高職《半導體器件物理》課程教學改革的探索

余 菲，趙 杰

（深圳職業技術學院，廣東 深圳 518055）

高職《半導體器件物理》課程教學改革的探索

余 菲，趙 杰

（深圳職業技術學院，廣東 深圳 518055）

針對高職微電子技術專業開設的《半導體器件物理》課程出現的教學內容與實際工作銜接不上、課程教法陳舊、學生接受程度差等問題，本文通過分析高職微電子專業學生就業崗位的典型工作過程，提出適合高職的《半導體器件物理》教學內容，探索實施“實驗向導”方式的教學活動，采用四維形成性考核方案，取得了一定的效果．

半導體器件物理；課程改革；高職

微電子技術是一個新興的學科，在高職院校作為一個專業來培養人才的時間還不長，但是作為信息產業的核心領域，微電子產業需要大量的從業人員，從事和集成電路相關的生產、設計、封裝測試等工作．其中《半導體器件物理》是微電子技術課程體系必要的專業課程之一，但是由于半導體器件物理學科本身的特點，內容涉及大量的有關能帶、晶體等物理學知識，以及大量的數學推導和證明，一直以來，在高職微電子技術專業，都被視為學生最難學，老師最難教，學習效果最不理想的一門專業課[1-3]．目前的《半導體器件物理》課程明顯不適合高職領域的教學規律，改革迫在眉睫．我們對該課程的改革進行了一些探索．

1 改革教學內容使其與職業對接

1.1 傳統學科體系教學內容的設置思路

目前的高職《半導體器件物理》課程內容設置基本上和本科學習差別不大，只是簡單做了一些內容的刪節．傳統學科體系中《半導體器件物理》課程的內容設置是服務整個學科，傳統的微電子學是研究固體中載流子運動規律，進而實現微小電路的電子學分支學科，微電子學的學科體系見圖1．

圖1 微電子學的學科體系

根據學科體系的思路，微電子學最終的目的是實現一類在半導體上的微小尺寸的電路．要實現這樣的電路需要研究半導體上實現的電路元件的結構和原理，以及研究實現這類電路的加工過程和方法，最終根據電路的功能設計出相應的電路結構．在學科體系中，半導體器件物理是服務于半導體器件設計和半導體器件原理分析，是微電子領域的重要內容．基于這樣的目的，半導體器件物理的前導課程包括大量的物理和數學知識，相當深度的固體物理學知識．通過固體物理學原理，利用已有的物理知識和數學工具分析各種器件工作的物理過程，為進一步設計新型器件做準備．

1.2 高職微電子技術的工作崗位和典型工作過程

借鑒德國高職課程體系開發的基本思路，要找到學生的工作崗位，根據工作崗位分析典型工作過程，從典型工作過程提取具體行動領域，然后再得到學習領域的課程[4-5]．根據微電子產業的分布，微電子崗位群可以基本劃分為集成電路設計、集成電路生產、集成電路封裝與測試3個方面，具體的工作崗位分布如圖2所示．

根據對微電子產業的崗位分析，可以適合高職類學生參與的工作崗位用黑體做出了標記．其中集成電路版圖設計、模擬集成電路設計這2個工作過程中需要用到半導體器件物理的知識．

針對集成電路版圖設計工作崗位的典型工作過程是：集成電路版圖分析與識別→電路圖整理與繪制→集成電路版圖布局、布圖→集成電路版圖編輯→DRC檢查和LVS檢查→參數提取、修改提高與風險規避．針對模擬電路設計工作崗位的典型工作過程是：分析電路功能與性能參數→確定電路結構→前仿真→根據仿真效果進行改進→后仿真與改進．

1.3 適合高職的學習領域內容的選取

學習領域內容的選取，是根據前面典型工作過程的分析，提取出行動領域，再選擇學習領域．在前面2個工作崗位的典型工作過程的行動領域當中，有多處可以映射到半導體器件物理的學習領域．針對集成電路版圖的分析與識別，集成電路版圖編輯的工作，需要的知識為半導體器件的空間結構，以便學生掌握識別和繪制半導體器件版圖的能力．在版圖風險規避這個工作過程，需要學生掌握載流子的輸運的基本原理，PN結的電學特性，擴散電容與勢壘電容，常見寄生器件的電路和原理分析．針對于模擬電路的設計，要了解 MOSFET的電學特性，雙極型晶體管的基本特性曲線．

根據上面的分析發現，適合于高職領域的《半導體器件物理》學習領域課程的內容與傳統的教學內容既有區別又有相同之處．經過整理，適合高職的《半導體器件物理》學習領域課程內容見表1．

