核心素養下的高校半導體物理教學改革路徑研究

（安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

大學半導體物理學課程不僅是對半導體材料進行研究的一門理論性課程，還是對微電子器件、集成電路實際應用的一門實踐性課程。要求學生能夠熟練掌握理論性知識，還要具備熟練的實踐操作能力。在具體的教學過程中，需要以理論指導實踐，運用實驗來驗證理論，特別是在核心素養的視角下，如何將培養學生的核心實踐技能與半導體物理課程素養，是高校半導體物理教學改革的重要內容。由于半導體物理課程的知識點繁多，理論計算與推導比較復雜，通過培養大學生學科的核心素養，增強學生的實踐操作能力與知識應用能力，是促進高校半導體物理課程教學改革的重要途徑。

一、大學生核心素養內涵分析

核心素養是指當代大學生通過學習應該具備終身學習能力、適應能力、科學思維以及能夠滿足社會發展需要的必備品格與素質，能夠熟練掌握與運用各個學科知識的能力，它突出強調大學生的個性素養、情感態度與人文素質在實踐操作中的應用，同時在學習過程中應該更加注重自我的發展，能夠合作參與，創新實踐，具有很強的團隊合作精神。核心素養是大學生終身學習必備的素養，它能夠反映學生發展的新動態，也是高校人才培養的關鍵指標，對教育改革具有很強的指導作用[1]。由于核心素養具有可培養性、可塑造性、可維持性與可發展性，而且通過學校的教育是動態發展的，它要求在大學課程教學過程中，需要將各個學科的核心知識融合在一起，形成一個完整的知識體系，是高校大學生核心素養發展的基本要求。因此，核心素養的基本內容就是培養大學生使用工具與技術的能力、人際交往的能力與團隊合作的能力、自主學習的能力與解決問題的能力，并在學習的過程中能夠對自己的未來發展、職業發展進行合理的規劃，可以用新思想、新技術與新方法來解決學習過程中遇到的問題，具有一定的創新能力與意識，并在學習的過程中能夠形成穩定的知識結構，具有利用實驗驗證理論知識的能力、問題意識與問題導向的思維能力以及良好的執行能力。

在人類科學的發展史中，物理學作為科學發展的基礎內容，一直推動著科學技術的發展與進步。目前，大學半導體物理已經滲透到自然科學、社會科學與生物科學等學科中，成為人們科學思維的重要組成部分。這就要求在半導體物理教學的過程中，以培養學生的物理思維能力為主，將學生的實踐能力、知識應用、社會適應能力結合在一起，培養大學生的學科素養，將大學生的邏輯思維、空間想象能力、推理運算能力、數據處理能力、社會交往能力、人文知識、半導體物理學科的基本方法與思想、創新能力等結合在一起，來培養大學生的半導體物理學科的核心素養[2]。半導體物理的核心素養，具體說來，就是要求學生能夠從物理學的角度來處理分析問題，有條理地進行理性思維、嚴密求證；能用半導體知識進行有效的推理與論證，能夠清晰地對半導體知識進行表達與分析；從專業的角度講，大學半導體物理核心素養主要是指大學生善于抓住半導體物理知識的背景與問題的本質，能夠熟練地運用準確、簡明、規范的語言知識來表達自己的物理邏輯素養，并能夠以良好的物理學科態度來對待半導體物理問題，能夠以合理的新思想、新方法、新概念來分析半導體物理知識，從多個角度來分析大學半導體物理問題，形成科學的解決問題的方法，并能對半導體物理現象與過程進行科學的建模，養成良好的學習習慣。

二、基于核心素養下的高校半導體物理教學改革實施路徑分析

核心素養要求在教學過程中樹立“以學生為中心”的教學理念，通過核心素質指導、引領、改革大學半導體物理課程教學。大學半導體物理學科的實踐特征對大學生的核心素養能力培養具有獨特的作用，在核心素養的引領下，大學半導體物理教學需要改變原有的模式，樹立全新的教學觀與教學理念，促進大學半導體物理教學的創新發展。

