微電子半導體物理課程教學改革初探

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摘要：半導體物理學為電子信息類專業一門重要的基礎理論課程，具有內容抽象、教學模式單一、學生參與度不高等特征，本論文系統分析了半導體物理課程教學中存在的一些典型問題，并以微電子專業為例，結合其專業特色，提出了在教學中引入前沿熱點案例分析、互動教學、雙語教學等相應改革措施，為高校特色專業建設提供了一條新思路。

關鍵詞：微電子專業；半導體物理；課程教學改革

“半導體物理學”是電子科學與技術、微電子科學與工程、集成電路設計等專業的一門重要基礎課程，對培養學生今后從事光伏、LED、鋰電池等先進電子材料及器件領域以及集成電路設計及制造等相關領域的研究及工作具有重要意義[1,2]。作為微電子專業最重要的課程之一，雖然不少高校充分認識到了“半導體物理學”對于相關學科發展以及學生專業素質培養的重要性[3,4]，但由于這門課程存在內容抽象、教學模式單一、學生參與度不高等特點，導致其實際教學效果往往并不理想。因此，本論文系統分析了半導體物理課程教學中存在的一些典型問題，并以微電子專業為例，結合其專業特色，提出了在教學中引入前沿熱點案例分析、互動教學等相應改革措施，希望為高校特色專業建設提供一條新思路。

一“半導體物理學”課程教學中存在的若干典型性問題

重慶郵電大學“半導體物理學”課程所用教材為劉恩科、朱秉升、羅晉生等人編著的《半導體物理學（第七版）》（電子工業出版社，2011年3月第2版），該教材屬于普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，電子科學與技術類專業精品教材。結合該教材的內容設置以及本人所在微電子系部教研室的相關教學實踐，我們發現該門課程存在以下典型問題：（一）內容抽象。根據重慶郵電大學微電子系的教學大綱，“半導體物理學”可分為兩大部分[5]，其中第一部分主要介紹半導體的相關基礎知識，包括半導體中的載流子狀態及能帶結構、雜質及缺陷能級、載流子的統計分布、半導體的導電性及非平衡載流子。第二部分主要介紹與半導體器件結構相關的界面效應，包括pn結、金屬和半導體的接觸、MIS結構、半導體異質結等。該課程教學過程中涉及知識面廣，需要學生在選修該門課程之前具有扎實的高等數學、固體物理、量子力學等課程基礎，單純依賴教師的講解無法在規定學時內達到預期教學效果。同時，本門課程物理概念多、易混淆知識點多、物理模型推導過程繁瑣，因此，學生在學習過程中經常感到內容抽象、知識點銜接困難，進而失去學習動力。另外，本門課程為基礎理論課，較難通過實物演示讓學生明白其中的物理過程，這也給不少學生理解相關知識點帶來了困難。（二）教學模式單一。與大部分高校類似，重慶郵電大學“半導體物理學”課程的講授方式也是課堂板書加多媒體技術的教學方式。這種單一的教學模式一方面會使得教師無法合理規劃教學進度。由于這種傳統授課模式主要依賴于教師的講解，而本門課程的內容較多，難度較大，但僅設置了64學時，使得不少教師的授課重點集中于概念的講解及相關模型公式的推導，而極少有時間詳細講解相關概念及模型的來龍去脈、相互關聯以及應用實例，這樣使得教師雖然付出了大量的心血，但實際教學效果并不理想。另一方面，單一的教學模式會讓學生感覺內容枯燥，缺乏學習興趣，進而導致其對相關的知識點理解不夠透徹，逐漸對課程學習感到吃力，以至于出現厭學的情況。（三）學生參與度不高。根據我們多年的教學實踐發現，不少大學生對“半導體物理學”課程的參與度比較低，具體表現在以下幾個方面：（1）認知方面：大部分學生課后不會對所學知識加以歸納，沒有課前預習課后復習的習慣，不會利用圖書館的資源學習，課后作業經常出現抄襲現象，在課程考試前夕只能通過傳統方式進行死記硬背，造成學習效率低下，并且對知識的理解與運用不夠。（2）興趣方面：在教學實踐過程中，學校過于注重學生的卷面成績，忽視了學生的興趣培養，從而導致在教學過程中，十分注重知識點的記憶，這樣一來，課堂必然缺乏活躍氛圍，長此以往，學生將會對“半導體物理學”課程學習產生抵觸心理。（3）行為方面：雖然出于提高學生注意力的考慮，不少大學已經禁止學生在課堂上使用電子產品，但不少學生在課堂上仍然表現得非常沉默，不愿與教師交流，沒有自己的想法，同時在課外很少主動學習相關知識，尤其是實驗動手能力較弱。

