基于STEM教育理念的《半導體物理》跨學科課程教學改革研究與實踐

陳顯平 陳紫薇 陶璐琪

摘 ?要：《半導體物理》是固體物理學的一個重要分支，是微電子技術的理論基礎。作者將STEM教育理念融入到《半導體物理》的教學中，通過培養學生跨學科學習思維，增強學生動手和創新能力，改變考核評價方式，將理論學習與科研有效結合，提升學生科學素養、技術素養、工程素養和數學素養，激發學生自主學習熱情，加強專業素質。

關鍵詞：STEM教育;半導體物理;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）22-0126-03

Abstract： "Semiconductor Physics" is an important branch of solid state physics and the theoretical basis of microelectronics.The author integrates stem education concept into the teaching of "Semiconductor Physics". By cultivating students' interdisciplinary learning thinking， enhancing students' practical and innovative ability， effectively combining theoretical learning with scientific research， improving students' scientific literacy， technical literacy， engineering literacy and mathematical literacy， students' enthusiasm for independent learning can be aroused and professional quality can be strengthened.

Keywords： STEM education; Semiconductor Physics; transformation of education

一、概述

《半導體物理》是研究半導體原子狀態、電子狀態以及半導體器件內部電子運動過程的一門學科，是半導體科學的理論基礎，也是發展半導體技術的重要基礎。由于這門課學科交叉性強，知識點繁多，公式推導復雜，物理概念抽象，覆蓋知識面廣，涉及到很多固體物理、量子力學、熱力學與統計物理學、材料科學等其它基礎課程的內容，大部分學生在學習《半導體物理》課程時都存在著一定的困難[1]。“半導體物理”是光電工程學院本科生一門非常重要的專業必修核心課程，其教學效果與學生未來就業發展緊密相關。因此，進行相關課程教學方法和教學策略的改革尤為迫切。“半導體物理”傳統教學方法方式單一，難以取得良好的教學效果。STEM是一種強調多學科融合來解決問題的一種教育理念。將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）融入到《半導體物理》的教學中，培養具有卓越創新能力的復合型人才。

二、半導體物理教學現狀分析

（一）知識點多、知識面廣

《半導體物理》是一門理論性很強的學科，物理概念抽象，公式推導復雜，涵蓋知識面廣，需要量子力學、固體物理、材料化學等眾多先修學科的理論基礎。傳統教學中，教師往往注重理論計算與公式推導，課程內容抽象，教學方法也缺乏吸引力。因此學生學起來感覺繁瑣吃力，難以理解，進而導致學生主動學習積極性不高，從而缺乏自主學習的動力。此外，半導體技術發展迅速，新的科研成果不斷出現，學科交叉更加深入，教師難以在短時間內覆蓋所有的知識內容，更需要學生主動學習探索相關知識。因此如何激發學生主動學習的積極性，形成跨學科思維模式顯得尤為重要。

（二）實驗環節薄弱

由于課程時間安排有限，“半導體物理”教學往往只注重于理論知識的學習，對于這門課程，學生實際上進行相關實驗或日常實踐操作的機會非常少，脫離了實驗環節，缺乏實驗來驗證物理過程，學生對抽象的物理概念理解不深刻。缺乏實驗驗證和模擬訓練的基礎環節也導致學生無法把理論知識運用到后來的科研實踐當中。動手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理論知識也不利用學生提高自主創新能力[2]。學生往往只注重半導體物理理論知識的學習，而動手能力差。實驗環節的缺乏，不能把理論與實際有效結合，使理論知識與實踐操作相背離。

（三）學生考核評價方式單一

傳統教學中，教師是學生成績評定的唯一主體。這種評定方式局限于站在教師角度去評價學生，較為片面。對于學生的評價，教師普遍采取傳統的“一考定全局”的評定方式。然而這種評價方式存在一定的偶然性，并不能很好的反映出學生對知識整體的掌握程度以及創新實踐的綜合能力。“考試”這一傳統的考核方式，僅僅能反映出學生應對考試能力以及對書本內容的掌握程度，而不能很好地反映出學生對書本內容以外知識的掌握程度以及自主創新實踐能力。

（四）教學方法傳統局限、缺乏創新

目前《半導體物理》教學仍然采用的是傳統的教學模式，即“教師講學生聽”，由于該課程內容繁多復雜，這種單一的教學模式使學生感到枯燥乏味，對老師產生“依賴感”。此外，由于教學資源有限，學生難以對抽象的物理概念例如半導體器件內部電子運動進行深入理解，不少學生出現讀死書甚至背題的現象。這種缺乏師生之間、學生與學生之間交流互動的傳統教學模式，磨滅了學生學習的主動性，有礙于發展學生的探索精神，不利于半導體領域創新型人才的培養[3]。