（一）轉變教學觀念，樹立培養學生核心能力的思想

在核心素養理論的指導下，大學半導體物理教學對物理教師提出了新的要求，教師需要從學生的角度出發，明確大學半導體物理究竟應該傳輸給學生什么樣的知識，培養學生什么樣的能力。因此，物理教師應該根據學生核心能力培養的要求，轉變教學觀念，在教學中加強學生的知識運用能力與實踐操作能力的培養。傳統的大學物理半導體教學為了獲取更多的知識，注重的是理論教學，要求學生在學習過程中能夠獲得更高的分數，這種以分數為主的教育模式充滿了學生的大學生活。然而在核心素養發展的時代，教師應該意識到，知識教學“夠用”就能夠滿足學生發展的要求，不能“過度”，應該注重學生知識應用能力與實踐能力的培養，如果知識“過度”就會阻礙學生想象力的發展，導致學生對半導體物理學習失去興趣，同時也會影響學生創新能力的培養。半導體物理教學應該立足于學生的可持續發展，為學生學習其他專業課程提供知識基礎，在教學中應該以培養學生的核心能力為中心，為學生培養學生的終身學習能力奠定基礎。由于大學半導體物理與現實世界聯系比較緊密，是自然界知識的抽象反映，它的產生與發展過程就是發現物理問題，通過知識的運用來解決問題的過程[3]。例如，在學習完回旋共振的理論課程之后，可以引導學生做回旋共振實驗，讓學生自己動手測量硅、鍺等半導體材料的有效質量，讓學生親身感受半導體是如何獲得有效質量的。教師在教學的過程中，需要轉變教學觀念，基于學生的核心素養培養，通過合情推理半導體物理知識，并利用實驗來驗證理論的推導過程，把隱藏在半導體物理書本后的科學知識、物理思想與方法挖掘出，并讓學生心領神會。教師不僅要傳授好知識，更要培養學生通過實驗發現科學的能力，在給學生打下堅實知識技能基礎的同時，還要對學生的情感道德進行培育，注重學生未來的創新能力與競爭力的培養，進而能夠促進學生的全面發展。

（二）轉變人才培養目標，注重學生實踐應用能力的培養

從高校人才培養的角度出發，大學生具有很強的社會適應能力，高校要以社會、企業的需求為導向，轉變人才培養的目標，提升大學生的社會適應能力，以提高學生的實踐能力為基礎，改革大學半導體物理課程教學的內容與方法。半導體物理課程一般屬于工科專業學生的基礎理論必修課，是其他專業課程的基礎。在教學的過程中，需要培養學生的物理思維能力與方法，提升學生將該門課程知識應用于其他專業學科中的知識遷移能力。核心素養觀下，學生在學習半導體物理課程中，能夠獲得相關的知識與技能，并能夠運用實驗來驗證相關的理論及其推導過程，將學生的知識運用能力結合在一起，通過在課程教學環節中對物理文化的滲透，培養學生主動探究物理現象背后的問題，并能夠抓住問題的本質進行分析，通過培養大學生對半導體物理知識的興趣，以問題驅動，圍繞問題展開實驗或者教學，逐步培養大學生的問題意識，形成解決物理問題的思想、方法與創新意識，并幫助學生樹立科學的思想觀，依托現代信息技術，拓寬學生解決問題的視野。例如可以采用線上線下互動、“翻轉課堂”、“探究式教學”等現代教學模式，以學生為中心進行實踐教學，促進學生形成獨立思考、自主學習、團隊合作能力[4]。還可以借助案例式教學，分析具體的物理實驗過程與方法，讓學生通過觀察，發現自己操作與案例存在的差距，逐步培養學生分析半導體物理知識和物理方法之間的關系，進而能夠有效地分析解決學習過程中遇到的問題，提升學生發現問題與解決問題的能力。例如在運用四探針法測量半導體的電阻率時，可以設置相應問題，讓學生動手做實驗，探究物理規律，得出問題的結論。

（三）注重物理文化、思想方法的滲透，培養學生的科學精神

1、滲透物理文化，傳承物理思想與方法

任何一個半導體物理的理論與概念都會有產生的歷史背景，半導體物理的公式、定義、理論是怎么產生的？主要是為了解決什么問題？如何恰當正確地分析這些問題？具體有哪些應用？這些問題的也許比物理的理論、概念更重要。在大學半導體物理教學的過程中，教學需要給學生分析其中的背景、文化，幫助學生形成正確的思維導向，培養學生對半導體物理的興趣、物理思想與解決問題的方法。而不能只注重對概念、公式的講解，而忽視了這些定理產生的背景，不然往往會導致學生在學習半導體物理的時候，只注重記公式、字母，對概念的理解不夠深刻，對它們的內涵與實際意義和科學價值理解不深，只是把目標放在如何解決半導體物理問題上，不將理論與實踐聯系在一起，長此以往，大學物理半導體課程就會脫離了日常生活，使得學生對學習失去興趣。核心素養培養模式下，在半導體物理課程教學中，應該不斷地滲透物理文化，包括半導體物理的知識應用、實踐技能以及未來的發展趨勢、半導體物理的思想體系、半導體物理的應用價值、物理學家的創新精神等，幫助學生認識到半導體物理在學科發展中的作用與意義，進而能夠形成正確的半導體物理學習觀。例如，物理學家肖克萊、巴丁、布拉頓三人用金鍺粘合在以聚苯乙烯為底的天然晶體上形成基級、發射級與集電極，當在基級和發射級加上一個很小的電壓時，在集電極就會得到一個很大的電壓，這就是半導體三極管產生的背景，進而能夠幫助學生對半導體三極管的產生與發展有正確的認識。

