熱電材料與器件課堂教學研究

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[摘要]《熱電材料與器件》課程存在教學手段單一、理論較深奧、知識跨度大、內(nèi)容更新快等教學難點。根據(jù)不同章節(jié)的難易程度以及側(cè)重點，本文提出了需求牽引、專題、學術報告、理論與實踐相結(jié)合、學生自主性學習等多種課堂教學手段，從而提高學生的學習主動性，改善課堂教學質(zhì)量，培養(yǎng)能適應新能源材料領域發(fā)展需求的創(chuàng)新型、應用型、復合型人才。

[關鍵詞]高等教育；熱電材料與器件；教學改革；教學手段；教學內(nèi)容

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益消耗及其產(chǎn)生的環(huán)境問題日益突出，解決全球能源危機必須大力開發(fā)和推廣資源豐富、價格低廉、環(huán)保無害的新能源材料。熱電轉(zhuǎn)換材料是一種可以利用Seebeck和Peltier效應實現(xiàn)熱能-電能之間直接相互轉(zhuǎn)換的清潔能源材料，在新能源材料領域占有十分重要的地位[1]。熱電器件主要應用于制冷和發(fā)電兩個方面，在電子元器件(如芯片、功率放大器、光通信激光二極管、高性能CPU等)的控溫與制冷、深空探測電源(即同位素溫差發(fā)電器RTG)、柔性可穿戴設備電源、物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點電源、地熱溫差發(fā)電、廢熱/余熱發(fā)電等對我國循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展有重要影響的新能源技術領域中具有潛在的龐大市場[2]。目前，中國已成為熱電材料與器件領域研究的主力軍，但大多數(shù)從事相關研究的碩士、博士生都是零基礎，因而本科階段開展相關課程知識體系的學習和研究顯得尤為重要。立足于大灣區(qū)新能源材料等高新技術企業(yè)的發(fā)展需求，深圳大學材料學院為新能源材料與器件特色班三年級本科生開設了《熱電材料與器件》課程。但在課堂教學過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學模式單一、教材涉及領域眾多、前后知識不連貫、知識更新快、對學生理論基礎要求較高、偏重基本理論學習而忽視具體實踐，導致學生學習主動性不高、知識掌握程度不深、課堂教學效果有限。針對以上問題，筆者對《熱電材料與器件》課堂教學手段進行了初步的探索和設計，力求調(diào)動學生求知欲和上課積極性，改善課堂教學效果。

1《熱電材料與器件》課程的教學內(nèi)容設計

《熱電材料與器件》課程圍繞熱電發(fā)展歷史與未來、熱電基本理論、熱電材料性能優(yōu)化策略、典型熱電材料、熱電材料制備與表征、熱電器件集成與測試、熱電發(fā)展前沿等七個章節(jié)展開詳細介紹，從而使學生對熱電材料與器件能有比較全面的理解。該課程的主要教學目的是讓學生深入理解熱電材料的化學成分—材料制備與表征—微觀結(jié)構(gòu)與性能的關系，是對學生所學專業(yè)知識的一次全方位的梳理；是新能源材料與器件特色班學生專業(yè)培養(yǎng)中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)；可為學生未來在新能源材料領域進一步深造或從事相關的專業(yè)技術工作提供良好的專業(yè)基礎。

