淺談熱電材料與器件課堂教學(xué)研究

1、淺談熱電材料與器件課堂教學(xué)研究摘要熱電材料與器件課程存在教學(xué)手段單一、理論較深?yuàn)W、知識(shí)跨度大、內(nèi)容更新快等教學(xué)難點(diǎn)。根據(jù)不同章節(jié)的難易程度以及側(cè)重點(diǎn)，本文提出了需求牽引、專題、學(xué)術(shù)報(bào)告、理論與實(shí)踐相結(jié)合、學(xué)生自主性學(xué)習(xí)等多種課堂教學(xué)手段，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，改善課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)能適應(yīng)新能源材料領(lǐng)域發(fā)展需求的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型人才。關(guān)鍵詞高等教育；熱電材料與器件；教學(xué)改革；教學(xué)手段；教學(xué)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(jī)必須大力開發(fā)和推廣資源豐富、價(jià)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(yīng)實(shí)現(xiàn)熱

2、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(lǐng)域占有十分重要的地位1。熱電器件主要應(yīng)用于制冷和發(fā)電兩個(gè)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(shè)備電源、物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)電源、地?zé)釡夭畎l(fā)電、廢熱/余熱發(fā)電等對(duì)我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展有重要影響的新能源技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)域研究的主力軍，但大多數(shù)從事相關(guān)研究的碩士、博士生都是零基礎(chǔ)，因而本科階段開展相關(guān)課程知識(shí)體系的學(xué)習(xí)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(shù)企業(yè)的發(fā)展需求，深圳大學(xué)材料學(xué)

3、院為新能源材料與器件特色班三年級(jí)本科生開設(shè)了熱電材料與器件課程。但在課堂教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式單一、教材涉及領(lǐng)域眾多、前后知識(shí)不連貫、知識(shí)更新快、對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)要求較高、偏重基本理論學(xué)習(xí)而忽視具體實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高、知識(shí)掌握程度不深、課堂教學(xué)效果有限。針對(duì)以上問題，筆者對(duì)熱電材料與器件課堂教學(xué)手段進(jìn)行了初步的探索和設(shè)計(jì)，力求調(diào)動(dòng)學(xué)生求知欲和上課積極性，改善課堂教學(xué)效果。1熱電材料與器件課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)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(gè)章節(jié)展開詳細(xì)介紹，從而使學(xué)生

4、對(duì)熱電材料與器件能有比較全面的理解。該課程的主要教學(xué)目的是讓學(xué)生深入理解熱電材料的化學(xué)成分材料制備與表征微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，是對(duì)學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)的一次全方位的梳理；是新能源材料與器件特色班學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)中不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)；可為學(xué)生未來在新能源材料領(lǐng)域進(jìn)一步深造或從事相關(guān)的專業(yè)技術(shù)工作提供良好的專業(yè)基礎(chǔ)。2熱電材料與器件課程的教學(xué)特點(diǎn)與難點(diǎn)(1)開設(shè)該課程的學(xué)校較少，可供參考的教學(xué)模式、教學(xué)手段幾乎為零，需要授課人精心準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容。通行的PPT加板書這一種傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段，使得大多數(shù)學(xué)生感到課程枯燥無味，提不起興趣，課堂學(xué)習(xí)效果不理想。即使學(xué)生能被動(dòng)性的接受課堂教學(xué)內(nèi)容，也很難發(fā)散性的掌握

5、內(nèi)容精髓，無法起到舉一反三的教學(xué)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(duì)于基礎(chǔ)較薄弱的本科生而言，很難理解，致使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，參與度低3。一些概念和原理較抽象，涉及到無機(jī)/有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、大學(xué)物理、固體物理、半導(dǎo)體物理、材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等相關(guān)知識(shí)。對(duì)教師而言，如何將深?yuàn)W難懂的材料、物理、化學(xué)知識(shí)用通俗易懂的語言講清楚、講透徹是提升學(xué)生上課積極性和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的關(guān)鍵。(3)該課程涉及到了材料領(lǐng)域方方面面的知識(shí)，不僅涉及到材料科學(xué)的四要素：成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能之間的關(guān)系，更涉及到了熱電發(fā)展歷史與應(yīng)用、熱電基本理論、熱電材料性能優(yōu)化策略、熱電材

