半導體器件物理多元化立體式教學改革研究

楊尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志賢

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?半導體器件物理因其理論性強、公式推導煩瑣、數學要求高且實踐應用不直接等特點，結合長期教研經驗，立足于半導體器件物理教學中普遍性突出問題，在半導體器件物理多元和立體化、教與學有機結合以及科研實驗本科教學拓展與開放等教學方式和手段方面進行深入探索與改革，在半導體器件物理教學需注重理論、實踐相結合即課堂理論教學與科研訓練相結合。一方面要充分利用多種教育即時通訊手段和各種平臺軟件以拓展教學時間和空間，以實現多元化立體教學;另一方面有效利用科研平臺前沿和技術優勢，合理設計與半導體器件物理現象和物理本質相關實驗，同時，將科研項目實驗現象和結果與半導體器件物理基礎知識有效關聯，綜合分析科研實踐結果中半導體器件物理現象與本質，實現半導體器件物理理論與實踐應用、教與學有機結合和統一，進而促進半導體器件物理教學理論水平和實踐應用水平提升。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?半導體器件物理;多元化立體式教學;理論與實踐相結合;教學改革

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2021）09-0070-02

一、前言

半導體器件物理是研究半導體器件結構、物理原理和電學特性間的相互作用和運動規律，并進一步闡明這些性質的微觀本質與用途的科學[1]。它為人們提供了一種學習和掌握半導體器件基本結構、工作原理、器件光電性質等本質，進而描述和控制電子或空穴等載流子運動的理論方法。但由于其理論性強、公式推導煩瑣、數學要求高，學生學習感到困難，且由于半導體器件物理理論學習與實踐應用結合困難，這些均給半導體器件物理教學提出了嚴峻挑戰[2]。

近年來，半導體器件物理學科基礎地位受到了嚴峻挑戰：一方面由于受大學總課時數限制以及實踐課程學時數增加，半導體器件物理學時數漸減，受重視程度逐年降低;另一方面由于半導體器件物理中數學推導相對復雜，對數學基礎要求較高，學生在學習過程中普遍感到困難，同時，半導體器件物理對學生抽象理解能力要求較高，普遍學習興趣和動力不足。以上這些給半導體器件物理的教學帶來了嚴重的挑戰[1，3，4]。此外，由于學科基礎特性，其難以在實踐中被廣泛應用，這會讓學生造成這類課程無用的錯覺。然而，隨著科技發展和社會進步，半導體新材料與器件領域取得重大突破，半導體器件物理發展日新月異，新器件和新概念不斷涌現[2]。因此，無論是本課程教學內容，還是教學方法、教學模式和教學評價體系等方面教學改革勢在必行[5]。

二、教學中存在和面臨的問題與矛盾

近年來，隨著高校投入加大，高校平臺獲取經費劇增，在人才培養方面資源優勢劇增。如何合理利用高校資源優勢，使之服務于本科教學，以促進創新人才培養，現已成為高校面臨的首要問題。然而，一方面在目前高校“重科研、輕教學”大環境下，教師將工作重心放在科研經費獲取、研究生培養方面，本科生進入科研平臺參與科研興趣不高，認識不到位。“重科研、輕教學”考核機制與高校人才培養首要任務間的矛盾成為本科生課程教學實踐開放的一大障礙。另一方面半導體器件物理作為一門專業基礎課，涉及固體物理、量子力學等多學科知識，內容繁多，學時有限與繁多授課內容嚴重失衡，教學互動困難。此外，因學生基礎匱乏，他們對很多基本概念、公式均難以理解，對半導體器件物理學習產生厭倦和排斥心理，學生學習積極性、教師授課積極性均受影響。由于半導體器件物理公式多、數學處理復雜，學生認為半導體器件物理學習枯燥、缺乏興趣現象較為普遍，學習中存在畏難和厭學情緒，效果不佳。同時，由于半導體器件物理課程難將其與實際應用實例結合，學生學習興趣銳減。因而半導體器件物理多元化立體式教學改革勢在必行。

