微電子科學與工程專業半導體器件探討

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【摘要】隨著通信技術的發展，教學模式已由傳統的面對面教學發展到線上教學。線上教學可以保障學習不受時間、空間的限制，只要具備網絡條件，學生便可以進行課程知識的學習。以中南大學微電子科學與工程專業半導體器件物理課程的線上教學實施為例，分析課程的課堂簽到情況、聽課情況、作業完成情況等，提出優化教學內容、引入課程思政元素、加強課堂互動等改進方式，以提升教學質量，培養適應現代化建設和科技發展的高素質微電子領域人才。

【關鍵詞】線上教學;微電子科學與工程專業;半導體器件物理課程

受肺炎疫情的影響，人們的工作、溝通和學習方式等都發生了重大變化。［1，2］其中，學校教育的工作模式由傳統的面對面教學轉變為線上教學。［3］線上教學主要分為兩種方式，即直播教學和利用線上資源開展教學。直播教學模式基本復制了傳統的教學方法，易于被教師和學生接受。而利用線上資源開展教學，則是一種新型的教學方式，對于教師和學生而言，他們在思想和能力上仍存在一定的適應困難。對于教師來說，開展線上教學需要教師具備創新教育理念，熟悉現代信息科技產品的使用方法。對于學生來說，參與線上學習需要學生具備必要的學習硬件設施，具有較強的自我管理能力，能夠主動識別網絡不良信息。線上教學打破了傳統教學的局限性，資源更為豐富，能夠拓寬學生的知識面，實現對問題的深入探究。更重要的是通過現有的大數據技術，可以追蹤學生學習的全過程，通過對學生學習過程進行分析，可以精確診斷學生在學習中存在的問題，對學生提出定制化的指導建議，也有利于教師發現教學中存在的問題，便于教師改進教學方案，提升教學質量。［4］在肺炎疫情影響下，中南大學將2019～2020年度下學期的課程全部調整為線上教學課程。其中，半導體器件物理課程是中南大學微電子科學與工程專業二年級學生的專業必修課，該課程于2019年開始實施線上線下混合式教學改革，在2020年初開始錄制線上課程資源，主要采用“講授課件+錄屏”的方式開展教學。課程于2020年3月通過超星教學平臺開展線上教學，目前已對一個班級開展授課，學生為24人。本文對半導體器件物理課程的課堂簽到情況、聽課情況、作業完成情況等展開分析，并根據半導體器件物理課程基礎理論要求高、內容抽象等特點，［5］對后期教學的改進提出建議。

一課堂情況

課堂授課作為教學過程中的重要環節，匯集了課程的教學內容、教師的教學組織、學生的知識學習過程，對課堂簽到、反芻比、任務完成、課后作業及期末成績等多項指標進行統計，分析學生的時間觀念、學習態度和自我管理等多維度信息。1.簽到情況半導體器件物理課程的授課時間為每周一下午第7～8節課和周三晚上第9～10節課，選取其中10次課堂的簽到情況進行數據統計。簽到表現分為4種情況，早簽、正常簽、遲簽和不簽。其中，早簽定義為上課當天中午12點前簽到，正常簽指12點以后至下課前簽到。24名學生的實際簽到統計情況如圖1所示，其中，不簽率僅為2.1%，反映出學生的簽到意識較強，但遲簽率較高，為30.4%，早簽率相對較低，僅為13.8%，說明學生的時間觀念有待加強。為便于數據分析，對早簽、正常簽、遲簽和不簽4種情況定義不同權重系數，分別為20、10、5和0，根據總權重對24位同學進行排序分析，如圖1折線所示，由左至右權重逐漸增加。根據簽到權重分，可將學生分為簽到優秀(≥105分)、合格(85～100分)和不合格(≤80分)三類，在圖1中用虛線將三類人員分開，人數分別為7、11和6，優秀和不合格人數分別占比29%和25%，結果呈正態分布。其中，早簽的63.6%為簽到優秀學生，不簽的80%發生在簽到不合格的學生中。簽到加權分數最低的1號同學的簽到情況非常特殊，他沒有一次不簽，但也沒有一次正常簽，全部為遲簽，可見1號同學的時間觀念和自我管理意識不強。2.聽課情況對學生觀看課程視頻的反芻比數據進行分析，如圖2所示。反芻比的平均值為105.74%，簽到優秀、合格和不合格學生反芻比的平均值分別為71.44%、110.60%和127.56%。反芻比低于70%的共有6名學生，其中67%為簽到不合格學生;反芻比高于130%的有6名學生，其中67%為簽到優秀學生。由此可以得出，簽到情況與學生的聽課主動性、認真程度有較強的相關性。此外，1號同學的反芻比接均水平，說明1號同學具有較強的求知欲和學習興趣。課程講授方式包括線上學習和翻轉課堂兩種，半導體器件物理課程以線上學習為主，共計42學時，21次課時。將教學視頻、課件及課外拓展資源均上傳至教學平臺，平臺上的瀏覽次數可以反映學生的學習積極性。調取學生瀏覽次數的統計數據，結果如圖3所示，瀏覽次數最高為432次，是最低次數80次的5.4倍。瀏覽次數排名最靠前的3名學生有兩名是簽到優秀學生，而瀏覽次數排名最末尾的3名學生均為簽到不合格學生，這反映出學生的簽到情況與學習積極性具有較強的正相關性。如果以每學時有一次瀏覽來計算，預計瀏覽總次數應達到1008次，而實際瀏覽次數共計5555次，人均瀏覽231次。其中，簽到優秀、合格和不合格學生的平均瀏覽次數分別為293次、236次和151次，這反映出近80%的學生具有較強的學習積極性。此外，本課程共布置網上任務92次，學生任務完成次數如圖3所示，75%的學生完成了全部任務，在沒有完成全部任務的學生中，有84%的學生為簽到不合格學生。圖3課程瀏覽次數和任務完成次數統計3.作業完成情況在網上建立課后小測驗的試題庫，要求學生在學習完對應章節后，完成作業并提交，由網上自動批改系統進行批改，再反饋給學生，這不僅減少了老師的工作量，而且大大提高了信息反饋速度，有利于調動學生的學習主動性。圖4作業平均分和期末成績統計作業平均分統計如圖4所示，作業平均分為86.5分。其中，簽到優秀、合格和不合格學生的作業平均分分別為90.03分、91.15分和73.86分，簽到合格學生的作業平均分略高于簽到優秀的學生，但差距不大，而作業平均分排名靠后的25%的學生中，有83.3%為簽到不合格的學生。由此可見，學生對知識的理解不僅與自身的學習主動性有關，還與學生的認真程度、理解能力及知識基礎等多方面因素有關。4.學習效果對學生的學習效果進行評價時，需綜合考慮學生的課堂參與度、課后作業和期末考試三方面的情況。為了減少人為因素，便于數字化評判，僅對期末考試成績進行分析。本次考試為網上開卷考試，成績如圖4所示，平均期末成績為78.33分。其中，簽到優秀、合格和不合格學生的平均期末考試成績分別為81.57分、75.9分和79分。期末考試成績低于平均分的學生共有11人，其中，簽到優秀、合格和不合格學生的人數分別為2人、5人和3人。期末成績高于85分的學生共有8人，其中2人為簽到優秀，5人為簽到合格，1人為簽到不合格。由于期末考試的綜合性與難度較高，簽到優秀與簽到合格的學生之間的分差較大，對比這部分學生的作業平均分與期末成績可以看出，二者具有較高的相關性，相比之下，學生的作業平均分、期末成績與簽到、反芻比等其他學習過程參數的相關性較弱。平時簽到率低的學生在期末考試中成績波動性較簽到率高的學生更大，平時簽到率低的學生平均期末考試成績超過簽到合格的學生，但略低于簽到優秀的學生，說明期末考試成績受學生的重視程度影響較大。盡管半導體器件物理課程的理論性較強，但在網絡視頻教學資源的支撐下，學生可以根據自己的需要學習課程內容，經過短時間的強化學習，仍然可以在期末考試中取得較好的成績。這種學習方法雖然能夠在短時間內提升期末考試成績，但從知識積累上看，這種方式獲取的知識被遺忘的時間周期也較短，不利于知識的有效積累。