6、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(xué)內(nèi)容多、知識(shí)跨度大、相互關(guān)聯(lián)性差，在學(xué)習(xí)過程中對(duì)學(xué)生知識(shí)體系的全面性要求比較高。如何在教學(xué)過程中，針對(duì)不同章節(jié)、不同內(nèi)容，采取不同的教學(xué)手段，讓學(xué)生掌握課程的邏輯架構(gòu)至關(guān)重要。(4)該領(lǐng)域一直處于國內(nèi)外研究的前沿，知識(shí)點(diǎn)分散、內(nèi)容更新快，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新觀點(diǎn)、新物理層錯(cuò)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(diǎn)；從熱電材料方面講，從傳統(tǒng)的窄帶隙半導(dǎo)體熱電材料到最近幾年提出的寬帶隙半導(dǎo)體、拓?fù)浣^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(shù)到現(xiàn)在各類塊體的

7、粉末冶金技術(shù)以及納米薄膜、納米線、納米粉體制備技術(shù)；從晶體缺陷方面講，從傳統(tǒng)的點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、納米晶和納米第二相設(shè)計(jì)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(gè)維度到現(xiàn)在軌道與自旋兩個(gè)新維度的引入；從傳統(tǒng)低熵?zé)犭姴牧系浆F(xiàn)在高熵?zé)犭姴牧?；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(jìn)展與思路，而與當(dāng)下的研究熱點(diǎn)與最新成果相脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維與對(duì)最新知識(shí)的掌握，需要授課教師及時(shí)將國內(nèi)外最新發(fā)展成果總結(jié)成系統(tǒng)的理論知識(shí)。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(diǎn)，優(yōu)化課程內(nèi)容，把握難點(diǎn)和重點(diǎn)，進(jìn)行熱電材料與器件課堂

8、教學(xué)手段探討與實(shí)踐等必要的教學(xué)改革，以宏觀應(yīng)用場景和具體產(chǎn)品介紹、交叉學(xué)科成熟知識(shí)體系、學(xué)術(shù)報(bào)告、理論與實(shí)踐相結(jié)合以及學(xué)生調(diào)研并匯報(bào)等多種方式進(jìn)行授課，對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生上課積極性、改善課堂教學(xué)效果具有重要的意義。3熱電材料與器件課程的教學(xué)手段改革探索總體課堂教學(xué)手段改革實(shí)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(xué)術(shù)報(bào)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(shí)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(xué)生為主的自主性學(xué)習(xí)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(xué)

9、生興趣導(dǎo)向?qū)嶋H應(yīng)用與社會(huì)需求決定了材料研究的意義。針對(duì)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(yīng)用前景，如深空探測電源、極地自供電電源、柔性可穿戴設(shè)備自供電電源、地?zé)釡夭畎l(fā)電、面向5G應(yīng)用的芯片制冷等高精尖應(yīng)用領(lǐng)域，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；以已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的半導(dǎo)體溫差自動(dòng)攪拌杯(利用熱電發(fā)電原理)和半導(dǎo)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(qiáng)學(xué)生對(duì)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(lǐng)域的重大貢獻(xiàn)，提高學(xué)生的民族自豪感和未來投身于新能源材料領(lǐng)域研究的熱情。3.2以專題講解的形

10、式，提高學(xué)生理論學(xué)習(xí)的動(dòng)力第二章熱電基本理論相關(guān)內(nèi)容涉及固體物理、半導(dǎo)體物理、物理化學(xué)、無機(jī)/有機(jī)化學(xué)、材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等相關(guān)知識(shí)。現(xiàn)在熱電書籍針對(duì)的是從事熱電研究的碩、博士，內(nèi)容簡略，對(duì)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(lǐng)域的基本理論。授課過程中，相關(guān)內(nèi)容將借鑒相關(guān)學(xué)科成熟的理論體系，化繁為簡，注重與其他專業(yè)基礎(chǔ)課程在內(nèi)容上的相互補(bǔ)充，但又力求避免重疊。本章內(nèi)容將以七個(gè)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(yīng)、載流子與聲子、能帶理論、載流子濃度、載流子的散射、熱導(dǎo)率及聲子的散射、最小遷移率與晶格熱導(dǎo)率，從而提高學(xué)生理論學(xué)習(xí)的動(dòng)力。例如，介

