研究生課程《半導體物理》教學方法和策略的探討

張 華，李 蛟，王衛(wèi)偉，李秋紅

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255000)

1 引言

半導體物理學是固體物理學的一個分支[1]，是微電子科學的理論基礎，主要研究半導體材料的原子狀態(tài)、電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷對半導體材料中載流子的濃度和分布的影響及其對半導體器件物理性能的影響[2]。與許多理工科高校一樣，我校也將《半導體物理》列入研究生教育培養(yǎng)方案。該課程屬于材料科學與工程學科碩士研究生專業(yè)基礎課程，是學習、理解和研究半導體材料的必修課程。隨著半導體科學的快速發(fā)展，理論知識不斷擴展以及材料制備和加工技術的不斷進步，半導體行業(yè)不斷深化的競爭對我國的半導體產(chǎn)業(yè)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，也給半導體物理專業(yè)教育提出了更高的要求[3]。然而，傳統(tǒng)半導體物理在教學中面臨著知識點多、內(nèi)容廣、理論性強等困難，在現(xiàn)下常規(guī)的“教師講學生聽”的教學模式下，不論是教師的教學工作還是學生的學習工作都已經(jīng)很難取得良好的教學效果。為適應新時代的教學要求，對傳統(tǒng)教學方法和教學策略進行改革變得非常迫切和必要。

2 現(xiàn)行《半導體物理》教學的困境及解決措施

2.1 知識面廣、知識點多而繁雜、理論深度高

《半導體物理》課程是一門理論性很強的課程，它需要學習者具備良好的基礎知識，包括高等數(shù)學的微分方程求解、線性代數(shù)的矩陣和行列式、量子力學基礎、晶體結(jié)構(gòu)和基礎電學等知識。但是，一方面很多工科院校都取消或大幅削減了《統(tǒng)計力學》和《量子力學》等基礎學科課程[4]；另一方面，選課研究生的來源差異很大，有些來自化學專業(yè)，有些來自材料專業(yè)，還有一些金屬、高分子等專業(yè)本科畢業(yè)的研究生，他們的知識基礎差異很大，往往缺乏學習半導體物理的前導知識，因此加大了教師教學的壓力，也增加了學生學習的難度。

為此，我們在課堂教學中需要將課程知識體系整理出一條簡明清晰的主線，據(jù)此主線知識為脈絡，為選課學生補習學習和理解相關課程知識所必需的前導知識，這樣才能使學生能從宏觀上把握該課程的主要知識結(jié)構(gòu)脈絡。本課程大多數(shù)高校都采用劉恩科主編的《半導體物理學》為主要參考書，該書是以半導體材料特殊的電學性質(zhì)為切入點，引導出半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子的分布和運動規(guī)律等理論，進而構(gòu)建起半導體物理的主要知識脈絡。其中，知識點涉及能帶的形成原理、電子及空穴的有效質(zhì)量、能態(tài)的分布及態(tài)密度的計算、平衡載流子的分布狀況、非平衡載流子的產(chǎn)生和復合規(guī)律、雜質(zhì)對半導體態(tài)密度和導電類型的影響、載流子的漂移和擴散運動等。基于了解和掌握這些理論知識的基礎上再來討論半導體材料界面特性，如金屬/半導體肖特基結(jié)的能帶彎曲狀態(tài)、pn結(jié)結(jié)區(qū)的能帶彎曲及其導致的電流單向?qū)ㄌ匦浴⑷龢O管的放大原理、MOS、FET等結(jié)構(gòu)的工作原理等。我們在課堂教學中不妨把該知識脈絡更加顯性的展示和強調(diào)出來，所有的講解貫穿和圍繞主知識脈絡進行。

2.2 學生對課程認識偏差導致學習主動性不高

目前，絕大多數(shù)工科學校存在重技術輕理論的傾向。強調(diào)動手實踐能力本身沒有錯，但現(xiàn)下的科研和實踐中漸漸形成了不求甚解和只為發(fā)表論文的風氣，這導致學生在學習較為晦澀的理論知識時積極性不高，而不扎實的理論基礎不利于學生將來的科研探索和產(chǎn)品研發(fā)等工作。為提高學生的學習積極性，經(jīng)過教學改革中一段時間的探索，我們采用案例教學法來解決這個問題。我們采用的案例教學以半導體物理學領域的科研、材料設計和工程問題為背景，將教學知識點融入具體的科研和應用案例中，通過教師和研究生對案例的共同討論和層層剖析，使學生對案例的各方面有充分的認知。基于這些分析和認知得出具體案例的解決方案。這種基于實際案例分析的教學法既可以充分調(diào)動學生參與解決具體問題的積極性，又有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學工作能力，已經(jīng)在教學實踐中收到了較好的實際效果。