2《熱電材料與器件》課程的教學特點與難點

(1)開設該課程的學校較少，可供參考的教學模式、教學手段幾乎為零，需要授課人精心準備教學內(nèi)容。通行的PPT加板書這一種傳統(tǒng)課堂教學手段，使得大多數(shù)學生感到課程枯燥無味，提不起興趣，課堂學習效果不理想。即使學生能被動性的接受課堂教學內(nèi)容，也很難發(fā)散性的掌握內(nèi)容精髓，無法起到舉一反三的教學效果。(2)該課程專業(yè)書籍是面向從事熱電研究的碩、博生，內(nèi)容較為簡略，對于基礎較薄弱的本科生而言，很難理解，致使學生學習興趣不高，參與度低[3]。一些概念和原理較抽象，涉及到無機/有機化學、物理化學、材料科學基礎、大學物理、固體物理、半導體物理、材料熱力學與動力學等相關知識。對教師而言，如何將深奧難懂的材料、物理、化學知識用通俗易懂的語言講清楚、講透徹是提升學生上課積極性和學習主動性的關鍵。(3)該課程涉及到了材料領域方方面面的知識，不僅涉及到材料科學的四要素：成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間的關系，更涉及到了熱電發(fā)展歷史與應用、熱電基本理論、熱電材料性能優(yōu)化策略、熱電材料制備及器件組裝工藝、熱電材料及器件表征手段與性能測試等等。課程涵蓋范圍廣、教學內(nèi)容多、知識跨度大、相互關聯(lián)性差，在學習過程中對學生知識體系的全面性要求比較高。如何在教學過程中，針對不同章節(jié)、不同內(nèi)容，采取不同的教學手段，讓學生掌握課程的邏輯架構(gòu)至關重要。(4)該領域一直處于國內(nèi)外研究的前沿，知識點分散、內(nèi)容更新快，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新觀點、新物理層錯不窮。從材料維度方面講，從傳統(tǒng)的三維塊體到現(xiàn)在的二維薄膜、一維納米線和零維量子點；從熱電材料方面講，從傳統(tǒng)的窄帶隙半導體熱電材料到最近幾年提出的寬帶隙半導體、拓撲絕緣體和半金屬熱電材料；從制備工藝方面講，從傳統(tǒng)的定向凝固技術到現(xiàn)在各類塊體的粉末冶金技術以及納米薄膜、納米線、納米粉體制備技術；從晶體缺陷方面講，從傳統(tǒng)的點缺陷、位錯、納米晶和納米第二相設計到最近的納米孿晶研究；從物理角度講，從傳統(tǒng)的電荷與聲子兩個維度到現(xiàn)在軌道與自旋兩個新維度的引入；從傳統(tǒng)低熵熱電材料到現(xiàn)在高熵熱電材料；從傳統(tǒng)電聲耦合到現(xiàn)在電、熱、磁相耦合。按照教科書的內(nèi)容照本宣科，往往只反映了十幾年前的研究進展與思路，而與當下的研究熱點與最新成果相脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維與對最新知識的掌握，需要授課教師及時將國內(nèi)外最新發(fā)展成果總結(jié)成系統(tǒng)的理論知識。因此，筆者提出根據(jù)不同章節(jié)、不同內(nèi)容的難易程度以及側(cè)重點，優(yōu)化課程內(nèi)容，把握難點和重點，進行《熱電材料與器件》課堂教學手段探討與實踐等必要的教學改革，以宏觀應用場景和具體產(chǎn)品介紹、交叉學科成熟知識體系、學術報告、理論與實踐相結(jié)合以及學生調(diào)研并匯報等多種方式進行授課，對于激發(fā)學生學習興趣、調(diào)動學生上課積極性、改善課堂教學效果具有重要的意義。

3《熱電材料與器件》課程的教學手段改革探索

總體課堂教學手段改革實施方案如下：需求牽引形式(第一章《熱電發(fā)展歷史與未來》)—專題講解形式(第二章《熱電基本理論》)—教師為主的學術報告形式(第三章《熱電材料性能優(yōu)化策略》和第四章《典型熱電材料》)—理論與實踐結(jié)合的形式(第五章《熱電材料的制備與表征》和第六章《熱電器件的集成與測試》)—學生為主的自主性學習形式(第七章《熱電發(fā)展前沿》)。

