“學案導學”教學模式在半導體物理課程教學中的實踐

許德富

摘 要：該文簡述了“學案導學”教學模式在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的核心專業基礎課程“半導體物理學”中的實踐情況，具體包括教學模式的總體目標確定、教學內容的重新構建、導學案的編寫、課堂教學過程的實施、教學效果的評價等五個方面。

關鍵詞：材料科學 半導體物理 教學模式 學案導學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0181-02

半導體物理學是以半導體中原子狀態和電子狀態以及各種半導體器件內部電子運動過程為研究對象的學科，是固體物理的一個重要組成部分，凝聚態物理的一個活躍分支[1]。半導體物理學是一門公認的難教、難學的課程，為了提高半導體物理學的教學質量，相關院校的教師們提出了許多有益的建議和有效的方法，如類比學習法[2]、多媒體教學法、市場導向法[3]等。基于提高課堂效率、改善半導體物理學課程的教學效果的目標，作者在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的半導體物理學的教學中，對傳統的課堂教學模式進行改革，在半導體物理學的課堂教學中采用“學案導學”教學模式，該文就“學案導學”教學模式在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的半導體物理學課程教學實踐作一簡述，供同行參考。

1 半導體物理學課程教學模式改革的必要性和迫切性

傳統半導體物理學的主要內容包含半導體的晶格結構、半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布、非平衡載流子及載流子的運動規律、p—n結、異質結、金屬半導體接觸、表面及MIS結構等半導體表面和界面問題以及半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現象[4]。但是近年來半導體物理發展迅猛，新現象、新理論、新的研究領域不斷涌現。上世紀50～60年代，屬于以固體能帶理論、晶格動力學理論、金屬—半導體接觸理論、p-n結理論和隧道效應理論為主的晶態半導體物理時代；70～80年代則形成半導體超晶格物理、半導體表面物理和非晶態半導體物理三足鼎立的格局；90 年代以后，隨著多孔硅、C60以及碳納米管、納米團簇、量子線與量子點微結構的興起，納米半導體物理的研究開始出現并深化；現在，以GaN為主的第三代半導體、有機聚合物半導體、光子帶隙晶體以及自旋電子學的研究，使半導體物理研究進入一個新的里程[5]。

半導體物理學是材料科學工程專業（光伏方向）的核心專業課程，是太陽能電池原理等后續專業課程的基礎。它是一門理論性較強同時又和實踐密切結合的課程。要透徹學習半導體物理學，既要求有較強的數學功底，熟悉微積分和數理方程；又要求有深厚的物理理論基礎，需要原子物理、統計物理、量子力學、固體物理等前置課程作為理論基礎。由于材料科學工程（光伏方向）培養目標側重于培養光伏工程專業技術人才，而不是學術型的研究人才，在課程設置方面有自己的獨特要求，學生在學習半導體物理之前，沒有系統學習過數學物理方程、量子力學、固體物體、統計物理等專業課程，所以理論基礎極其薄弱，這給該門課程的教學帶來極大的困難和挑戰。而且半導體物理的理論深奧，概念多，公式多，涉及知識范圍廣，理論推導復雜，沿用“教師講學生聽”的傳統課堂教學模式，學生學習興趣不高，直接的結果就是課程教學質量較低，教學效果不好，學生學習普遍被動。面對發展迅猛的半導體物理和目前教學現狀，如果不對“教師講、學生聽”的半導體物理學的課堂教學模式進行改革，難以跟上形勢的發展。為此教師要在半導體物理學教學中采用了“學案導學”教學模式。

2 “學案導學”導學教學模式在半導體物理課程教學中的實施過程

“學案導學”教學模式由“學、教、練、評”四個模塊構成。“學”，就是學生根據教師出示的教學目標、教學重點、教學難點，通過自學掌握所學內容。“教”，就是教師講重點、難點、講思路等。“練”，就是通過課堂訓練和課后練習相結合，檢驗學習效果。“評”，就是通過教師點評方式矯正錯誤，總結方法，揭示規律。“學案導學”教學模式相對于傳統教學模式的改革絕不是一蹴而就的課堂教學形式的簡單改變，而是一項復雜的系統工程，包括教學模式的總體目標確定、教學內容的重新構建、導學案的編寫、課堂教學過程的實施。

