原创 黄雨竹 黄致新 物理与工程
摘要
在中美出现贸易摩擦这样的背景之下，芯片技术遭遇卡脖子的这一重要问题，引发了教育界针对科技创新人才培养方面的深度思考。本文是以“卡脖子”问题作为起始点，对中国和美国的高中物理主流教科书中涉及“固态电子学”相关知识的分散状况展开相应分析，对其主要所涵盖的内容进行比较，并探究各自学习要求之间存在的差异情形。分析结果表明，在中国高中物理教材里贝语网校，涉及的“固态电子学”知识，主要是以科普应用作为主要方面，其整体分布是较为零碎分散的，并且对于掌握程度的要求是比较低的；然而在美国高中物理教材当中，所涉及的“固态电子学”知识，却包含了更多的、和能带理论以及半导体物理相关联产生的理论知识，这对于为学生未来去学习“固态电子学”、从事芯片研发行业铺设一定基础大有帮助。基于如此情况，提出建议，高中物理教材的编写，应当增添部分固体物理基础理论知识，还建议师范院校人才培养，要把“固体物理”设置成为必修课程。
中美教材比较这个关键词，对于认识芯片技术相关知识，要解决卡脖子问题，在高中物理领域，是有着重要意义的。
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中美贸易方面，芯片的那个啥有啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥，从“啥啥啥”来看，本文啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥，主要啥啥啥啥啥啥啥啥，“固态啥啥啥”啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥，表明“固态啥啥啥”啥啥啥啥啥啥啥啥主要基于啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥，表示啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥能给啥啥啥啥啥啥啥人设啥研究啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥。基于此，啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥啥。
1 什么是芯片技术卡脖子问题
进了21世纪以后，跟着我国科技、经济的迅猛发展，美国为了抑制我国的复兴，对中国开展技术封锁，在这样的情况下，《科技日报》靠首版头条弄出个“亟待攻克的核心技术”专栏，开头用“是什么卡了我们的脖子”作为引题，总共报道了35项“卡脖子”技术，从那以后，研究者们经常拿“卡脖子问题”指代跟技术强国比起来我国所碰到的核心技术限定问题，它大多有着攻克困难程度比较大、垄断性强以及技术壁垒高的特性。在叫“卡脖子问题”的状况里，最急着要去解决的，是芯片技术那一类型涉及卡脖子的问题。2018年的时候，当年到2019年这两年期间，美国作出了相应举措，限制我们国家的中兴和华为这两家科技企业去购买它所谓的“敏感”产品。这里面其中涉及数量最多呈现频次最高的，又是和芯片相关的技术。美国针对我们国家芯片行业实施技术封锁这一行为，致使好多诸如计算机、手机等属于高科技范畴的产品没办法正常开展生产活动。这一情况直接对我们国家科技企业的正常有序发展形成了威胁，给我们国家造成了程度严重的经济方面的损失。芯片技术卡脖子问题成为了急切需要得到解决的处于热门受关注状态的问题。
芯片技术存在卡脖子难题的背后，是我国科技于研发方面并不具备独立性，且存在基础研究人才匮乏的状况。长久以来的情况是，研发人员借助技术集成的方式来回避对关键技术的开发，如此一来造成我国基础研究并不够深入，同时科技研发在长时间内依赖他国的核心技术。要是想要对芯片技术卡脖子问题予以解决，那就需要培育出一批具备基础研究能力以及创新能力的人才，从根源上达成核心技术的自主化，进而打破西方的技术霸权。高中物理属于理工科专业进行学习的基础课程，倘若要培育研究型人才，那就需要从高中阶段就奠定好基础。教材，作为知识的载体，是教师开展教学的重要工具，所以，从“卡脖子”问题着手，对中美高中物理教材的异同展开研究比较，汲取其中的精华部分，舍弃其中的糟粕部分，借鉴美国高中物理教材里的优势地方，弥补我国高中物理教材的不足之处，这显得极为重要。
2 中美高中物理教材中“固态电子学”内容的比较分析