二教學改進方向

通過對上述網上教學數據的分析與思考，得知多數學生都具有較好的自我管理能力和學習主動性。為了提升線上教學質量，半導體器件物理課程還需要從教學內容的設計與呈現、學生學習興趣的調動、學生綜合素質能力的培養等多個方面進行優化。由于半導體器件物理課程是微電子相關專業的必修課，理論知識枯燥乏味、深奧抽象、難以理解，學習起來難度較大，這就需要教師結合中南大學微電子科學與工程專業培養封裝制造領域優秀人才的目標和工程應用特點，優化教學內容，構建一套完整的知識體系，進一步拓展器件工程應用與設計的聯系，適當增加教學難度，設置一些高階知識點，需要學生“跳一跳才”能“摘”得到，提升學生的學習成就感，激發學生的學習興趣。在教學內容呈現上，引入課程思政元素，如開展老一輩科技工作者在艱苦條件下取得的微電子領域卓越科研成果案例教學，培養學生自強不息的奮斗精神，提升課程教學效果。同時，可以在教學過程中增加課前回顧和課后小結環節，及時對教學中的重點內容進行全面分析、總結，幫助學生快速抓住課程重點。在教學過程中加強課堂互動，尤其是學生之間的互動，引導學生培養探究性學習習慣，加強自我表達和人際溝通能力的培養。完善試題庫建設，增加開放性問題的設置比例，培養學生的發散性思維，加強基礎知識的學習，培養學生的創新能力。此外，充分利用網絡資源，開展互動反饋教學，促進師生互動、生生互動，形成閉環正反饋系統，不斷完善網絡課程建設。

三結論

線上教學模式是新技術與教育發展需求相結合的有效育人模式，能夠為教育資源共享、提升教學質量、應對突發災害等提供有效的解決路徑。教師在教學過程中，可以根據學生的課堂簽到率、作業完成情況和反芻比等了解學生的學習情況，對學生進行個性化綜合評判。同時，還需要從優化教學內容、引入課程思政元素、加強課堂互動等多維度進行教學優化，以提升線上教學質量，培養學生的創新能力，提高學生的綜合素質。

參考文獻

［1］湛新星．淺析后疫情時期高校線上教育的發展［J］．科技視界，2020(23)

［2］曾文輝．線上教育之思［J］．廣東教育(綜合版)，2020(6)

［3］吳玲玲．線上教育中“教”的變化［J］．各界，2020(16)

［4］馬祥，廖春生．高校網絡課程建設及教學評價研究［J］．教育教學論壇，2020(11)

［5］馬奎．關于半導體器件物理課程教學方法改革的幾點考慮［J］．教育教學論壇，2020(22)

作者：孫小燕 胡友旺 單位：中南大學機電工程學院