2.1 半導體物理學“學案導學”教學模式總體目標的確定

半導體物理學課堂教學模式創新的總體目標是：以材料科學工程專業（光伏方向）人才培養方案和半導體物理學課程教學大綱依據，以學生為主體，以訓練為主線，以培養學生的思維方式、創新精神和實踐能力為根本宗旨，倡導自主、合作、探究的新型學習方式，構建自主高效的課堂教學模式；注重學生的主體參與，體現課堂的師生互動和生生互動，關注學生的興趣、動機、情感和態度，突出學生的思維開發和能力培養；針對學生的不同需求，實行差異化教學，面向全體，分層實施。

2.2 根據人才培養方案構建合理有效的教學內容

半導體物理學的教材種類較多，經典教材包括：黃昆、謝希德主編的《半導體物理》（科學出版社出版）；葉修良主編《半導體物理學》（高等教育出版社出版）；劉恩科、朱秉生主編《半導體物理學》（電子工業出版社出版）。該校教研組經過認真分析，選擇劉恩科主編的《半導體物理學》第7版作為教材，該書內容極其豐富，全書共分13章，前五章主要講解晶體半導體的結構、電子的能帶、載流子的統計分布、半導體的導電性、非平衡載流子理論等基礎知識，第6章講PN結理論，第7章講金屬和半導體的接觸性能、第8章講半導體的表面理論、第9章講半導體的異質結構，第10、11、12章講解半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應，第13章講解非晶態半導體的結構和性質；該教材理論性很強，有很多繁雜的數學推導，要真正掌握教材所講內容，需要深厚的數學功底和物理理論功底。該校材料科學工程專業（光伏方向）立足于培養光伏工程的應用型人才，學生理論功底較為薄弱，故我們對理論推導不做過高的要求，但對推導的結果要形成定性的理解。具體要求學生掌握半導體物理學的基本理論、晶體半導體材料的基本結構、半導體材料基本參數的測定方法。根據人才培養方案的要求，我們確定的主要理論教學內容有：（1）半導體中的電子狀態；（2）半導體中的雜質和缺陷能級；（3）半導體中載流子的統計分布；（4）半導體的導電性；（5）非平衡載流子理論；（6）PN節；（7）金屬和半導體接觸；（8）半導體表面理論。對半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應以及非晶態半導體不做要求。在課程實踐方面我們開設四個實驗：（1）半導體載流子濃度的測定；（2）少數載流子壽命的測量；（3）多晶硅和單晶硅電阻率的測量；（4）PN節正向特性的研究和應用。endprint

2.3 立足學生實際精心編寫導學案

“導學案”是我們指導學生自主學習的綱領性文件，對每個教學內容都精心編寫了“導學案”。“導學案”主要包括每章節的主要內容、課程重點、課程難點、基本概念、基本要求、思考題等六個方面的內容。以“半導體中的電子狀態”為例，我們編寫的導學案如下：

2.3.1 本節主要內容

原子中的電子狀態：

（1）玻耳的氫原子理論；（2）玻耳氫原子理論的意義；（3）氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑；（4）索末菲對玻耳理論的發展；（5）量子力學對半經典理論的修正；（6）原子能級的簡并度。

晶體中的電子狀態：

（1）電子共有化運動；（2）電子共有化運動使能級分裂為能帶。

半導體硅、鍺晶體的能帶：

（1）硅、鍺原子的電子結構；（2）硅、鍺晶體能帶的形成；（3）半導體（硅、鍺）的能帶特點

2.3.2 課程重點

（1）氫原子能級公式，氫原子第一玻耳軌道半徑，這兩個公式還可用于類氫原子。（今后用到）

（2）量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現幾率最大的地方。電子的狀態可用四個量子數表示。