三、“半導體物理”教學改革與實踐

（一）采用STEM教育理念的教學模式

在《半導體物理》的教學中，教師需要轉變傳統的教學觀念。將“教師灌輸式的講授，學生被動地接受”這種傳統的教學模式轉變為以學生為主體，教師引導的新型教學模式，將STEM理念融合到教學當中。將科學、技術、工程以及數學四門學科融入到《半導體物理》中，培養學生形成跨學科學習的思維方式，將被動式教學模式轉變為自主探究的教學模式。將學生分為小組，課堂上提出問題，小組圍繞跨學科前沿科學問題進行開放式討論，由此激發學生求知欲。例如，以光電、電氣、微電子等多學科為背景，在教學過程中提出怎樣制備各種半導體器件，怎樣測試半導體材料禁帶寬度等問題，引導學生跨學科交流討論。這種教學模式以課堂提出問題-學生課后查閱資料-分組討論-學生課堂講解-教師點評為主線，旨在提高師生參與熱情，培養學生跨學科思考方式，樹立創新意識，培育具有創新能力的復合型人才。教師亦可在課堂上提出相關課題，例如半導體前沿工藝調查、半導體技術發展等，讓學生自行選擇參與，在課堂上與大家分享成果，進一步提高學生創新實踐能力[4]。還可以通過定期舉辦半導體知識學術報告會，鼓勵全校學生參加以“半導體物理講壇”為龍頭的學術科技報告活動，普及半導體科技創新知識，追蹤學術前沿動態。

（二）注重實驗教學，培養工程實踐能力

為了促進多學科交叉融合以及培養適應市場的應用型復合人才，圍繞培養學生“實踐能力、學習能力、創新創業能力、社會適應能力”和協調發展的主線，需要解決理論教學與實踐教學的平衡性。借助老師們手中的實踐平臺，安排學生進入項目工作，充分利用各級各類科研實驗室的人才和設備資源及科研項目的優勢積極支持本科教學，倡導本科生進實驗室。一方面，增設半導體實驗環節，從基礎實驗如四探針法測量電阻率、P-N導電類型鑒別、激光測定單晶硅的晶向、橢圓偏振光譜法測量單晶硅的光學常數到一些綜合性實驗，另外可以在理論教學中，對已有的大學物理實驗和專業實驗如伏安特性實驗、LED發光特性實驗等基礎實驗中與半導體物理相關原理的講解，使學生充分理解半導體的相關知識。另一方面，為了更好地提高教學質量以及學生綜合素質，進而更好地整合行業資源，集聚校企優勢，有效實現工業產業與高等教育的有機融合，尋求科研牽線搭橋，發揮高校、企業的互補作用，在校企雙方平衡利益的前提下，建立聯合培養基地進行合作，增加學生生產實習和企業實習，校方負責學生的理論教學，而企方負責學生的實踐教學，共同培養創新型人才，從而實現校方和企業合作雙贏，實現基礎知識學習與工程實踐能力培養相結合[5]。

（三）轉變評價方式，建立長效激勵制度

從教師層面出發，我們實行形成性評價與終結性評價相結合的全程評價方式，在不同階段對學生進行考核，如在結束“半導體物理”每章內容教學后，舉行一次小測驗，測驗形式可以是考試，也可以是相關課題匯報、分組討論等形式。平時測驗成績與期末成績按照一定比例相結合成為學生最終成績。這種方式可以減小一定偶然性，相對公平地對學生成績進行評定，也可以激勵學生認真學習平時每一節課，每一章內容，而不是“臨時抱佛腳”式的考前突擊。

從學生層面出發，俗話說“師傅領進門，修行看個人”，學生創新實踐能力的培養，不僅需要教師教學方法、培養方案、評價方法的相應的改變，更需要培養學生樹立創新理念，掌握科研實踐技能。我們課上開展半導體相關課題的匯報活動，根據匯報成果予以相應的獎勵，課下開展半導體科研項目相關的專題講座、網絡宣傳、現場參觀等活動，學生參與后提交參與活動報告，根據報告內容予以相應的評價，這些措施旨在讓學生接觸、了解半導體領域的科研活動，認識創新能力培養對個人發展的重要性，盡早樹立創新理念，培養實踐能力，奠定創新基礎。

