哪些內(nèi)容？ 我國高中物理教材中是否有涉及“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)知識？ 如果有，我國高中物理教材中的“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容與美國教材中的“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容有何差異？ 這些差異是否有可能會影響我國科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)？ 這些問題都值得進(jìn)一步深挖。筆者分別對中國《普通高中物理教科書（人教版）》（2019年版）[6]和美國最常用的高中物理教科書《物理原理與問題》[7]中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行比較，探尋中美教材中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)內(nèi)容的差異，明確我國教材的優(yōu)勢與不足，從解決芯片技術(shù)“卡脖子”問題的角度為教材編寫和人才培養(yǎng)提出建議。

2.1 美國高中物理教材“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)主要內(nèi)容

如圖1所示，美國物理教材“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)分成兩大板塊編寫，第一部分講固體是如何導(dǎo)電的。教材通過回憶晶體排列和原子能級等知識，引出能帶理論，并從能帶理論的角度重新區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。接著，通過介紹本征半導(dǎo)體的局限性，引入摻雜工藝，介紹p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的制作原理和特性。第二部分講電子元件，從生活中常用的電子器件引入，介紹了最基本、最簡單的兩個半導(dǎo)體器件（半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體三極管）的基本組成、制作原理和作用。最后，介紹了由導(dǎo)體、半導(dǎo)體、二極管和三極管等集成的微型芯片的制作工藝，并介紹了微型芯片在生活中的廣泛應(yīng)用。整個章節(jié)的編排邏輯層層遞進(jìn)，從基礎(chǔ)理論引入，到生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)束。

2.2 中美高中物理教材中“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)知識比較

中國高中物理教材中雖然沒有專設(shè)一章講“固態(tài)電子學(xué)”，但在各本書中均有相關(guān)知識點涉及。所以筆者進(jìn)一步整體比較了中美教材中與“固態(tài)電子學(xué)”相關(guān)的知識內(nèi)容的分布、主要知識點和要求掌握程度[8]，繪制出了如下表格（見表1、表2）。

通過對比兩國教材中所涉及的“固態(tài)電子學(xué)”知識，筆者發(fā)現(xiàn)我國教材中涉及的固態(tài)電子學(xué)知識具有科普應(yīng)用知識多、位置分布零散和要求掌握的程度低的特點。

首先，與美國教材相比，我國教材中“固態(tài)電子學(xué)”的科普應(yīng)用知識更多。我國教材對固態(tài)電子學(xué)相關(guān)知識的介紹大部分都是以滲透應(yīng)用的形式，比如在介紹靜電吸附的應(yīng)用時，由于靜電復(fù)印機(jī)中用到了有機(jī)光導(dǎo)體，所以滲透有機(jī)光導(dǎo)體的特性;在講授光的衍射時，簡單介紹了利用X射線衍射探測晶體結(jié)構(gòu)的方法，以及X 射線衍射技術(shù)的應(yīng)用成果。美國教材中所涉及的固態(tài)電子學(xué)知識則是理論更多。比如在講解固體熱膨脹的原因時，美國教材中將固體比作彈簧連接分子的集合，彈簧代表分子間的吸引力。當(dāng)固體加熱時，動能增加，振動加快，分子間距增大，這一比喻滲透了固體物理晶格動力學(xué)的假設(shè)。

其次，與美國教材相比，我國教材中固態(tài)電子學(xué)的知識分布更零散，在“序言”“正文”“旁批”“科學(xué)漫步”“拓展學(xué)習(xí)”和“腳注”各個欄目中都有分布。而美國教材中的固態(tài)電子學(xué)知識則較為集中，大部分內(nèi)容分布在“第二十九章 固態(tài)電子學(xué)”部分，知識點出現(xiàn)的位置均在教材正文部分。

最后，與美國教材相比，我國教材中固態(tài)電子學(xué)知識要求掌握的程度更低，深度不夠。由于教材中大部分固態(tài)電子學(xué)知識都是以滲透應(yīng)用的形式出現(xiàn)，很多內(nèi)容都分布在“拓展應(yīng)用”和“科學(xué)漫步”等要求掌握程度較低的欄目，新課標(biāo)對這些知識點的要求程度都在“了解”或“無要求”程度，且與美國教材相比，知識深度較低。比如在必修三中，我國教材介紹了金屬微觀結(jié)構(gòu)模型能解釋與金屬導(dǎo)電有關(guān)現(xiàn)象，但其未具體講明絕緣體和金屬電子運動難易程度差異的原因。而美國教材則在第二十章從電子運動難易程度的角度介紹了絕緣體和導(dǎo)體的區(qū)別，并通過金剛石和石墨的例子介紹了物體的導(dǎo)電性會隨著存在形態(tài)改變，讓學(xué)生理解了物質(zhì)的導(dǎo)電性是可變的。接著在第二十九章，從能帶理論的角度重新介紹導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，讓學(xué)生從根本上上理解影響物質(zhì)導(dǎo)電性的原因是物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生建立正確的物質(zhì)觀。