以往针对高中物理教材所开展的比较研究，主要被划分成了两大类，其中一类，是从各种各样不同的视角，像是从核心素养的视角、科学思维的视角或者 STSE 的视角等等，去比较教材整体的内容结构、栏目设置以及呈现方式等方面的特点，另一类，则是特别详细地对着教材里某一个特殊板块的内容，像是电学、力学、科学史、学科交叉渗透内容或者近代物理等等，来进行比较。在过往的研究里头，有好些研究者，尽管已然发觉我国高中物理教材跟国外（诸如美国、英国以及日本等）相比较，欠缺“固态电子学”这部分的知识，然而却没有研究者针对“固态电子学”内容展开深入剖析。显而易见，于教材比较研究中，“固态电子学”板块的内容分析存在着很严重的缺失。
美国高中物理教材里，“固态电子学”章节讲了啥内容，我国高中物理教材有没有涉及“固态电子学”相关知识，如果有的话，我国高中物理教材里的“固态电子学”相关内容和美国教材里的“固态电子学”相关内容有啥差异，这些差异会不会影响我国科技创新人才的培养，这些问题都值得进一步深挖。笔者针对中国《普通高中物理教科书（人教版）》（2019年版），对其中“固态电子学”相关内容展开比较，又针对美国最常用的高中物理教科书《物理原理与问题》，对其中“固态电子学”相关内容展开比较，通过这种比较探寻中美教材里“固态电子学”相关内容的差异，以此明确我国教材的优势和不足，并从解决芯片技术“卡脖子”问题的角度，为教材编写提出建议，也为人才培养提出建议。
2.1 美国高中物理教材“固态电子学”章节主要内容
如图1所示，美国物理教材里名叫“固态电子学”的章节，是分成两大板块来编写的，其中第一部分所讲的，乃是关于固体是怎样进行导电的内容。该教材借助回忆晶体排列以及原子能级等方面的知识，进而引出能带理论，并且是从能带理论这样的角度，再次去区分导体、绝缘体以及半导体。紧接着，凭借介绍本征半导体存在的局限性，从而引入掺杂工艺，还介绍了p型半导体和n型半导体的制作原理及其特性呢。第二部分类讲解电子元件，得借着生活里常用的电子器件开始引入，随后介绍了极为基础、特别简单的那两个半导体器件，也就是半导体二极管以及半导体三极管，阐述了它们的基本组成情况，还有制作的原理以及所起到的作用。最终，介绍了经由导体、半导体、二极管以及三极管等集成起来的微型芯片的制作工艺，还介绍了微型芯片在生活当中的广泛应用情况。整个章节的编排逻辑呈现出层层递进的态势，是从基础理论开始引入的，一直到生产应用才结束的。
2.2 中美高中物理教材中“固态电子学”相关知识比较
尽管中国高中物理教材里并未专门设置一章来讲“固态电子学”，然而在各本教材之中都有与之相关的知识点被涉及到，所以笔者进一步对中美教材里跟“固态电子学”相关的知识内容的分布情况、主要知识点以及要求掌握的程度进行了整体比较。并且绘制出了这般如下的表格（也就是表1、表2）。
笔者将两国教材里有关“固态电子学”的知识予以对比，发现我国教材里的固态电子学知识，存在科普应用知识较多的情况，位置分布较为零散，且要求掌握的程度较低。
首先，我国教材里存在这样一种情况，那就是与美国教材相比较而言，我国教材之中的“固态电子学”的科普应用知识是更多的。我国教材针对固态电子学相关知识的介绍，大部分呈现的是一种以渗透应用的形式，比如说在介绍静电吸附的应用这个方面，因为静电复印机当中用到了有机光导体，所以就渗透了有机光导体的特性；在讲述光的衍射的时候，又简单介绍了利用X射线衍射探测晶体结构的方法，以及X射线衍射技术的应用成果。而美国教材里所涉及到的固态电子学知识却是理论更多。譬如在阐述固体热膨胀的缘由之际，美国教材把固体比作由弹簧连接分子所构成的集合，其中弹簧代表着分子间的吸引力。当对固体进行加热之时，动能会有所增加，振动也会加快，分子间的间距会增大，这样的一个比喻之中渗透了固体物理晶格动力学的假设。
其次，我国教材跟美国教材相比较，我国教材里固态电子学的知识分布得更为零散，在“序言”这个栏目有固态电子学知识的分布，在“正文”这个栏目也有固态电子学知识的分布，在“旁批”这个栏目同样有固态电子学知识的分布，在“科学漫步”这个栏目还是有固态电子学知识的分布，在“拓展学习”这个栏目依旧有固态电子学知识的分布，在“脚注”这个栏目也存在固态电子学知识的分布。然而美国教材中的固态电子学知识却比较集中，美国教材里大部分固态电子学内容分布在“第二十九章 固态电子学”这个部分，并且美国教材里固态电子学知识点出现的位置全部都在教材正文部分。
