热电材料与器件课堂教学研究

[摘要]《热电材料与器件》课程存在教学手段单一、理论较深奥、知识跨度大、内容更新快等教学难点。根据不同章节的难易程度以及侧重点，本文提出了需求牵引、专题、学术报告、理论与实践相结合、学生自主性学习等多种课堂教学手段，从而提高学生的学习主动性，改善课堂教学质量，培养能适应新能源材料领域发展需求的创新型、应用型、复合型人才。

[关键词]高等教育；热电材料与器件；教学改革；教学手段；教学内容

随着传统化石能源的日益消耗及其产生的环境问题日益突出，解决全球能源危机必须大力开发和推广资源丰富、价格低廉、环保无害的新能源材料。热电转换材料是一种可以利用Seebeck和Peltier效应实现热能-电能之间直接相互转换的清洁能源材料，在新能源材料领域占有十分重要的地位[1]。热电器件主要应用于制冷和发电两个方面，在电子元器件(如芯片、功率放大器、光通信激光二极管、高性能CPU等)的控温与制冷、深空探测电源(即同位素温差发电器RTG)、柔性可穿戴设备电源、物联网传感节点电源、地热温差发电、废热/余热发电等对我国循环经济、可持续发展有重要影响的新能源技术领域中具有潜在的庞大市场[2]。目前，中国已成为热电材料与器件领域研究的主力军，但大多数从事相关研究的硕士、博士生都是零基础，因而本科阶段开展相关课程知识体系的学习和研究显得尤为重要。立足于大湾区新能源材料等高新技术企业的发展需求，深圳大学材料学院为新能源材料与器件特色班三年级本科生开设了《热电材料与器件》课程。但在课堂教学过程中发现，传统教学模式单一、教材涉及领域众多、前后知识不连贯、知识更新快、对学生理论基础要求较高、偏重基本理论学习而忽视具体实践，导致学生学习主动性不高、知识掌握程度不深、课堂教学效果有限。针对以上问题，笔者对《热电材料与器件》课堂教学手段进行了初步的探索和设计，力求调动学生求知欲和上课积极性，改善课堂教学效果。

1《热电材料与器件》课程的教学内容设计

《热电材料与器件》课程围绕热电发展历史与未来、热电基本理论、热电材料性能优化策略、典型热电材料、热电材料制备与表征、热电器件集成与测试、热电发展前沿等七个章节展开详细介绍，从而使学生对热电材料与器件能有比较全面的理解。该课程的主要教学目的是让学生深入理解热电材料的化学成分—材料制备与表征—微观结构与性能的关系，是对学生所学专业知识的一次全方位的梳理；是新能源材料与器件特色班学生专业培养中不可或缺的一个重要环节；可为学生未来在新能源材料领域进一步深造或从事相关的专业技术工作提供良好的专业基础。

2《热电材料与器件》课程的教学特点与难点

(1)开设该课程的学校较少，可供参考的教学模式、教学手段几乎为零，需要授课人精心准备教学内容。通行的PPT加板书这一种传统课堂教学手段，使得大多数学生感到课程枯燥无味，提不起兴趣，课堂学习效果不理想。即使学生能被动性的接受课堂教学内容，也很难发散性的掌握内容精髓，无法起到举一反三的教学效果。(2)该课程专业书籍是面向从事热电研究的硕、博生，内容较为简略，对于基础较薄弱的本科生而言，很难理解，致使学生学习兴趣不高，参与度低[3]。一些概念和原理较抽象，涉及到无机/有机化学、物理化学、材料科学基础、大学物理、固体物理、半导体物理、材料热力学与动力学等相关知识。对教师而言，如何将深奥难懂的材料、物理、化学知识用通俗易懂的语言讲清楚、讲透彻是提升学生上课积极性和学习主动性的关键。(3)该课程涉及到了材料领域方方面面的知识，不仅涉及到材料科学的四要素：成分-结构-工艺-性能之间的关系，更涉及到了热电发展历史与应用、热电基本理论、热电材料性能优化策略、热电材料制备及器件组装工艺、热电材料及器件表征手段与性能测试等等。课程涵盖范围广、教学内容多、知识跨度大、相互关联性差，在学习过程中对学生知识体系的全面性要求比较高。如何在教学过程中，针对不同章节、不同内容，采取不同的教学手段，让学生掌握课程的逻辑架构至关重要。(4)该领域一直处于国内外研究的前沿，知识点分散、内容更新快，新材料、新工艺、新结构、新观点、新物理层错不穷。从材料维度方面讲，从传统的三维块体到现在的二维薄膜、一维纳米线和零维量子点；从热电材料方面讲，从传统的窄带隙半导体热电材料到最近几年提出的宽带隙半导体、拓扑绝缘体和半金属热电材料；从制备工艺方面讲，从传统的定向凝固技术到现在各类块体的粉末冶金技术以及纳米薄膜、纳米线、纳米粉体制备技术；从晶体缺陷方面讲，从传统的点缺陷、位错、纳米晶和纳米第二相设计到最近的纳米孪晶研究；从物理角度讲，从传统的电荷与声子两个维度到现在轨道与自旋两个新维度的引入；从传统低熵热电材料到现在高熵热电材料；从传统电声耦合到现在电、热、磁相耦合。按照教科书的内容照本宣科，往往只反映了十几年前的研究进展与思路，而与当下的研究热点与最新成果相脱节，不利于培养学生的创新性思维与对最新知识的掌握，需要授课教师及时将国内外最新发展成果总结成系统的理论知识。因此，笔者提出根据不同章节、不同内容的难易程度以及侧重点，优化课程内容，把握难点和重点，进行《热电材料与器件》课堂教学手段探讨与实践等必要的教学改革，以宏观应用场景和具体产品介绍、交叉学科成熟知识体系、学术报告、理论与实践相结合以及学生调研并汇报等多种方式进行授课，对于激发学生学习兴趣、调动学生上课积极性、改善课堂教学效果具有重要的意义。

