金屬敏感材料、陶瓷敏感材料、半導(dǎo)體材料、高分子敏感材料、新型紅外傳感器、新型氣體傳感器、電子聚合物基濕度傳感器……在光電科學與工程學院謝光忠教授的課堂上，每節(jié)課都充滿了真“材”實“料”。
這門研究生課程名為《敏感材料與傳感器》，是學院的學位課，也是特色課。在謝光忠教授的生動講述下，這些敏感材料的神奇特性逐一精彩呈現(xiàn)，讓學生對各種敏感材料及傳感器有了深刻理解，激發(fā)了好奇心和求知欲，并通過大量科研實例培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。
講透基礎(chǔ)概念，夯實理論基礎(chǔ)
傳感器是信息社會的重要基礎(chǔ)，更是“網(wǎng)聯(lián)萬物”的關(guān)鍵。傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)并稱為信息社會的三大技術(shù)支柱，被廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療、安保、環(huán)境監(jiān)測、資源探測、海洋開發(fā)、智慧制造、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、航空航天等與國計民生密切相關(guān)的領(lǐng)域。
傳感器技術(shù)的多學科交叉特點和包括萬象的內(nèi)容，為學懂弄通它帶來了巨大的挑戰(zhàn)。它匯聚了物理、化學、材料、器件、機械、電子、生物工程等諸多學科，而且可分為物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器等大類，每個大類又包含幾萬個小類。
面對交叉、復(fù)合、點多、面廣的豐富內(nèi)容，如何構(gòu)筑清晰的主線，并講清講透基礎(chǔ)概念、基本原理，讓學生在有限的學時里深刻理解、系統(tǒng)把握，對于教學來說是一大難點。謝光忠教授說：“任何一個人都不可能把所有的傳感器都搞懂，所以，上課必須抓基礎(chǔ)、抓關(guān)鍵?！?
經(jīng)過多年教學實踐，這門課程最終凝練出了九章內(nèi)容。謝光忠教授認為，這門課的重點是陶瓷材料和半導(dǎo)體材料以及紅外傳感器和氣體傳感器，陶瓷材料又是重中之重。他強調(diào)說：“弄通陶瓷材料，對其他章節(jié)的學習都大有裨益?！?
謝光忠教授上課不求大而全，而是抓住重點，力求簡潔，讓學生在掌握重點知識內(nèi)容的過程中，從理解基礎(chǔ)概念、基本原理做起，并掌握自學的方法。他把所有的課件提前共享給學生，引導(dǎo)和督促學生提前自學。
在課堂上，他常用一條線串起很多點、牽出一個面，引導(dǎo)學生循序漸進、逐步深入。在講“非制冷紅外焦平面陣列”時，他首先講“紅外”“焦平面”的概念，再分析“熱成像”的方式，并以生活中常見的“紅外熱像儀”為例講解“熱成像”的基本原理。接著，他引導(dǎo)大家更深入思考“為什么‘非制冷’做的是‘微橋結(jié)構(gòu)’？”“在做超大規(guī)模紅外焦平面時，可否把幾個焦平面拼接起來？”等一系列問題。
為了讓內(nèi)容更易懂，他在講解較為抽象的知識時，常用類比的方法幫助學生加深理解。例如，怎么樣判斷一個傳感器系統(tǒng)動態(tài)特性的好壞呢？由于無法給系統(tǒng)中所有的信號進行激勵并評估其動態(tài)響應(yīng)，通常的做法是：給系統(tǒng)一個正弦激勵信號，研究其頻率響應(yīng)；再給系統(tǒng)一個脈沖信號，研究其時間響應(yīng)。他形象地告訴學生：“這就像用考試來評價大家的學習成效一樣，不用把所有的知識點考一遍，而是可以選擇重點的內(nèi)容進行測試?！?
