知識縱橫聯系教學方式在半導體物理課程中的應用

陳磊+石莎莉+李貞+張洪晨+柴濟民+趙寧

摘要：半導體物理課程主要介紹半導體材料的基本結構與性質等基礎知識。這門課程是新能源科學與工程（光伏技術方向）、光電信息科學與工程以及電子科學與技術等專業中一門非常重要的基礎性專業課。由于課程內容的理論性很強，很多學生在學習過程中的學習興趣不大。本文針對這一問題，依據于作者的教學經驗，提出將知識縱橫聯系教學方式應用于半導體物理課程中，以激發學生的學習興趣。

關鍵詞：半導體物理課程；知識縱橫聯系；學習興趣

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）34-0080-02

半導體材料由于其特殊的物理性質，而在現代眾多高科技領域有著非常廣泛的應用。在諸多大學工程類專業，半導體物理都是一門非常重要的基礎性專業課。學生只有學習掌握了一些必要的半導體物理基礎知識，才能順利進行一些專業技術性課程的學習。

知識中涉及的概念通常比較抽象，很多知識的形成通常蘊含著很復雜的物理量之間的數學關系。學生必須具備較強的抽象思維能力和非常嚴謹的邏輯思維能力，才能較好地理解和掌握半導體物理方面的知識。學生在學習這些知識的過程中，常常會因為抽象思考的不夠而不能建立有關的概念，也會因為數學基礎薄弱和對長程邏輯推理過程缺乏耐心和領悟能力而不能掌握知識體系中的邏輯關聯。

學生學習半導體物理知識過程中出現這些困難，在一定程度上是在所難免的，因為這些是由學生天生的思維特點和相關思維能力的強弱而決定的。一般來說學生天生的思維特點是較難改變的。面對這些困難，為了提高學習的成效，只能增強學生的學習動力，讓他們能具有更強的學習積極性和主動性。

依據作者的經驗，在教學中采用知識縱橫聯系的教學方式可以有效地激發學生學習半導體物理知識的興趣。知識縱橫聯系的教學方式主要可以分為兩類——課程開始前的導論性內容講授與課程進行中針對具體知識點進行縱橫聯系式的講述與啟發。下面分別就這兩種方式進行敘述。

半導體物理課程正式教學前進行一些導論性內容的講述，可以將半導體物理材料與現代的高新技術與產品聯系起來。基于半導體材料的很多技術和產品在人們的日常生活中廣泛存在，這些技術和產品給人們生活帶來了極大的便利，豐富了人們的生活內容，提高了人們的生活質量。只是很多學生一開始并不知道這些產品和技術是與半導體材料相關的。在課程開始時安排一兩節導論性質的課向學生們講述這些產品與半導體材料之間的關系，自然可以讓學生們獲得很多相關的了解，從而讓他們認識到半導體材料的重要性，激發出學習興趣。在導論性質的課程教學中也可以適當地加入半導體技術發展的歷程介紹，以及相關的歷史科技人物的故事，以激發學生學習的興趣。比如說將半導體材料的發現、晶體管的發明、集成電路工藝的產生、微處理器的發明等在半導體技術發展歷程中具有里程碑意義的事件向學生介紹，讓他們感受到半導體技術發展歷程的輝煌。再如將半導體技術發展歷程中涌現出的杰出的科學家們的故事向學生介紹，讓學生們感受到這些科學家和工程師們的創新和創業的熱情，敢于嘗試、勇于開創的精神，以及乘勢奮進與孜孜不倦的鉆研與攻關的精神。這些不僅能夠激發學生們學習半導體物理知識的興趣，也能激發出他們奮發向上的斗志。在導論性質的課程中，也可以向學生們講述一下半導體產業發展過程中先后出現的代表性的公司，如仙童半導體體公司、德州儀器半導體公司、英特爾公司、AMD公司等。正是這些公司在半導體技術和產品中的大力開發與開拓，才使得半導體新技術不斷出現，性能奇異、品質優良的新產品不斷產生；半導體產業的發展才會突飛猛進，極大地提高了社會生產力，改變了人類生產方式，豐富了人類的生活內容，增添了生活的樂趣。了解了這些知識后，學生們更能感受到著名的半導體公司對產業發展的重要性，以及創新創業型公司在時代發展的洪流中若要搶得先機推出產品占領市場，并能引領方向，不斷地推陳出新以保持住領先地位，都會用著怎樣的發展經歷。這些不僅能夠激發學生學習半導體物理知識的興趣，也能夠對學生創新創業精神的培育起到促進作用。