3《热电材料与器件》课程的教学手段改革探索

总体课堂教学手段改革实施方案如下：需求牵引形式(第一章《热电发展历史与未来》)—专题讲解形式(第二章《热电基本理论》)—教师为主的学术报告形式(第三章《热电材料性能优化策略》和第四章《典型热电材料》)—理论与实践结合的形式(第五章《热电材料的制备与表征》和第六章《热电器件的集成与测试》)—学生为主的自主性学习形式(第七章《热电发展前沿》)。

3.1以需求牵引的形式，提升学生兴趣导向

实际应用与社会需求决定了材料研究的意义。针对第一章《热电发展历史与未来》，以满足绿色环保需求为前提，结合国家重大发展战略，向学生介绍热电材料与器件的发展历程及其面向未来的重大应用前景，如深空探测电源、极地自供电电源、柔性可穿戴设备自供电电源、地热温差发电、面向5G应用的芯片制冷等高精尖应用领域，提升学生学习兴趣；以已经商业化应用的半导体温差自动搅拌杯(利用热电发电原理)和半导体制冷/加热杯(利用热电制冷/加热原理)等产品的具体展示，增强学生对热电材料与器件的直观感受；阐述热电发展历程中，中国在该领域的重大贡献，提高学生的民族自豪感和未来投身于新能源材料领域研究的热情。

3.2以专题讲解的形式，提高学生理论学习的动力

第二章《热电基本理论》相关内容涉及固体物理、半导体物理、物理化学、无机/有机化学、材料热力学与动力学、材料科学基础等相关知识。现在热电书籍针对的是从事热电研究的硕、博士，内容简略，对于本科生而言，往往不懂其中的来龙去脉，无法真正掌握热电材料领域的基本理论。授课过程中，相关内容将借鉴相关学科成熟的理论体系，化繁为简，注重与其他专业基础课程在内容上的相互补充，但又力求避免重叠。本章内容将以七个专题的形式讲解热电基本理论，具体包括：热电三大基本效应、载流子与声子、能带理论、载流子浓度、载流子的散射、热导率及声子的散射、最小迁移率与晶格热导率，从而提高学生理论学习的动力。例如，介绍载流子的浓度、迁移率与有效质量时，将以半导体物理学科中成熟的内容为基准；介绍声子与热导率时，将结合固体物理、材料物理性能、材料热力学的相关知识；介绍晶体缺陷对载流子与声子散射的影响时，将融合材料科学基础中的点(空位、间隙原子、置换原子)、线(刃型位错与螺型位错)、面(晶界、相界、层错)、体(第二相、孔洞)四大类缺陷的知识。通过不同领域交叉、不同学科互补的理论学习，培养学生的创新意识，增强学生对不同学科知识融会贯通的能力[4]。

3.3以学术报告的形式，调动学生求知欲

第三章《热电材料性能优化策略》主要讲载流子浓度、载流子迁移率、塞贝克系数、晶格热导率的优化策略以及双极扩散效应的抑制机制；第四章《典型热电材料》选取低温(碲化铋)、中温(碲化铅)和高温(GeSi)应用的三大类典型热电材料为例，详细介绍其基本结构和性质、性能优化策略、研究现状以及发展趋势。相关教学内容不以典型的课本知识为主，而是以国内外学术研究的典型成果为主，进行归纳整合，梳理教学内容，并以学术报告的形式介绍相关内容。授课过程，以问题开始，调动学生的好奇心；针对每一种具体的热电材料，介绍其优缺点，尤其是限制其获得高性能的核心问题；再介绍国内外研究者解决相关问题的思路、办法、途径和具体效果；点明目前研究中存在的问题，指明下一步可能的发展方向，注重内容的实时更新，培养学生思考问题、解决问题的能力以及掌握材料科学研究问题的方法，为以后进入工作岗位奠定基础。