二“半導體物理學”教學改革探索

微電子專業為重慶郵電大學重點發展學科之一，擁有重慶市微電子工程重點實驗室、中央與地方共建的微電子工程中心、“微電子專業實驗中心”重慶市高校實驗教學示范中心等多個教學及科研基地。微電子專業采取國際化的辦學思路，力求培養具有國際視野、面向工程應用、面向市場需求，致力培養涵蓋微電子器件研發、集成電路及系統設計、集成電路工藝研發、芯片封裝測試等高端理論研究和實踐應用型專業人才。為實施教育教學改革和人才培養創新辦學模式，該專業采用與國際接軌的先進教學理念和“1+2+1”培養模式培育學生，即第1年以外教為主強化英語教學，培養國際化基礎能力；第2-3年聘請國內外專家學者到校教學，著重學生的專業基礎和技能培養；第4年為學生提供到境內外知名集成電路企業實習、到境內外知名大學學習及攻讀碩士學位等個性化培養方案。針對第一部分提到的若干典型問題，我們以重慶郵電大學微電子專業為例，結合其面向工程應用、面向市場需求、國際化教學等專業特色，提出了在教學中引入前沿熱點案例分析、互動教學、雙語教學等一系列改革措施，希望為高校特色專業建設提供一條新思路。（一）前沿熱點案例分析。由于“半導體物理學”的內容抽象，長時間的理論講解會使學生感到枯燥乏味，因此我們有必要結合當前的熱點科技問題講解本門課程相關知識點在生產實踐中的具體應用，以激發學生的學習興趣，同時提高學生分析問題，解決問題的能力。當今微電子技術的發展日新月異，與材料科學與工程、自動化、機械工程、生物工程、計算機科學等領域的交叉及滲透越來越強，不斷涌現出許多新問題、新概念、新理論及新方法[6-8]。這些前沿科技成果的理論基礎正是“半導體物理學”，對相關前沿熱點進行案例分析，是該門課程教學改革的突破口。在保持課程知識結構的完整性與系統性的同時，合理安排教學內容，在教學中適當增加新的知識，并簡要介紹微電子行業未來發展趨勢，有利于提高學生的專業素養及創新思維能力。例如，我們在講授二極管、三極管相關內容時，除了講解傳統的結構，還可以結合量子力學的最近成果，簡要介紹自旋場效應晶體管、單電子晶體管等新概念器件。還可以結合手機發展史，說明每一代半導體材料及電子元器件對通訊技術變革的深刻影響。通過對這些前沿熱點進行案例分析，可以激發學生的學習熱情以及參加相關科技活動的積極性，同時也會使學生意識到“半導體物理學”既有趣又有用，不僅對他們后續專業課程的學有裨益，也對其今后的學習深造及工作影響深遠。（二）互動教學。由于每個學生的基礎并不一樣，因此在教學過程中要注意因材施教，引導學生進行思考，化被動為主動，讓學生自己發現問題并嘗試解決問題。這種模式需要學生與教師在課堂中有充分的互動交流，而不僅僅是教師的獨角戲，這樣會有利于學生后期的國際化培養。這種互動教學模式一般分為三個步驟：首先是確定教學目標。教師在每節課程結束時通過相關問題引出下次課的教學目標及主要內容，讓學生帶著問題去預習。例如在講解電子有效質量的概念時，可以先讓學生思考如何描述半導體中電子的運動狀態？運動的電子與自由電子有什么不一樣？如何處理半導體晶格中原子及其他電子的影響?這樣學生需要復習固體物理中與自由電子模型相關的內容，再結合對教材相關章節的預習，學生就會對電子有效質量有更深刻的認識。然后是頭腦風暴。在新課之前，給學生一些時間對上次提出的問題進行小范圍的討論，最后教師對學生的回答進行點評，這樣可以促使學生參與課堂學習，避免一些學生因為聽不懂問題而逐漸對本課程失去興趣，同時也可以加深學生對相關知識點的理解。最后是分組討論。教師在講解新內容時可以通過提問-討論-分析-總結的方法讓學生全程參與互動學習。這樣學生不僅能夠掌握新的知識，還能鍛煉其思維能力及表達能力，增進課堂學習氛圍。同時這種互動教學模式也可以提高參與討論學生的成就感，改變他們對“半導體物理學”的固有觀念，提高自我學習能力。（三）雙語教學。為支撐本專業學生的國際化培養，我們與必要在講授“半導體物理學”時，對相關的專業英語知識進行簡要介紹，這樣才能提升學生的國際化視野。目前，許多學生在閱讀英文科技文獻時最大的障礙是專業詞匯貧乏。其實，不少專業詞匯學生們并不陌生，只是不了解其不同語境中的含義以及用法，例如“空穴”用英文表達為hole，“載流子”用英文表達為carrier，其含義與“孔洞”、“運輸工具”等常見意義相去甚遠，教師在課堂上結合相關知識點予以說明后學生便非常容易掌握和記憶。我們在實際教學中，除了在講述相關重要的概念時會進行英文注釋，還會在每個章節的開頭及小結部分介紹知識網絡圖時用中英文說明，而在講解某些技術前沿進展時，我們也會采用英文課件。通過這樣長期的熏陶，學生會逐漸習慣相關知識點的英文表達方式，這對學生后期的國際化培養至關重要。