“謝老師講課風趣幽默，讓我們能在愉快的氛圍中掌握理論知識，這也反映出謝老師深厚的學術(shù)功底，只有真正懂得它的人才能深入淺出地講透它?！惫怆妼W院2021級研究生陸海軍表示，“在這門課程中，我學習了敏感材料和傳感器的豐富知識，也學到了科研的方法，收獲很大。”
掌握基礎(chǔ)知識是學習的第一步，提升創(chuàng)新能力才是課程的核心目的。謝光忠教授表示，“希望通過這門課程提升學生對傳感器的基本原理、工藝和應(yīng)用等方面的認知，進而形成從事科學研究的系統(tǒng)性思維方式。”
在講課時，謝光忠教授很注重啟發(fā)學生思考，引導(dǎo)學生沿著一個問題不斷追問，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象、探索新的問題、獲得新的知識。
在第四章講解半導(dǎo)體的基礎(chǔ)物性時，他先介紹“能帶”“禁帶”“價帶”“導(dǎo)帶”等基本概念，隨后話鋒一轉(zhuǎn)，引導(dǎo)同學們思考：在理論上，“禁帶”是指“帶隙不存在電子的能級”，但實際上，半導(dǎo)體材料可能存在雜質(zhì)或缺陷，這對半導(dǎo)體材料的“能帶”會產(chǎn)生什么影響？“能帶”變化后的半導(dǎo)體材料，又如何對他們歸類區(qū)分呢？……一系列“延伸性”問題層層遞進，激發(fā)了學生的求知欲。
他甚至把哲學思維融入課堂，引導(dǎo)學生辯證地看待事物。
紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，會使輻射能量在傳輸過程中逐漸衰減。其中，紅外輻射在通過大氣層時“透過率”比較高的三個波段，即2-2.6μm、3-5μm和8-14μm，被稱為三個“大氣窗口”。
這三個“大氣窗口”對紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，因為一般紅外探測儀器都工作在這三個波段之內(nèi)。然而，真正的問題來了！謝光忠教授啟發(fā)學生：這三個“大氣窗口”之外的波段，為什么“透過率”很低呢？肯定是紅外能量被吸收掉了，那么，是被空氣中的什么成分吸收的呢？空氣中的每種成分，吸收紅外的能力有多強？
講到紅外能量被吸收的問題時，他啟發(fā)學生，同學們只關(guān)心紅外的“透過率”，就會覺得“被吸收”是一件“壞事”。為什么我們不利用這種“被吸收”的現(xiàn)象呢？大家知道二氧化碳會吸收紅外，那么，它到底對什么波長的紅外吸收率最高呢？我們知道二氧化碳的濃度越大，吸收得紅外就越多，輸出的光強就越小，那么，可不可以用紅外來測二氧化碳的濃度呢？
正所謂“禍兮福之所倚，福兮禍之所伏”，“失敗”也可以轉(zhuǎn)化為“成功之母”。謝光忠教授啟發(fā)學生，無論是做學術(shù)研究，還是走人生道路，都要有唯物辯證法的哲學觀念，即便遇到挫折，也不要立即定性它就是失敗，如果換一種視角，我們就可以反向利用、變廢為寶。
謝光忠教授講課時，?；诮滩牡浇滩?。他會在教學過程中引入大量的科研案例，培養(yǎng)學生的科研思維和創(chuàng)新能力。這些案例包括他所在的教研室所做的最新研究成果，以及國內(nèi)外的前言研究，讓學生擴展學術(shù)視野。為了讓學生更好地感受學術(shù)研究、掌握研究方法，他還會引用碩士、博士所做的項目，讓學生體會怎么做選題、怎么設(shè)計實現(xiàn)方案。
深化科研育人，提升創(chuàng)新能力
把科研與教學結(jié)合起來，是提升研究生創(chuàng)新能力的重要途徑。謝光忠教授指出，通過系統(tǒng)性地對相關(guān)傳感器的國家需求、技術(shù)瓶頸、研究思路、關(guān)鍵技術(shù)及研究成果等進行剖析，可以彌補課堂教學知識傳授形式的理論和實踐脫節(jié)等不足，提升研究生認知水平和思考能力，以及從事科學研究及未來承擔科研項目的技能。
謝光忠教授長期從事光電薄膜與敏感電子學領(lǐng)域，尤其是敏感薄膜與傳感器技術(shù)方向的科研工作，入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃、四川省學術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選及第九批成都市有突出貢獻的專家，作為主研或負責人參加研項目20余項，作為主研獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、國家科技進步二等獎1項，省部級項9項，發(fā)表高水平科研論文100余篇。