2.3 教學方法和教學策略過于單一

目前我校的《半導體物理》教學基本采用的是常規(guī)教學模式，即以教師講授為主，輔以幻燈片展示，形式上還是傳統(tǒng)的“填鴨式”。由于該課程涉及的內(nèi)容主要是微觀物理結(jié)構(gòu)及理論推導，內(nèi)容本身較為抽象，這種單一的教學模式缺少師生和學生之間的討論與互動，不利于帶動學生的探索精神，甚至連教材內(nèi)容本身都難以深入理解，更無助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為改善教學效果，除了課堂教學在技術方法上采用之前提到的案例教學法之外，我們在新的教學策略中大幅度的增加了學生的參與度。我校在前幾年的教學改革中曾嘗試過由教師主講課程主體知識脈絡，由學生查閱資料對主體知識進行深入理解和運用的教學方式，但未取得理想的效果。其原因大致可歸納為當下學生較為普遍的知識壁壘心理，即學生會下意識的區(qū)分哪些內(nèi)容屬于課程內(nèi)容，哪些不屬于，然后下意識得排斥課程主體脈絡之外的知識。認為這些內(nèi)容不應該包含在本課程的學習范圍中，對這些擴展知識的學習存有較強的排斥心理。但事實上，如之前的分析所指出的，外圍知識的缺失會導致主線知識的理解障礙，甚至無法理解。例如，半導體能帶結(jié)構(gòu)是構(gòu)建在波矢空間上的，而波矢空間是個倒易空間，如果不了解倒易空間和倒易矢量的性質(zhì)則無法從根本上理解晶體的能帶結(jié)構(gòu)。針對這種實際情況，我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，將主線知識交由學生來組織、提煉，包括從圖書館和網(wǎng)絡上查閱資料，結(jié)合參考書對知識內(nèi)容進行提煉和概括，交流材料幻燈片的制作和課堂上的質(zhì)疑和討論四個環(huán)節(jié)；由任課教師負責講解學生缺失的知識以利于學生對相關理論的理解。經(jīng)過兩個教學周期的實施，我們發(fā)現(xiàn)學生對這種教學模式的認同程度非常高，一方面體現(xiàn)了研究生階段學生學習的自主性；另一方面，教師在學生學習過程中的輔助作用也體現(xiàn)得非常好。

2.4 實驗環(huán)節(jié)對理論教學的支撐力度差

我校最早的《半導體物理》課程是不包括實驗環(huán)節(jié)的，課程設立的主要目的在于讓學生了解半導體材料的基礎知識和基本理論，以方便解釋科研上的一些實際問題。經(jīng)過幾個教學周期的實施，許多研究生反映由于實驗環(huán)節(jié)的缺失導致他們無法把課堂學習的理論知識運用在科研實踐中，因為缺乏最基礎的課程實驗驗證和模仿環(huán)節(jié)的訓練導致其在后續(xù)科研實踐中無法有效的使用課程內(nèi)的知識來解釋和解決實際問題。為此，我們陸續(xù)在課程中增設了實驗環(huán)節(jié)，從最初的基礎驗證實驗，如四探針電阻率測試、少子壽命測試等，至今已經(jīng)結(jié)合各研究生導師所從事的科研實際設立了多種綜合實驗，將課堂實驗教學和研究生的科研實踐緊密聯(lián)系起來，極大的調(diào)動了學生參與學習、分析和討論的積極性，增加了課程實驗對理論教學的支撐力度。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代半導體物理技術的迅猛發(fā)展，半導體物理的知識不斷翻新，行業(yè)競爭的不斷深入對人才素質(zhì)要求不斷提高，這些都對高校《半導體物理》課程的教學活動提出了更高的要求。為適應時代的發(fā)展，當前世界各國都在進行課程與教學改革。結(jié)合我校的研究生精品課程建設項目，根據(jù)本校教學實踐需要，我們自行編訂適合本校研究生學習的講義，在課程教學中，明晰課程知識主體脈絡，采用案例教學法和翻轉(zhuǎn)課堂等教學手段提升學生的學習積極性，注重理論學習與科研實踐相結(jié)合，增加了課程的實驗教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力，將課堂教學逐步提升到培養(yǎng)學生創(chuàng)新和實際動手操作能力的軌道上來。