想探索芯片底层的原理？快来读这本清华教材

欢迎大家来到IT世界,在知识的湖畔探索吧!

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橙色小球、黄色小球

长度不同的小木棍……

连接在一起构成结构模型

是否触发了你的物理课记忆？

在清华大学电子系核心必修课

“固体物理基础”课堂

同学们会动手制作半导体材料

——硅的晶体结构模型

这个看似简单的结构

是许多同学的固体物理启蒙

被影印在电子系教授黄翊东主编的

《固体物理基础》教材封面上

这本教材凝聚着

黄翊东十余年来的教学经验和学术洞察

以循序渐进的章节结构和

深入浅出的内容讲解

用一根薛定谔方程”金线”

把固体物理学知识

串联成闪闪发光的知识项链

陪伴同学们探索固体物理世界

学习芯片底层原理

获评2024年清华大学优秀教材特等奖

勾连已有知识，服务具体教学

“学生都是带着已有知识来到教室的。”黄翊东说。这也成为了她编写《固体物理基础》的锚点。呈现完美且完整的理论固然有益，但对于首要任务是服务课堂教学的基础教材而言，勾连起学生脑中已有的知识，并在此基础上帮助其快速形成完整的知识架构则更为重要。

黄翊东拿着硅的晶体结构模型进行讲解

黄翊东认为，学习固体物理最重要的是学习世界观，要“建立起对微观世界的认识方法”。与数学不同，物质世界是“测不准”的。能够在学生时代跳出“完美世界”的逻辑框架、接受“近似模型”思维方式，对于学习固体物理的学生们来说尤为重要。同时，她强调知识框架的重要性，想要学生有效把握主要矛盾、高效吸收所学知识，相比在细枝末节上的面面俱到，提炼内核、让学生掌握知识框架则更为重要。她说：“给学生一堆树叶，不如给学生一个树干——对于没有学到的知识，学生可以顺着框架自学补全。”

黄翊东为同学们讲解布洛赫定理

因此，不同于以往的同类教材，2022年底出版的《固体物理基础》是黄翊东结合相关知识背景、为电子信息专业同学们“量身定制”的版本，也是对“膨胀的知识量与有限的学制”这一矛盾的有效平衡。电子系学生苏溢华在使用后感慨：“没有原样照搬既有的知识，《固体物理基础》中融入了黄老师对于知识点的理解和思考。”

创新教材结构，显化宏观联结

在深刻把握学科底层逻辑与教育教学规律的基础上，黄翊东在编写时进行了许多重要创新。电子系学生陶也说：“在使用教材的过程中，最明显的感受是‘丝滑’和‘友善’。”

固体物理基础知识体系

由于固体物理研究的是固体的微观结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）之间相互作用与运动规律，而这些粒子以及准粒子的运动规律均可以用量子力学的薛定谔方程来描述和处理。黄翊东以量子力学中的“薛定谔方程”为线索，串联起了整部教材，构建起固体物理的知识结构及各个基本概念之间的相互联系，实现了固体物理知识的体系化与结构化。兄弟院系的一位老师曾评价，这是“第一次把固体物理后面‘那根筋’找到了”。

此外，黄翊东一方面调整了内容顺序，将晶格振动以及热特性放到电子能带理论和固体电特性的章节之后，有利于学生们对电子运动规律及固体电特性的集中掌握；另一方面，还在第五章单独设立了“固体间接触的电特性”章节，汇总了功函数/接触电势/PN结/MOS等内容，以便于学生们深化对各种界面电特性的理解。将“固体间接触的电特性”作为独立章节是以往教材中从未出现的设计，“所有器件的核心都是界面。”黄翊东说，“有了界面才有结构，有了结构才有器件，所以我会把讲界面的部分单独拎出来。”

编写十二载，锦上又添花

提到教材的编写历程，黄翊东拿出了六本册子，不同彩纸简单包裹着不同版本的讲义。蓝色的在这六本里“资历最老”，封面已经被翻得起皱，书脊处是手写的“固体物理基础二〇一六版”。随便翻开一页，黄翊东都能讲出其中用红笔勾画过的内容，熟悉得仿佛是昨日刚刚标注，可右上方有些泛黄的折角又分明显示着这些标记已经有了年头。

从2010年开始讲授课程，到2012年开始编写讲义，再到2022年教材的正式出版，黄翊东投入了十数年的时间和精力。她经常利用休息时间一遍一遍整理、一点一点抠细节，细致打磨、精益求精，每一版修订都凝聚着她对教学内容的深思熟虑。

2016版-2021版讲义

每一版教材讲义成册后，黄翊东都会额外保留一本，为下一年的新版本作准备。她常常是一边讲课，一边拿笔做批注：这里需要修改一下排版，那里需要补充一道例题……即使是目前已经出版的教材版本，也已经有了三十多处改进批注。这是对教材内容的严格要求，也是对教学质量的不懈追求。同行专家肯定了这本教材的创新性和实用性，认为它不仅在内容上具有新的探索与突破，更在教学方法上提供了新的启示。

正如黄翊东所言，编写《固体物理基础》是“建立面向电子信息学科的固体物理”的一次重要尝试。新颖的编写理念、结构化的知识体系以及与教学实践的深度融合，让这本书成为电子工程教育领域的一次重要创新，为学生提供了一部质量过硬的学习材料，也为教师提供了一套行之有效的教学工具。