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【研究生精品课程】真“材”实“料”让学生眼里有光——光电科学与工程学院《敏感材料与传感器》课程的教学探索
发布于:2022年09月21日 10:56   |   作者:[研究生院] 6766澳门联合直营办公室   |   浏览次数:586

      金属敏感材料、陶瓷敏感材料、半导体材料、高分子敏感材料、新型红外传感器、新型气体传感器、电子聚合物基湿度传感器……在光电科学与工程学院谢光忠教授的课堂上,每节课都充满了真“材”实“料”。

      这门研究生课程名为《敏感材料与传感器》,是学院的学位课,也是特色课。在谢光忠教授的生动讲述下,这些敏感材料的神奇特性逐一精彩呈现,让学生对各种敏感材料及传感器有了深刻理解,激发了好奇心和求知欲,并通过大量科研实例培养学生的创新能力。 


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谢光忠教授为学生授课

讲透基础概念,夯实理论基础

     传感器是信息社会的重要基础,更是“网联万物”的关键。传感器技术与通信技术、计算机技术并称为信息社会的三大技术支柱,被广泛应用于家电、医疗、安保、环境监测、资源探测、海洋开发、智慧制造、现代农业、航空航天等与国计民生密切相关的领域。

     传感器技术的多学科交叉特点和包括万象的内容,为学懂弄通它带来了巨大的挑战。它汇聚了物理、化学、材料、器件、机械、电子、生物工程等诸多学科,而且可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等大类,每个大类又包含几万个小类。

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      面对交叉、复合、点多、面广的丰富内容,如何构筑清晰的主线,并讲清讲透基础概念、基本原理,让学生在有限的学时里深刻理解、系统把握,对于教学来说是一大难点。谢光忠教授说:“任何一个人都不可能把所有的传感器都搞懂,所以,上课必须抓基础、抓关键。”

      经过多年教学实践,这门课程最终凝练出了九章内容。谢光忠教授认为,这门课的重点是陶瓷材料和半导体材料以及红外传感器和气体传感器,陶瓷材料又是重中之重。他强调说:“弄通陶瓷材料,对其他章节的学习都大有裨益。”

      谢光忠教授上课不求大而全,而是抓住重点,力求简洁,让学生在掌握重点知识内容的过程中,从理解基础概念、基本原理做起,并掌握自学的方法。他把所有的课件提前共享给学生,引导和督促学生提前自学。

      在课堂上,他常用一条线串起很多点、牵出一个面,引导学生循序渐进、逐步深入。在讲“非制冷红外焦平面阵列”时,他首先讲“红外”“焦平面”的概念,再分析“热成像”的方式,并以生活中常见的“红外热像仪”为例讲解“热成像”的基本原理。接着,他引导大家更深入思考“为什么‘非制冷’做的是‘微桥结构’?”“在做超大规模红外焦平面时,可否把几个焦平面拼接起来?”等一系列问题。

      为了让内容更易懂,他在讲解较为抽象的知识时,常用类比的方法帮助学生加深理解。例如,怎么样判断一个传感器系统动态特性的好坏呢?由于无法给系统中所有的信号进行激励并评估其动态响应,通常的做法是:给系统一个正弦激励信号,研究其频率响应;再给系统一个脉冲信号,研究其时间响应。他形象地告诉学生:“这就像用考试来评价大家的学习成效一样,不用把所有的知识点考一遍,而是可以选择重点的内容进行测试。”

    “谢老师讲课风趣幽默,让我们能在愉快的氛围中掌握理论知识,这也反映出谢老师深厚的学术功底,只有真正懂得它的人才能深入浅出地讲透它。”光电学院2021级研究生陆海军表示,“在这门课程中,我学习了敏感材料和传感器的丰富知识,也学到了科研的方法,收获很大。”

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注重思维训练,开阔学术视野

      掌握基础知识是学习的第一步,提升创新能力才是课程的核心目的。谢光忠教授表示,“希望通过这门课程提升学生对传感器的基本原理、工艺和应用等方面的认知,进而形成从事科学研究的系统性思维方式。”

      在讲课时,谢光忠教授很注重启发学生思考,引导学生沿着一个问题不断追问,发现新的现象、探索新的问题、获得新的知识。

      在第四章讲解半导体的基础物性时,他先介绍“能带”“禁带”“价带”“导带”等基本概念,随后话锋一转,引导同学们思考:在理论上,“禁带”是指“带隙不存在电子的能级”,但实际上,半导体材料可能存在杂质或缺陷,这对半导体材料的“能带”会产生什么影响?“能带”变化后的半导体材料,又如何对他们归类区分呢?……一系列“延伸性”问题层层递进,激发了学生的求知欲。

      他甚至把哲学思维融入课堂,引导学生辩证地看待事物。

      红外辐射在大气中传播时,由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用,会使辐射能量在传输过程中逐渐衰减。其中,红外辐射在通过大气层时“透过率”比较高的三个波段,即2-2.6μm、3-5μm和8-14μm,被称为三个“大气窗口”。

      这三个“大气窗口”对红外技术应用特别重要,因为一般红外探测仪器都工作在这三个波段之内。然而,真正的问题来了!谢光忠教授启发学生:这三个“大气窗口”之外的波段,为什么“透过率”很低呢?肯定是红外能量被吸收掉了,那么,是被空气中的什么成分吸收的呢?空气中的每种成分,吸收红外的能力有多强? 