最后，我国教材里固态电子学知识要求掌握的程度比美国教材低，深度不足。教材里很多固态电子学知识是以渗透应用的形式呈现的，不少内容分布在“拓展应用”和“科学漫步”等要求掌握程度低的栏目。比如新课标对这些知识点的要求是“了解”级别或者“无要求”级别的，这与美国教材相比，知识深度更低。比如说，在必修三中，我国的教材讲述了金属微观结构模型能够对和金属导电相关的现象作出解释，然而，它并没有详细说明绝缘体与金属电子运动难易程度存在差异的缘由。而美国的教材呢，在第二十章从电子运动难易程度这个角度阐述了绝缘体跟导体的区别，并且借助金刚石以及石墨的例子介绍了物体的导电性会因存在形态的改变而变化，使得学生领悟到物质的导电性是能够改变的。而后于第二十九章之中，从能带理论这个角度再度去介绍导体、绝缘体以及半导体在能带结构方面所存在的区别，使得学生能够从根源深处里理解致使物质导电性受到影响的缘由乃是物质的组成以及结构，这对学生构建正确的物质观是有所助益的。
3 建议
依据上述所作出的比较，笔者于解决芯片技术卡脖子这一问题的视角，提出了下面这些建议。
1）借助美国教材的经验，于高中物理教材里增添“固态电子学”的基础理论方面的知识。
材料科学研究和发展的根基是“固体物理”，它推动了半导体领域的发展，推动了超导领域的发展，推动了激光领域的发展，推动了纳米材料等领域的发展。一直以来，理工科学生的基础前置课程是固体物理，对于培养研究型人才它至关重要，对于培养创新型人才它至关重要。尽管“固体物理”这般重要，然而它一直因“难学”而闻名。笔者觉得存在两大原因，其一，“固体物理”是基于量子力学建立起来的，是基于统计物理建立起来的，课程自身的难度极大。许多同学学不好量子力学，许多同学学不好统计物理，更不用说固体物理了。其次，从认知方面来讲，知识的学习呈现螺旋式，人们往往更倾向于接纳某些熟悉的知识。我国高中物理里的“固态电子学”知识大多是科普应用类知识高中物理电学基础原理教材，欠缺理论知识，深度较浅，这直接致使学生对“固体物理”的基本认知缺乏，兴趣也欠缺，进而影响对技术人才而言的初期引导以及培养。
美国教材当中有关“固态电子学”的部分章节，属于大学“固体物理”课程先导性知识，虽不涉及诸多复杂运算，然而能使学生知晓固体物理核心即能带理论，能让学生分别从宏观层面以及微观层面去了解影响物体导电性能的因素，从而为学生构建起一个全新的物质观。除此之外，该教材还介绍了非本征半导体、半导体器件以及微型芯片的制作原理、工艺流程与特性，并且结合智能手机、电脑等产品，阐述了集成电路里半导体器件的重要性。通过这些内容，能够助力学生去了解半导体器件，知晓微型芯片的制作过程，进而拓宽学生的知识面，为学生往后学习电子学知识奠定基础。就如同朱邦芬教授在其文章当中所讲的那样，中学物理知识呈现出不系统、不完整的状况，这会致使高中物理学科体系出现“碎片化”，以及中学生物理学科知识存在结构性欠缺。故而笔者觉得借鉴美国教材，于高中物理教材里增添“固态电子学”基础理论知识，对于解决我国芯片技术被卡脖子的问题，培养科研人才而言是极具必要性的。
2）建议师范院校将“固体物理”课程设为必修
有这么个情况，笔者统计了那校友排名靠前的20所师范大学的物理师范专业人才培养方案，然后发现，所有高校确实都开设了“固体物理”这门课程，然而，有将近40%的院校并没有把“固体物理”设为必修课程。为啥会这样？因为“固体物理”课程难度太大了，实在是让人觉得望而生畏高中物理电学基础原理教材，所以大部分师范生，就不会主动去选修“固体物理”，而这一点又会造成很多高中物理老师自身就缺乏对“固体物理”的基本认识。我国当下所使用的高中物理教材里头，存在着一部分和“固体物理”相关联的知识，像压电效应、X射线衍射、扫描隧道显微镜之类的。要是教师未曾学习过“固体物理”，那么自然而然地就没办法给学生把这部分内容讲解得很好。“固体物理”不单单是对大学物理知识的拓展以及升华，并且还能够开拓教师的眼界，增强教师碰到问题解决问题的能力，因而笔者提议师范院校把“固体物理”课程设定为必修。
4 结语
分析教材之比较，窥得我国教材里，有关固态电子学的科普应用知识颇为丰富，将相关科技前沿与应用予以渗透，这有益于去拓宽学生的知识面，还能够激发学生学习物理的兴趣。然而，其里理论知识较少，深度有所欠缺，新课标针对这部分内容的要求，也只是停留在了解的程度，对于学生未来去学习固体物理相关理论知识，帮助不是很大。美国教材之中，固态电子学知识更为集中且深入，既能利于学生去了解电子技术行业，培养学生针对此行业的兴趣，又减小了大学学习理工科相关知识的难度。笔者提议参考美国教材，于高中物理教材里头增添“固态电子学”基础理论方面的知识，把师范院校的“固体物理”课程设置成必修课程，从学生培育以及老师培育这两个方向改善现存的物理教育，为解决芯片技术被卡脖子的问题奠定好基础。