圖2 微電子產業崗位分布圖

表1 改革后的《半導體器件物理》學習領域內容

2 改革《半導體器件物理》的教學實施方案

傳統的《半導體器件物理》課程是純理論課程，實施的方案也比較簡單，通常是通過教師的講授，加上學生的課程設計報告等內容結合來組織教學．由于高職學生理論功底較弱，數學物理背景不強的原因，通常這類課程學生的厭學情緒比較強，能真正掌握相關理論的學生比較少，導致用人企業始終抱怨學生對半導體器件物理知識掌握過于薄弱．

針對這一特點，結合前文所述的教學內容改革方法，在深圳職業技術學院微電子技術專業采用了以實驗引導學習的課程實施方案，讓學生在一個個的實驗項目實施過程中，逐漸掌握半導體器件物理的相關知識，見表2．

改革后的《半導體器件物理》課程通過7個實驗來實施教學，每個實驗都有一些引導問題，課程的任務就是通過實驗去解決、解釋這些問題．在解決問題的過程中，需要掌握分析問題的基礎，而這些分析問題的知識，正是安排的教學內容．

通過這樣的手段，避免了傳統的老師講、學生聽的枯燥學習過程，讓學生在任務中去主動尋找那些以后工作中有用的基礎知識，增加了學生的動手能力，提高了學生的興趣，改善了學習效果．

表2 “實驗行動向導”的課程實施方案

3 改革《半導體器件物理》的課程考核方法

傳統的《半導體器件物理》課程以理論教學為主要實施手段，課程多采用期末筆試為主的考核方案．深職院微電子技術專業實施的《半導體器件物理》課程改革是以7個實驗為向導的教學實施過程，采用形成性考核方案，把整個課程分為8個考核節點，每個實驗為一個考核節點，最后期末考核為一個考核節點．

在每個實驗任務的考核過程中，根據微電子技術人才職業素質和職業能力的要求，提出了四個維度的考核方式，包括：任務完成質量、分析問題與解決問題、團隊協作與互評、知識掌握情況．每個任務都按照這四個維度打分，其中團隊協作與互評是采用團隊成員互評的方法，互相打分．最終把所有 7個項目的分數求和，得到最終的“平時成績”．

期末考核節點采用實操考核的方式，通過實際的現場實驗操作來考核學生掌握和運用本學期知識的能力，同時也考察學生的動手能力，分析問題和解決問題的能力．最終期末成績和平時成績加權得到總的考評成績．

通過改革探索，深圳職業技術學院微電子專業的《半導體器件物理》課程按照新的方法實施了3年，總體上收效比較明顯，主要體現在以下幾個方面：學生學習興趣增加，學到知識和技能增多，成績提高、通過學習本門課程，學生感覺《集成電路工藝原理》、《集成電路設計技術》、《IC版圖設計》等課程學習起來更加容易、企業用人反映學生該領域知識功底有所加強、學生掌握了一些必要的電子學儀器使用技能和設計實驗的技能．

[1] 唐瑩，李萬清．《半導體器件》課程教學的改革探索[J]．重慶電子工程職業學院學報，2010（2）：63-64．

[2] 陳國英．《半導體器件物理基礎》課程教學的思考[J]．常州信息職業技術學院學報，2007（6）：56-57，60．

[3] 蘇秦．基于課程改革研發職業教育教材—評《半導體器件物理與工藝（基礎版）》[J]．江蘇經貿職業技術學院學報，2011（5）：91-92．

[4] 馬樹超，范唯．中國特色高等職業教育再認識[J]．中國高等教育，2008（13-14）：53-55．

[5] 姜大源．世界職業教育課程改革的基本走勢及其啟示[J]．中國職業技術教育，2008（27）：7-13．

Teaching Semiconductor Device Physics in TVET: A New Approach

YU Fei, ZHAO Jie

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen，Guangdong 518055, China）

The course，Semiconductor Device Physics, in microelectronic program in TVET is faced with problems such as poor link with actual work, out-dated teaching methods, and poor reception on the part of students. In this paper, the typical working process in microelectronic field is analyzed, and new teaching materials are proposed. By implementing the experiment wizard teaching method, and four-degree appraisal approach, satisfactory results have been achieved.

Semiconductor Device Physics; course reform; TVET

G712；TN301

A

1672-0318（2014）05-0077-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 015

2013-12-19

余菲（1982-），男，黑龍江人，講師，博士研究生，主要研究方向為集成電路設計．趙杰（1963-），女，安徽人，教授，博士，主要研究領域為微電子理論．