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      讲到红外能量被吸收的问题时,他启发学生,同学们只关心红外的“透过率”,就会觉得“被吸收”是一件“坏事”。为什么我们不利用这种“被吸收”的现象呢?大家知道二氧化碳会吸收红外,那么,它到底对什么波长的红外吸收率最高呢?我们知道二氧化碳的浓度越大,吸收得红外就越多,输出的光强就越小,那么,可不可以用红外来测二氧化碳的浓度呢?

      正所谓“祸兮福之所倚,福兮祸之所伏”,“失败”也可以转化为“成功之母”。谢光忠教授启发学生,无论是做学术研究,还是走人生道路,都要有唯物辩证法的哲学观念,即便遇到挫折,也不要立即定性它就是失败,如果换一种视角,我们就可以反向利用、变废为宝。

谢光忠教授讲课时,常基于教材但超越教材。他会在教学过程中引入大量的科研案例,培养学生的科研思维和创新能力。这些案例包括他所在的教研室所做的最新研究成果,以及国内外的前言研究,让学生扩展学术视野。为了让学生更好地感受学术研究、掌握研究方法,他还会引用硕士、博士所做的项目,让学生体会怎么做选题、怎么设计实现方案。

深化科研育人,提升创新能力

      把科研与教学结合起来,是提升研究生创新能力的重要途径。谢光忠教授指出,通过系统性地对相关传感器的国家需求、技术瓶颈、研究思路、关键技术及研究成果等进行剖析,可以弥补课堂教学知识传授形式的理论和实践脱节等不足,提升研究生认知水平和思考能力,以及从事科学研究及未来承担科研项目的技能。

      谢光忠教授长期从事光电薄膜与敏感电子学领域,尤其是敏感薄膜与传感器技术方向的科研工作,入选教育部新世纪优秀人才计划、四川省学术和技术带头人后备人选及第九批成都市有突出贡献的专家,作为主研或负责人参加研项目20余项,作为主研获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项,省部级项9项,发表高水平科研论文100余篇。

      他所在课题组面向国家安全和社会民生领域需求,承担了多项科技部重大专项、国家自然科学基金项目以及诸多面上项目,设计碳氮、有毒有害气体传感器以及红外、光电等传感器等研究领域。这些都是开展“科研育人”的良好载体和丰富素材。

在他的课程中,学生根据自己的兴趣,深入研究国家重大工程中具有特定领域或用途的传感器,并总结该类型传感器的技术瓶颈,分析目前国内外的解决方案,继而凝练方案中存在的问题,提出解决方案及有望达到的效果。

      整个教学过程丝丝相扣,既提升了学生的兴趣,也培养了科研能力,还潜移默化地引领学生服务国家重大战略需求,为国家和社会作出自己的贡献。由于“科研育人”部分在课程的后半段,学生在这之前已经学习了相关的基础知识和理论,因此导入“科研育人”并没有让学生感到学习困难。

      例如,在课堂上,谢光忠教授结合国家海洋战略等时事热点,引导学生从水声探测所需的压电传感器等方面切入,进行系统性调研和分析,并进行课程设计,从理论过渡到实践,进而启发学生让电子信息技术不仅“上天”“入地”还要“入海”,积极服务国家海洋事业。

      对于“科研育人”的经验,他概括为三个方面:首先要激发学生的创新意识、培养创新思维,其次要站在“巨人”的肩膀上,引导学生通过调研对从事的课题有全方位的认知,最后要引导学生进行实践,通过课程设计将研究方案落地,并对整个过程进行迭代优化。

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强化课程思政,努力铸魂育人

“课程思政”内涵十分丰富,包括培养学生的家国情怀、文化自信、法制意识、社会责任、工程伦理、工匠精神等等,是引领学生树立正确的世界观、价值观和人生观的重要旗帜。在讲课中,谢光忠会有机融入“课程思政”元素,引导学生传承科学精神、涵养家国情怀。

在讲解传感器在手机、汽车、潜艇、航天等方面的应用时,他结合中国航空航天事业的辉煌发展历程,介绍了相关传感器在“大国重器”中发挥的重要作用,让同学们既为我国科技事业的巨大进步感到自豪,也让同学们对传感器技术的重要性有了更深的体会。

在讲到“超导材料”时,他讲述了1911年荷兰物理学家昂内斯在4.19K温度下偶然发现汞的电阻几乎为零的现象,并最终获得诺贝尔物理学奖的故事,告诉同学们如何对待研究过程中的各种“反常”现象甚至是各种挫折和失败,并提醒同学们,“对于研究中的新现象,即便大家现阶段无法解释,也不要漠然视之,更不能削足适履地修改实验数据或刻意拟合理论计算,而是要去深入思考这种反常现象背后的根本原因。”

在讲红外传感器时,他介绍了课程组研究的非制冷红外焦平面技术,详细讲述课程组如何从材料研究开始,结合器件设计仿真、电路设计、MEMS工艺突破、后端电路及系统研究,让学生体会科技工作者“十年磨剑”的执着与坚守,引导学生形成正确的工作态度以及责任感。

他还以大连理工大学唐祯安教授团队的研究成果为例,讲述该团队在制备气体传感器的过程,如何打破思维定式,反其道而行之,将“微加热板”用于红外成像,让学生从中体会创新的精神和美妙。

光电学院2019级研究生刘巍表示,“谢老师结合具体的科研项目生动授课,激发了我对传感器的浓厚兴趣,使传感器不再是一个个名词,而是成为了可以帮助我们感知世界的工具,成为了科技报国的重要路径!”