3.4以理论与实践结合的形式，提高学生对知识掌握的程度

第五章《热电材料的制备与表征》主要介绍热电材料的常见制备方法以及电热传输性能的测试机理；第六章《热电器件的集成与测试》主要介绍热电制冷和发电器件的组成结构、集成工艺以及热电器件的性能(如能量转换效率、制冷温差、输出功率等)测试方法。除了课堂上理论讲解材料与器件制备以及性能测试的基本原理，还要求学生亲自观看并操作常见的热电材料制备仪器，包括箱式炉、封管机、球磨机、电弧炉、高频熔炼炉、放电等离子体烧结炉、金刚石切割机等，以及热电材料性能及器件测试仪器，包括塞贝克系数/电导率测试仪、激光热导仪和热电转换效率测试仪等。通过理论与实践结合的方式，提升学生学习兴趣，引导学生从解决实际问题的角度设计实验，培养其动手能力和实践能力[5]。

3.5以学生自主性学习的形式，提高学生的学习主动性

针对第七章《热电发展前沿》，授课老师先从新维度—低维结构、新界面—纳米孪晶、新思路—高熵热电材料、新物理—自旋热电、新材料—拓扑绝缘体和半金属、新方向—电、热、磁三国演义等六个方面介绍热电材料最新研究成果。在此基础上，指导学生从六个最新的研究焦点出发进行文献收集、阅读、PPT展示和讲演，充分调动其求知、求新的主动性。以教师点评和学生提问相结合，鼓励学生将文献阅读心得与任课教师和同学在课堂上分享，控制好课堂交流讨论时间，增强学生分析、解决问题的能力，改善其进行学术报告的能力，提高学生学习的自主性，将“要我学”变为“我要学”，培养其终身学习的好习惯[6]。完善考核和评价体系，增加学生自主性学习在平时成绩中的比重。

4结语

开设《热电材料与器件》课程是新形势下培育新能源材料领域专业人才的重要举措。在知识体系不完全成系统、知识点繁多的《热电材料与器件》的课程教学中，理清教学主线和课程脉络，进行模块化设计，不止依赖于专业教科书的内容，而是结合文献调研与交叉学科成熟的相关知识点进行内容上锤炼和重点、难点的把握，积极探索不拘一格的课堂教学手段，对改善课堂教学质量至关重要。笔者提出根据不同章节的教学内容，设计并实践不同的教学手段和模式。不止让学生掌握特定的书本知识，而是从应用需求、具体产品出发，调动学生的求知欲和学习兴趣；结合交叉学科成熟的知识体系，以专题形式介绍热电基本理论，培养学生的创新意识，增强学生对不同学科知识融会贯通的能力；从学术研究的角度，以问题导向，促使学生主动思考为什么、做什么及怎么做，增强学生思考问题和解决问题的能力；以理论和实践相结合，加强学生对授课内容的掌握程度，培养学生的动手能力和实践能力；鼓励学生进行一些前沿文献的阅读及分享，通过教师讲解和学生自主性学习的有机结合，促进学生养成自主学习和终身学习的好习惯。通过《热电材料与器件》课堂教学手段的改革与探索，培养出能适应粤港澳大湾区新能源材料与器件产业高速发展所需求的科研和技术专业人才。

参考文献

[1]杨青雨，仇鹏飞，史讯，等．熵工程在热电材料中的应用[J]．无机材料学报，2021，36(04)：347-354．

[2]朱铁军．热电材料与器件研究进展[J]．无机材料学报，2019，34(03)：233-235．

[3]陈立冬，刘睿恒，史讯．热电材料与器件[M]．北京：科学出版社，2018．

[4]刘高阳，王新东．多学科交叉融合的工科教育多场景应用科教平台[J]．中国冶金教育，2020，(06)：44-48．

[5]苗常青，赵二劳．理论与实践相结合的物理化学实验教学改革策略[J]．轻工科技，2019，35(12)：192-193．

[6]武钰敏．爱尔兰高校自主性学习教学建设的启示[J]．产业与科技论坛，2021，20(05)：256-257．

作者：胡利鹏 单位：深圳大学材料学院