2、以問題為驅動，培養學生形成正確的半導體物理思維

大學半導體物理的課程以抽象的內容、廣泛的應用、嚴謹的結構而與其他學科不同，要求學生不僅學習其理論知識，還強調學生動手實踐操作能力的應用。在培養學生核心素養的目標下，以問題為驅動，培養學生實踐操作的能力，形成正確的半導體物理思維。因此，高校半導體物理教學要加強學生的動手實踐能力與知識應用能力的培養，以學生的社會適應能力為中心，培養學生的解決實際問題能力，在教學的過程中，采用問題驅動的方式進行教學，為學生創建真實的問題情景，將半導體物理的知識應用、實驗操作融合在問題情景中，圍繞問題展開半導體物理教學，通過教師的引導與啟發，注重讓學生從已知的物理條件中發現問題與分析問題，將社會、生活中的現象與半導體物理知識緊密結合在一起，從而使得學生在解決問題的過程中，突出物理問題的直觀性與清晰度，也可以將一些半導體物理發生的背景穿插在教學過程中，挖掘半導體物理現象背后隱藏的思想方法，逐步培養學生主動學習半導體物理課程的興趣與意識，幫助學生形成正確的半導體物理思想與思維方法、科學的態度與創新精神。

3 借助現代信息技術，提升學生學習半導體物理的興趣

老齡化會不利于一些新興產業的發展。當老年人口過多時，主要消費品與養老有關，而老年人對高新技術產品的需求較低且更加偏好現有已經使用習慣的產品。老年人口對新興產業的接受程度低，且老年人口占人口比重大。導致社會整體對于新興技術的需求量大幅減少，產業積極性也因此減弱，逐漸衰落，使產業對青年人的重視轉移到對老年人的重視。例如日本曾經有著極大影響力的高科技公司，三洋、松下、富士通等，在十余年間漸漸淡出人們視野，老齡化可能會在某種程度上限制當地的高新技術產業發展，不利于產業結構升級和企業的創新。

隨著現代信息技術、網絡技術在高校課程教學中的應用，大學半導體物理課程教學也應該積極地將信息技術融合在其中，發揮學生主觀能動性，提升學生自主學習的能力，轉變學生的學習方式。在傳統的半導體物理課堂教學中，教師一般無法診斷學生學習中存在的問題，課堂教學的過程是按照教師預設式的程序進行，通過教師的講解與學生的接收來完成傳授知識，導致學生知識應用能力與實踐操作能力不強。學生在課堂中能夠理解學習內容，但是在課下遇到變化的問題就一籌莫展，形成一種低效的學習方式。隨著信息技術、網絡技術的運用，教師可以采用“翻轉課堂”的模式進行教學，提前將教學內容發給學生，由學生在課前進行學習，通過師生之間的線上線下互動討論交流，教師可以了解學生掌握的情況，然后在課堂上針對學生在課前學習的問題進行重點討論，通過物理實驗來驗證物理結論，采用這種“翻轉課堂”的教學方式，使得課堂更具有啟發性與適用性，這不僅能夠提高學生參與課程學習的積極性，也能夠培養學生自主學習的能力與團隊合作的意識，進而能夠有效地培養大學生對導體物理的興趣[5]。例如，在學習半導體材料中的電子是怎樣在周期性勢場中運動的，可以運用動畫的方式將微觀的物理現象用宏觀的圖像展示出來，將復雜的物理現象形象化展示出來，有利于提高學生的學習效率。因此，將現代信息技術、網絡技術運用于半導體物理課堂，將學生的知識應用能力、團隊合作精神、創新意識等結合在一起進行培養，強化學生解決問題的能力與實踐操作的能力，促進大學生核心素養的形成與發展。

（四）轉變評價方式，注重半導體物理學習的過程性評價

高校半導體物理教學需要注重對學生的學習過程進行評價，而核心素養培養的基本要求就是注重學生實踐操作與知識應用能力的培養，教學評價是對學生學習目標是否達到的評判，也決定著半導體物理教學質量的提升與完善，是半導體物理教學改革的重要因素之一。在核心素養的要求下，將學生的社會適應能力、實踐技能作為培養的重要目標，這就需要評價學生對知識的理解與掌握程度，還要注重對學生的知識能力、思維品質、解決問題的過程進行評價，傳統的評價方式對學生的核心素養進行評價已經明顯的不能滿足要求，需要在核心素養的理念指導下制定新的學業評價標準。在對半導體物理的教學過程中進行評價時，要將學生的情感、態度層面等因素融合在動態的評價過程中，在采用大規模的標準化測試時，同時也要采用開放式的題目來對學生的思維品質、思維過程進行評價，強調對學生的內隱性、潛在性、情境性等學習特征進行評價。通過評價激發學生對半導體物理的學習興趣，增強學生對理論性知識的應用能力，從而能夠更加有效的培養學生的半導體物理學科的核心素養。

三、結束語

在核心素養的引領下，高校半導體物理課程教學需要改變傳統的教學方式，將學生的實踐操作能力與知識應用能力作為重點，以培養學生的社會適應能力、創新意識、思維能力與解決物理問題思維的方法，重視學生的學習效率。以大學生為主體，讓每一個學生在半導體物理學習的過程中都有展示的機會，讓學生的情感、知識、能力都能得到培養與提升，促進學生內涵式發展。在核心素養理念下，高校半導體物理課程教學改革還需不斷的完善，只有將學科的核心素養融入到課程改革之中，才能促進學生的全面發展。