上述導論性的課程教學安排在學生剛接觸半導體物理這門課時，確實能夠在激起學生學習半導體物理知識的興趣方面發揮很大作用。但是這種方式只是一個開端，僅靠這一點是不夠的。為了能夠維持住學生們的學習興趣，必須在后續具體課程知識的教學進程中采用另外的方法，否則隨著學習進程的深入，很多學生會感覺到半導體物理知識越來越難，學習興趣也就會逐步衰減。那么在具體教學過程中將相關的知識點與學生已經學習過的課程知識聯系起來，通過展示和引導學生發現半導體物理知識與他們已經具備的一些課程知識之間的聯系，或者將具體的知識點與相關的新技術與新產品聯系起來，就能夠起到持續激發學生學習興趣的作用。這一方法可以說更為重要。在學生學習半導體物理課程時，他們已經具備的相關知識可以分為兩類，一類是相對于半導體物理來說更為基礎的知識，比如大學物理課程中的知識，另一類是以半導體物理知識為基礎延伸出來的知識，比如說模擬電路課程中的知識。我們重點討論一下如何在教學中將半導體物理知識與模擬電路課程中的知識聯系起來。二極管、三極管、場效應管、MOS管、CMOS管等是模擬電路課程中講述的內容，學生們已經對這些半導體器件的性質和作用有了基本的了解。如二極管的單向導電性、三極管的電流放大功能、場效應管的電壓控制方式等都已清楚，并且知道了用這些基本的器件可以制作成很多功能豐富的應用電路、放大器和集成放大電路。但是學生們對這些基本器件的原理并不十分了解，這些正是半導體物理課程中的知識。在講述半導體物理中的相關知識時，就可以把PN結與二極管、三極管聯系起來，向學生們講解推導了PN結的伏安關系后，可以引導他們在此知識的基礎上重新分析和理解二極管、三極管的特性，這樣他們就可以發現PN結的基本伏安特性是怎樣具體決定二極管、三極管的特性的，學生們就能感受到已學過的知識與正在學習的知識串聯起來了，對之前在模擬電路課程中學習到的二極管與三極管的特性達到既“知其然”又“知其所以然”的效果，這也就自然激起了他們學習的興趣和動力，有利于更為牢固地掌握這些知識。同樣地，我們也可以把半導體物理課程中MIS結構方面的知識與模擬電路中的場效應管、MOS管、CMOS管等方面的知識聯系起來。還有其他一些可以做類似講解安排的知識，本文就不一一贅述了。

當然在半導體物理課程具體教學的過程中，除了把某些知識與學生已經學過的有關課程的知識進行聯系外，也可以把某些知識與一些現代技術與產品聯系起來，這樣同樣可以起到激發學生學習興趣的目的。比如說可以把半導體的光生伏特效應與太陽能電池聯系起來，把半導體的發光特性與發光二極管（LED）聯系起來，把半導體的一些光電特性與半導體激光器、半導體光電傳感器等聯系起來。學生們知道了半導體物理的基礎知識與這些技術與產業的熱點是相關聯的，自然就有很大的熱情來學習這些基礎知識了。

上述就是作者將自己的教學經驗進行總結后，得出的激發學生學習半導體物理課程興趣的幾條途徑和方法。這些途徑具有一定的代表性，當然也有不夠完善的地方，歡迎同行與我們進行交流。

參考文獻：

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