三“半導體物理學”教學改革實踐效果

在我校進行新工科建設、微電子特色專業建設以及工程教育專業認證的背景下，我們在2016級及2018級微電子專業本科實驗班中對“半導體物理學”課程進行了試點教學改革，取得了良好的教學效果。通過引入前沿熱點案例分析、互動教學等相應改革措施，學生的學習熱情及自我學習能力得到了極大提高，許多學生在課后也愿意在課后到圖書館搜集資料，獨立思考并解決相關學習問題，同時與其他班級對比發現，試點班級學生的卷面成績要比對照班級平均高20%。由此可見，教學模式的改變能激發學生的學習興趣及創造性。學生也樂于運用“半導體物理學”去解決一些實際問題，參加相關的科技活動，提升自己的綜合能力。

四結語

近年來，作者一直在高校從事“半導體物理學”的教學工作，實踐表明，半導體物理學為電子信息類專業一門重要的基礎理論課程，具有內容抽象、教學模式單一、學生參與度不高等特征，從而導致教師往往付出了大量心血，但教學效果卻經常不理想，針對這些問題，我們提出了在教學中引入前沿熱點案例分析、互動教學、雙語教學等相應改革措施，激發了學生自我學習的主動性，并收獲了良好的教學效果。我們期待今后不斷發展和完善新的教學模式，為高校特色專業建設提供一條新思路。

參考文獻

[1]張靜,洪學鹍,侯海虹，等,新能源專業“半導體物理”課程教學改革初探[J],科教文匯(上旬刊),2016,370:46-47.

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[8]張銘,王如志,汪浩,等.基于研究性學習的半導體物理課程教學改革[J].科教文匯(上旬刊),2011,7:47-48.

作者:尹康 周前能 張麗 馮世娟 戚飛 張文霞 單位:重慶郵電大學