（3）晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動。

（4）半導體（硅、鍺）能帶的特點：

①存在軌道雜化，失去能級與能帶的對應關系。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶，上能帶稱為導帶，下能帶稱為價帶。

②低溫下，價帶填滿電子，導帶全空，高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶，使晶體呈現弱導電性。

③導帶與價帶間的能隙（Energy gap）稱為禁帶（forbidden band），禁帶寬度取決于晶體種類、晶體結構及溫度。

④當原子數很大時，導帶、價帶內能級密度很大，可以認為能級準連續。

課程難點：原子能級的簡并度為（2l+1），若記入自旋，簡并度為2（2l+1）；注意一點，原子是不能簡并的。

基本概念：電子共有化運動是指原子組成晶體后，由于原子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上，可以由一個原子轉移到另一個原子上去。因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。但須注意，因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層中轉移。

基本要求：掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式；掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點；掌握硅、鍺能帶的特點。

思考題：（1）原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同，原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。（2）晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響。

2.4 以學生為主體組織課堂教學

在每次上課的前一周，我們將下周要學習的內容的導學案印發給學生，人手一份，讓學生按照導學案的要求先在課余時間提前預習，對一些基本概念要有初步的理解，對該課內容要形成基本的認識。比如，我們在學習“半導體中的電子狀態”這一內容時，要求學生通過預習要清楚：孤立原子中的電子所處的狀態是怎樣的；晶體中的原子狀態又是怎樣的；半導體硅、鍺的能帶有何特點。在課堂教學中我們的教學組織程序是一問、二討論、三講解、四總結。一問，是指通過提問，抽取個別同學回答問題，了解學生的自主學習情況。二討論是指讓同學們就教師提出的問題開展自主深入的討論。例如就晶體中電子的狀態這一問題，讓學生討論什么是共有化運動；電子的共有化遠動是如何產生的；電子的共有化運動有何特征；電子的共有化運動如何使能級分裂為能帶。讓學生暢所欲言，充分發表自己的意見，教師認真聆聽，發現學生的錯誤認識，為下一步的講解做好準備。三講解是指就三個方面的知識進行講解，其一是就學生討論過程中的錯誤認識和錯誤觀點及時的糾正；其二是對學生不具備的理論知識進行補充講解，例如學生不具備量子力學基礎，就要給學生補充講解量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現幾率最大的地方，電子的狀態可用四個量子數表示；其三是就難點進行講解，比如原子能級的簡并度，學生理解起來較為困難，就需要教師深入細致地講解；四總結就是歸納本堂課要掌握的重點知識，那些基本概念必須掌握，那些基本公式必須會應用。

3 “學案導學”教學模式在半導體物理課程教學中有效性的評價

在樂山師范學院材料科學工程專業（光伏方向）的2011級、2012級三個班半導體物理學的教學中，采用“學案導學”教學模式，取得了良好的教學效果。這體現在以下三個方面：一，學生養成了在課前自主學習的良好習慣，在課堂上積極參與討論，活躍了思維，激發了學生的學習熱情；二，學生帶著問題上課，澄清了很多模糊的認識，極大地提高了學習效率；三，從考試成績看，優秀率和合格率大幅度提高，表明學生對半導體物理學的基本理論、對半導體材料的基本特性、對半導體材料參數的測試方法均有較好的掌握。這說明學案導學教學模式在半導體物理學的教學中是成功的。

參考文獻

[1] 馬鐵英，孫一翎，沈為民.“半導體物理”重點課程建設與教學探討[J].科技信息，2009（5）.

[2] 江錫順.提高應用型本科院校半導體物理教學質量的方法研究[J].滁州學院學，2011，13（5）.

[3] 湯乃云.微電子專業“半導體物理”教學改革的探索[J].課程教材改革，2012，13（31）.

[4] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5] 彭英才，X.W.Zhao，傅廣生.半導體物理研究的回顧與展望[J].自然雜志， 2004（6）.endprint