3.1以需求牽引的形式，提升學生興趣導向

實際應用與社會需求決定了材料研究的意義。針對第一章《熱電發(fā)展歷史與未來》，以滿足綠色環(huán)保需求為前提，結(jié)合國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，向?qū)W生介紹熱電材料與器件的發(fā)展歷程及其面向未來的重大應用前景，如深空探測電源、極地自供電電源、柔性可穿戴設備自供電電源、地熱溫差發(fā)電、面向5G應用的芯片制冷等高精尖應用領域，提升學生學習興趣；以已經(jīng)商業(yè)化應用的半導體溫差自動攪拌杯(利用熱電發(fā)電原理)和半導體制冷/加熱杯(利用熱電制冷/加熱原理)等產(chǎn)品的具體展示，增強學生對熱電材料與器件的直觀感受；闡述熱電發(fā)展歷程中，中國在該領域的重大貢獻，提高學生的民族自豪感和未來投身于新能源材料領域研究的熱情。

3.2以專題講解的形式，提高學生理論學習的動力

第二章《熱電基本理論》相關內(nèi)容涉及固體物理、半導體物理、物理化學、無機/有機化學、材料熱力學與動力學、材料科學基礎等相關知識。現(xiàn)在熱電書籍針對的是從事熱電研究的碩、博士，內(nèi)容簡略，對于本科生而言，往往不懂其中的來龍去脈，無法真正掌握熱電材料領域的基本理論。授課過程中，相關內(nèi)容將借鑒相關學科成熟的理論體系，化繁為簡，注重與其他專業(yè)基礎課程在內(nèi)容上的相互補充，但又力求避免重疊。本章內(nèi)容將以七個專題的形式講解熱電基本理論，具體包括：熱電三大基本效應、載流子與聲子、能帶理論、載流子濃度、載流子的散射、熱導率及聲子的散射、最小遷移率與晶格熱導率，從而提高學生理論學習的動力。例如，介紹載流子的濃度、遷移率與有效質(zhì)量時，將以半導體物理學科中成熟的內(nèi)容為基準；介紹聲子與熱導率時，將結(jié)合固體物理、材料物理性能、材料熱力學的相關知識；介紹晶體缺陷對載流子與聲子散射的影響時，將融合材料科學基礎中的點(空位、間隙原子、置換原子)、線(刃型位錯與螺型位錯)、面(晶界、相界、層錯)、體(第二相、孔洞)四大類缺陷的知識。通過不同領域交叉、不同學科互補的理論學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，增強學生對不同學科知識融會貫通的能力[4]。

3.3以學術報告的形式，調(diào)動學生求知欲

第三章《熱電材料性能優(yōu)化策略》主要講載流子濃度、載流子遷移率、塞貝克系數(shù)、晶格熱導率的優(yōu)化策略以及雙極擴散效應的抑制機制；第四章《典型熱電材料》選取低溫(碲化鉍)、中溫(碲化鉛)和高溫(GeSi)應用的三大類典型熱電材料為例，詳細介紹其基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、性能優(yōu)化策略、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。相關教學內(nèi)容不以典型的課本知識為主，而是以國內(nèi)外學術研究的典型成果為主，進行歸納整合，梳理教學內(nèi)容，并以學術報告的形式介紹相關內(nèi)容。授課過程，以問題開始，調(diào)動學生的好奇心；針對每一種具體的熱電材料，介紹其優(yōu)缺點，尤其是限制其獲得高性能的核心問題；再介紹國內(nèi)外研究者解決相關問題的思路、辦法、途徑和具體效果；點明目前研究中存在的問題，指明下一步可能的發(fā)展方向，注重內(nèi)容的實時更新，培養(yǎng)學生思考問題、解決問題的能力以及掌握材料科學研究問題的方法，為以后進入工作崗位奠定基礎。