從學院層面出發，一來，應建立長效激勵制度，提供專項獎學金，評定標準按照學生科研成果、參與科研活動的熱情度來確定，從精神、物質上鼓勵學生參與科研活動。二來，不僅對學生的考核非常重要，學院對教師的考核也具有一定的重要性。學生創新實踐能力的培養不僅需要學生自己的配合，也需要教師積極主動地配合。完善教師考核、績效評價體系，引導教師參與對本科生的科研指導工作。通過學生、教師、學院三方面的協助、配合，大大提升了學生創新實踐能力培養的高效性。

（四）引入Materials Studio計算軟件，提高科研能力

由于“半導體物理”教學注重概念和理論學習，學生往往無法將課堂所學知識運用到實際科學研究之中，造成理論學習與實踐操作脫節。對此，應追蹤國內外半導體前沿技術發展，不斷補充完善教學內容，使學生充分感受到所學知識在實際科研中重要作用，培養學生科研興趣。“半導體物理”涉及到半導體的晶格結構、電子狀態、載流子的統計分布及運動規律等抽象問題。由于實驗設備條件有限，部分實驗無法開展。Materials Studio是一款能建立三維結構模型，并對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質及相關過程進行深入的研究的模擬計算軟件。Materials Studio軟件中CASTEP模塊可以計算半導體、金屬、陶瓷等晶體的諸多特性，例如表面化學、電子結構（能帶結構及態密度）、光學性質、點缺陷性質等。引入Materials Studio軟件學習，可以更加形象化演示一些抽象的物理概念和模型，將理論學習與科學實踐有效結合。學生通過自己搭建半導體材料模型，計算其能帶結構、態密度、電子局域函數等性質，能更深刻地理解半導體的結構、價帶導帶、費米能級、載流子運動、直接帶隙間接帶隙等問題。例如，在學習P-N結形成過程時，通過計算在硅中摻雜不同雜質后能帶結構和態密度的變化，可以發現，摻入三價元素硼以后，隨著摻雜濃度不斷提高，費米能級逐漸向價帶靠近，摻入五價元素磷以后，隨著摻雜濃度不斷提高，費米能級逐漸向導帶靠近。此外，學生亦可在課外對Materials Studio軟件進行自主學習探究，例如計算吸附、異質結等問題，為科研打下良好的基礎。引入Materials Studio軟件，可以有效將教學與科研相結合，將所學理論知識活學活用，激發學生自主學習興趣，培養動手和創新能力[6]。

除此以外，通過講座和示范，老師提供相關的基礎知識以及經驗，讓學生逐步掌握文獻檢索、儀器使用、論文寫作等基本科研技能，從而能夠為之后的項目進行以及學生未來的科研道路打好基礎。一些表現優異，做出相關成果的學生也可以以此為基礎，根據自己的成果撰寫相關的論文。在項目進行過程中，老師需要對項目的進展進行實時的跟蹤，及時了解學生的相關進展，為學生科研的選題、立項、研究的開展及成果申報等方面提供智力支持，幫助和督促學生執行研究計劃。可以通過定期的匯報組會，了解學生的近期工作進行及時的指導或者相關的調整，引導學生參與科研的討論，交流在科研過程中遇到的問題以及相關的心得和想法。

四、結束語

“半導體物理”學科交叉性強、知識點繁多，許多學生對此學習興趣不高，學習起來存在一定的困難。而現代半導體物理技術迅速發展，對具有創新能力的復合型人才的需求不斷提高。筆者基于STEM教學理念，通過在“半導體物理”教學過程中將“教師講，學生聽”這種傳統的教學模式轉變為以學生為中心，教師引導的新型教學模式，注重實驗教學、轉變評價方式、建立長效激勵制度以及引入Materials Studio軟件學習的四大主要措施，引導學生形成跨學科思維方式，培養學生自主學習興趣，增強動手實踐能力，將所學知識運用到科學研究當中。

參考文獻：

[1]連曉娟.“半導體物理”教學改革與實踐初探[J].教育現代化，2019（18）：49-50.

[2]張芳，任大慶，張納.淺談《半導體物理與器件》課程的教學改革[J].教育教學論壇，2019（23）：133-134.

[3]張文霞，王振，戚飛，等.融入工程教育理念的《半導體物理》教學改革與實踐[J].國際公關，2019（06）：74-75.

[4]張華，李蛟，王衛偉，等.研究生課程《半導體物理》教學方法和策略的探討[J].山東化工，2019（08）：214-215.

[5]閆麗娟，陳春雷.“半導體物理與器件”課程教學改革與探索[J].教育現代化，2019，6（31）：80-81.

[6]徐躍.融入工程教育思路的半導體物理教學改革與實踐[J].當代教育實踐與教學研究，2018（10）：188-189.