11、紹載流子的濃度、遷移率與有效質(zhì)量時(shí)，將以半導(dǎo)體物理學(xué)科中成熟的內(nèi)容為基準(zhǔn)；介紹聲子與熱導(dǎo)率時(shí)，將結(jié)合固體物理、材料物理性能、材料熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)；介紹晶體缺陷對(duì)載流子與聲子散射的影響時(shí)，將融合材料科學(xué)基礎(chǔ)中的點(diǎn)(空位、間隙原子、置換原子)、線(刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò))、面(晶界、相界、層錯(cuò))、體(第二相、孔洞)四大類缺陷的知識(shí)。通過不同領(lǐng)域交叉、不同學(xué)科互補(bǔ)的理論學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)不同學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通的能力4。3.3以學(xué)術(shù)報(bào)告的形式，調(diào)動(dòng)學(xué)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(dǎo)率的優(yōu)化策略以及雙極擴(kuò)散效應(yīng)的抑制機(jī)制；第四章典型熱電材

12、料選取低溫(碲化鉍)、中溫(碲化鉛)和高溫(GeSi)應(yīng)用的三大類典型熱電材料為例，詳細(xì)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(guān)教學(xué)內(nèi)容不以典型的課本知識(shí)為主，而是以國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的典型成果為主，進(jìn)行歸納整合，梳理教學(xué)內(nèi)容，并以學(xué)術(shù)報(bào)告的形式介紹相關(guān)內(nèi)容。授課過程，以問題開始，調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心；針對(duì)每一種具體的熱電材料，介紹其優(yōu)缺點(diǎn)，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(guān)問題的思路、辦法、途徑和具體效果；點(diǎn)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(shí)時(shí)更新，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力以及掌握材料科學(xué)研究問題的方法，為以后進(jìn)入工

13、作崗位奠定基礎(chǔ)。3.4以理論與實(shí)踐結(jié)合的形式，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)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(jī)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(xué)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(jī)、球磨機(jī)、電弧爐、高頻熔煉爐、放電等離子體燒結(jié)爐、金剛石切割機(jī)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(dǎo)率測試儀、激光熱導(dǎo)儀和熱電轉(zhuǎn)換效率測試儀等。通過理論與實(shí)踐結(jié)合的方

14、式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生從解決實(shí)際問題的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)其動(dòng)手能力和實(shí)踐能力5。3.5以學(xué)生自主性學(xué)習(xí)的形式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性針對(duì)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?zé)犭姴牧?、新物理自旋熱電、新材料拓?fù)浣^緣體和半金屬、新方向電、熱、磁三國演義等六個(gè)方面介紹熱電材料最新研究成果。在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生從六個(gè)最新的研究焦點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行文獻(xiàn)收集、閱讀、PPT展示和講演，充分調(diào)動(dòng)其求知、求新的主動(dòng)性。以教師點(diǎn)評(píng)和學(xué)生提問相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生將文獻(xiàn)閱讀心得與任課教師和同學(xué)在課堂上分享，控制好課堂交流討論時(shí)間，增強(qiáng)學(xué)生分析、解決問題的能力，改善其進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告的能力，

15、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，將“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，培養(yǎng)其終身學(xué)習(xí)的好習(xí)慣6。完善考核和評(píng)價(jià)體系，增加學(xué)生自主性學(xué)習(xí)在平時(shí)成績中的比重。4結(jié)語開設(shè)熱電材料與器件課程是新形勢下培育新能源材料領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的重要舉措。在知識(shí)體系不完全成系統(tǒng)、知識(shí)點(diǎn)繁多的熱電材料與器件的課程教學(xué)中，理清教學(xué)主線和課程脈絡(luò)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不止依賴于專業(yè)教科書的內(nèi)容，而是結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研與交叉學(xué)科成熟的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)容上錘煉和重點(diǎn)、難點(diǎn)的把握，積極探索不拘一格的課堂教學(xué)手段，對(duì)改善課堂教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。筆者提出根據(jù)不同章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)并實(shí)踐不同的教學(xué)手段和模式。不止讓學(xué)生掌握特定的書本知識(shí)，而是從應(yīng)用需求、具體產(chǎn)品出發(fā)

16、，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣；結(jié)合交叉學(xué)科成熟的知識(shí)體系，以專題形式介紹熱電基本理論，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)不同學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通的能力；從學(xué)術(shù)研究的角度，以問題導(dǎo)向，促使學(xué)生主動(dòng)思考為什么、做什么及怎么做，增強(qiáng)學(xué)生思考問題和解決問題的能力；以理論和實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力；鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行一些前沿文獻(xiàn)的閱讀及分享，通過教師講解和學(xué)生自主性學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。通過熱電材料與器件課堂教學(xué)手段的改革與探索，培養(yǎng)出能適應(yīng)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(shù)專業(yè)人才。參考文獻(xiàn)1楊青雨，仇鵬飛，史訊，等熵工程在熱電材料中的應(yīng)用J無機(jī)