3.4以理論與實踐結(jié)合的形式，提高學生對知識掌握的程度

第五章《熱電材料的制備與表征》主要介紹熱電材料的常見制備方法以及電熱傳輸性能的測試機理；第六章《熱電器件的集成與測試》主要介紹熱電制冷和發(fā)電器件的組成結(jié)構(gòu)、集成工藝以及熱電器件的性能(如能量轉(zhuǎn)換效率、制冷溫差、輸出功率等)測試方法。除了課堂上理論講解材料與器件制備以及性能測試的基本原理，還要求學生親自觀看并操作常見的熱電材料制備儀器，包括箱式爐、封管機、球磨機、電弧爐、高頻熔煉爐、放電等離子體燒結(jié)爐、金剛石切割機等，以及熱電材料性能及器件測試儀器，包括塞貝克系數(shù)/電導率測試儀、激光熱導儀和熱電轉(zhuǎn)換效率測試儀等。通過理論與實踐結(jié)合的方式，提升學生學習興趣，引導學生從解決實際問題的角度設計實驗，培養(yǎng)其動手能力和實踐能力[5]。

3.5以學生自主性學習的形式，提高學生的學習主動性

針對第七章《熱電發(fā)展前沿》，授課老師先從新維度—低維結(jié)構(gòu)、新界面—納米孿晶、新思路—高熵熱電材料、新物理—自旋熱電、新材料—拓撲絕緣體和半金屬、新方向—電、熱、磁三國演義等六個方面介紹熱電材料最新研究成果。在此基礎上，指導學生從六個最新的研究焦點出發(fā)進行文獻收集、閱讀、PPT展示和講演，充分調(diào)動其求知、求新的主動性。以教師點評和學生提問相結(jié)合，鼓勵學生將文獻閱讀心得與任課教師和同學在課堂上分享，控制好課堂交流討論時間，增強學生分析、解決問題的能力，改善其進行學術報告的能力，提高學生學習的自主性，將“要我學”變?yōu)椤拔乙獙W”，培養(yǎng)其終身學習的好習慣[6]。完善考核和評價體系，增加學生自主性學習在平時成績中的比重。

4結(jié)語

開設《熱電材料與器件》課程是新形勢下培育新能源材料領域?qū)I(yè)人才的重要舉措。在知識體系不完全成系統(tǒng)、知識點繁多的《熱電材料與器件》的課程教學中，理清教學主線和課程脈絡，進行模塊化設計，不止依賴于專業(yè)教科書的內(nèi)容，而是結(jié)合文獻調(diào)研與交叉學科成熟的相關知識點進行內(nèi)容上錘煉和重點、難點的把握，積極探索不拘一格的課堂教學手段，對改善課堂教學質(zhì)量至關重要。筆者提出根據(jù)不同章節(jié)的教學內(nèi)容，設計并實踐不同的教學手段和模式。不止讓學生掌握特定的書本知識，而是從應用需求、具體產(chǎn)品出發(fā)，調(diào)動學生的求知欲和學習興趣；結(jié)合交叉學科成熟的知識體系，以專題形式介紹熱電基本理論，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，增強學生對不同學科知識融會貫通的能力；從學術研究的角度，以問題導向，促使學生主動思考為什么、做什么及怎么做，增強學生思考問題和解決問題的能力；以理論和實踐相結(jié)合，加強學生對授課內(nèi)容的掌握程度，培養(yǎng)學生的動手能力和實踐能力；鼓勵學生進行一些前沿文獻的閱讀及分享，通過教師講解和學生自主性學習的有機結(jié)合，促進學生養(yǎng)成自主學習和終身學習的好習慣。通過《熱電材料與器件》課堂教學手段的改革與探索，培養(yǎng)出能適應粵港澳大灣區(qū)新能源材料與器件產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展所需求的科研和技術專業(yè)人才。

參考文獻

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[3]陳立冬，劉睿恒，史訊．熱電材料與器件[M]．北京：科學出版社，2018．

[4]劉高陽，王新東．多學科交叉融合的工科教育多場景應用科教平臺[J]．中國冶金教育，2020，(06)：44-48．

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[6]武鈺敏．愛爾蘭高校自主性學習教學建設的啟示[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20(05)：256-257．

作者：胡利鵬 單位：深圳大學材料學院