3 建議

基于上述比較，筆者從解決芯片技術(shù)卡脖子問題的角度提出以下建議。

1） 借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識

“固體物理”作為材料科學(xué)研究和發(fā)展的根基，推動了半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、納米材料等領(lǐng)域的發(fā)展[9]。一直以來，固體物理都是理工科學(xué)生的基礎(chǔ)前置課程，其對于培養(yǎng)研究型、創(chuàng)新型人才是至關(guān)重要的。盡管“固體物理”如此重要，但是其一直以“難學(xué)”著稱。筆者認(rèn)為有兩大原因，第一，“固體物理”是以量子力學(xué)和統(tǒng)計物理為基礎(chǔ)建立起來的，課程本身的難度就很大。許多同學(xué)量子力學(xué)統(tǒng)計物理都學(xué)不好，更遑論固體物理。第二，從認(rèn)知的角度看，知識的學(xué)習(xí)是螺旋式的，人們總是更容易接受一些熟悉的知識。我國高中物理中的“固態(tài)電子學(xué)”知識多為科普應(yīng)用知識，缺乏理論知識，深度較淺，這直接導(dǎo)致了學(xué)生對“固體物理”的基本認(rèn)識和興趣的缺乏，影響對技術(shù)人才的初期引導(dǎo)和培養(yǎng)。

美國教材中“固態(tài)電子學(xué)”章節(jié)是大學(xué)的“固體物理”課程的先導(dǎo)性知識，雖然不涉及很多復(fù)雜的運算，但卻可以讓學(xué)生了解固體物理的核心——能帶理論，讓學(xué)生分別從宏觀角度和微觀角度了解影響物體導(dǎo)電性能的因素，為學(xué)生搭建一個新的物質(zhì)觀。此外，教材還介紹了非本征半導(dǎo)體、半導(dǎo)體器件和微型芯片的制作原理、工藝流程和特性，并結(jié)合智能手機(jī)、電腦等產(chǎn)品，介紹了集成電路中半導(dǎo)體器件的重要性。這些內(nèi)容有利于幫助學(xué)生了解半導(dǎo)體器件、微型芯片的制作過程，拓寬學(xué)生的知識面，為學(xué)生未來學(xué)習(xí)電子學(xué)知識打下基礎(chǔ)。正如朱邦芬教授在其文章所說，中學(xué)物理知識不系統(tǒng)、不完整會導(dǎo)致高中物理學(xué)科體系的“碎片化”和中學(xué)生物理學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)性欠缺[10]。所以筆者認(rèn)為借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識對解決我國芯片技術(shù)卡脖子問題，培養(yǎng)科研人才是很有必要的。

2） 建議師范院校將“固體物理”課程設(shè)為必修

筆者統(tǒng)計了校友排名靠前的20所師范大學(xué)的物理師范專業(yè)人才培養(yǎng)方案，發(fā)現(xiàn)雖然所有高校都開設(shè)了“固體物理”這門課程，但有近40%的院校未將“固體物理”設(shè)為必修課程。由于“固體物理”課程難度較大，令人望而生畏，因此大部分師范生并不會主動選修 “固體物理”，這會導(dǎo)致很多高中物理老師自身就缺乏對“固體物理”基本認(rèn)識。我國現(xiàn)在使用的高中物理教材中還有部分與“固體物理”相關(guān)的知識，比如壓電效應(yīng)、X射線衍射、掃描隧道顯微鏡等[11]。如果教師沒有學(xué)習(xí)過“固體物理”，自然也無法給學(xué)生講好這部分內(nèi)容。“固體物理”不僅是對大學(xué)物理知識的拓展與升華，而且能夠開拓教師的眼界，增強(qiáng)教師遇到問題解決問題的能力，所以筆者建議師范院校將“固體物理”課程設(shè)為必修。

4 結(jié)語

通過教材比較可以發(fā)現(xiàn)，我國教材中涉及固態(tài)電子學(xué)的科普應(yīng)用知識較多，滲透了相關(guān)科技前沿和應(yīng)用，有利于拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。但其中理論知識較少，深度較為缺乏，新課標(biāo)對這部分內(nèi)容的要求也停留在了解程度，對學(xué)生未來學(xué)習(xí)固體物理相關(guān)理論知識幫助不大。美國教材中固態(tài)電子學(xué)知識則更為集中且深入，既有利于學(xué)生了解電子技術(shù)行業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生對此行業(yè)的興趣，又降低了大學(xué)學(xué)習(xí)理工科相關(guān)知識的難度。筆者建議借鑒美國教材，在高中物理教材中增加“固態(tài)電子學(xué)”基礎(chǔ)理論知識，將師范院校的“固體物理”課程設(shè)為必修，從學(xué)生培養(yǎng)和老師培養(yǎng)兩個方面改進(jìn)現(xiàn)有物理教育，為解決芯片技術(shù)卡脖子問題打好基礎(chǔ)。