他所在課題組面向國家安全和社會民生領(lǐng)域需求，承擔了多項科技部重大專項、國家自然科學基金項目以及諸多面上項目，設(shè)計碳氮、有毒有害氣體傳感器以及紅外、光電等傳感器等研究領(lǐng)域。這些都是開展“科研育人”的良好載體和豐富素材。
在他的課程中，學生根據(jù)自己的興趣，深入研究國家重大工程中具有特定領(lǐng)域或用途的傳感器，并總結(jié)該類型傳感器的技術(shù)瓶頸，分析目前國內(nèi)外的解決方案，繼而凝練方案中存在的問題，提出解決方案及有望達到的效果。
整個教學過程絲絲相扣，既提升了學生的興趣，也培養(yǎng)了科研能力，還潛移默化地引領(lǐng)學生服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求，為國家和社會作出自己的貢獻。由于“科研育人”部分在課程的后半段，學生在這之前已經(jīng)學習了相關(guān)的基礎(chǔ)知識和理論，因此導(dǎo)入“科研育人”并沒有讓學生感到學習困難。
例如，在課堂上，謝光忠教授結(jié)合國家海洋戰(zhàn)略等時事熱點，引導(dǎo)學生從水聲探測所需的壓電傳感器等方面切入，進行系統(tǒng)性調(diào)研和分析，并進行課程設(shè)計，從理論過渡到實踐，進而啟發(fā)學生讓電子信息技術(shù)不僅“上天”“入地”還要“入?！?，積極服務(wù)國家海洋事業(yè)。
對于“科研育人”的經(jīng)驗，他概括為三個方面：首先要激發(fā)學生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維，其次要站在“巨人”的肩膀上，引導(dǎo)學生通過調(diào)研對從事的課題有全方位的認知，最后要引導(dǎo)學生進行實踐，通過課程設(shè)計將研究方案落地，并對整個過程進行迭代優(yōu)化。
強化課程思政，努力鑄魂育人
“課程思政”內(nèi)涵十分豐富，包括培養(yǎng)學生的家國情懷、文化自信、法制意識、社會責任、工程倫理、工匠精神等等，是引領(lǐng)學生樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀的重要旗幟。在講課中，謝光忠會有機融入“課程思政”元素，引導(dǎo)學生傳承科學精神、涵養(yǎng)家國情懷。
在講解傳感器在手機、汽車、潛艇、航天等方面的應(yīng)用時，他結(jié)合中國航空航天事業(yè)的輝煌發(fā)展歷程，介紹了相關(guān)傳感器在“大國重器”中發(fā)揮的重要作用，讓同學們既為我國科技事業(yè)的巨大進步感到自豪，也讓同學們對傳感器技術(shù)的重要性有了更深的體會。
在講到“超導(dǎo)材料”時，他講述了1911年荷蘭物理學家昂內(nèi)斯在4.19K溫度下偶然發(fā)現(xiàn)汞的電阻幾乎為零的現(xiàn)象，并最終獲得諾貝爾物理學獎的故事，告訴同學們?nèi)绾螌Υ芯窟^程中的各種“反?！爆F(xiàn)象甚至是各種挫折和失敗，并提醒同學們，“對于研究中的新現(xiàn)象，即便大家現(xiàn)階段無法解釋，也不要漠然視之，更不能削足適履地修改實驗數(shù)據(jù)或刻意擬合理論計算，而是要去深入思考這種反常現(xiàn)象背后的根本原因?！?
在講紅外傳感器時，他介紹了課程組研究的非制冷紅外焦平面技術(shù)，詳細講述課程組如何從材料研究開始，結(jié)合器件設(shè)計仿真、電路設(shè)計、MEMS工藝突破、后端電路及系統(tǒng)研究，讓學生體會科技工作者“十年磨劍”的執(zhí)著與堅守，引導(dǎo)學生形成正確的工作態(tài)度以及責任感。
他還以大連理工大學唐禎安教授團隊的研究成果為例，講述該團隊在制備氣體傳感器的過程，如何打破思維定式，反其道而行之，將“微加熱板”用于紅外成像，讓學生從中體會創(chuàng)新的精神和美妙。
光電學院2019級研究生劉巍表示，“謝老師結(jié)合具體的科研項目生動授課，激發(fā)了我對傳感器的濃厚興趣，使傳感器不再是一個個名詞，而是成為了可以幫助我們感知世界的工具，成為了科技報國的重要路徑！”