三、教學內容整合與優化及多元立體式教學方式

（一）教學內容整合與優化

首先，在傳統教學內容方面，進行整合、優化和取舍。現有半導體器件物理傳統教學內容是以后從事電子科學與技術、微電子和光電工程等專業的基礎，傳統教學內容基礎地位不可動搖。整合和優化傳統教學內容主要是教學材料整合和授課方法改變。根據本課程特點，適當擴大教學內容定性和半定量描述比重，加大器件工作原理及其模型理解，減少和簡化過繁教學推導。同時，部分內容采用自學與課堂考核相結合的方式，以拓寬學生專業基礎理論知識、培養和鍛煉學生科學思維創新能力。其次，適當、適時補充實際問題及科技前沿問題。引導學生觀察、分析實際問題，上升到理性認識，實現形象思維向抽象思維過渡。最后，引導學生參與科研實踐活動，增加課程實踐學時，并將加強實踐教學與半導體器件物理理論教學結合。使學生成為科研工作主體，實現研究過程和經歷與課本專業知識貫通與統一，實現感性認識向理性認識、形象思維向抽象思維、模仿思維向獨立思維過渡。

（二）提倡引導性和多元立體教學方法，實現教學與實踐相統一

首先，采用引導教學代替傳統灌輸教學，重視教學互動，注重創新意識培養，提高學生的學習主動性。在半導體器件物理講授過程中，倡導引導性教學方法，改變傳統灌輸教學，提高學生的學習主動性，培養學生的創新意識，實現教與學統一、學與用融合。其次，采用“多元化立體化”教學方式，實現教學科研深度融合。引導學生科學分析現象，將科研項目所遇到的問題帶入半導體器件物理教學中，同時將課程教學理論知識應用到科研項目設計、實驗現象及其實驗測試中，采用即時交流軟件和網絡課程論壇等將教師課堂講授的內容以及實踐中所遇到問題采用“學生提問—集體討論—教師回答”方式，進行廣泛交流和討論，拓寬課程教學空間。最后，積極引導學生思考，讓學生融入項目科研中，實現教學科研真正統一與融合。

（三）采用動畫等新方式，培養學生的學習興趣，增強其邏輯思維能力。

一方面通過科研項目所研制器件結構和性能與課程中典型器件的關聯性，加深學生對各種典型器件結構和特性的理解;另一方面將具有代表性器件結構利用半導體模擬軟件演示給學生，加深其對典型器件和新型器件結構性能的理解[6，7]。例如，在MOS及其MOSFET章節中，可利用集成電路輔助設計工具和軟件，模擬不同設計條件和結構參數MOS及其MOSFET器件性能，消除學生對芯片系統和系統集成的畏懼感，并進一步理解半導體器件物理學習的重要性，以激發學生想象和思考，并培養學生的學習興趣。通過動畫等將半導體器件物理復雜問題、知識簡單化、形象化，極大地拓寬學生的認識視野，激發學生運用基礎理論實現科技創新的勇氣和欲望。通過學生進行科研項目實踐，引導和激發其對半導體器件物理現象的理解和領悟。

（四）建立和完善課程實踐教學科研平臺運行機制和體制

基于半導體器件物理實踐教學新方式，拓展實踐性項目教學，讓學生真正融入科研平臺，進一步完善半導體器件物理實踐教學科研平臺運行機制和體制。

首先，建立本科生導師制。本科生在進入福州大學后通過選拔考核與雙向選擇，確定導師。本科生導師也是本科生半導體器件物理實踐課程及其畢業設計的指導教師，在一體化培養模式下實時發現本科生的興趣和特長，并協助確定發展方向與目標制定。

其次，建立科研創新實踐基地。通過與企業建立基于半導體器件物理實踐課程的科研創新實踐實驗基地，讓本科生自主選擇實踐基地實習，了解企業文化，為自己將來快速融入企業提前做好準備，并將所學半導體器件物理理論知識、專業知識與企業實踐應用有效銜接起來，做到學以致用。

再次，完善本科生科研團隊。基于本科生導師制，鼓勵學有余力的本科生建立科研團隊，由具有半導體器件物理理論和實踐應用等不同方面特長的本科生組成針對某個科研目標的科研團隊，直接瞄準目前社會和生產所需，進行自主創新。

最后，設立科研平臺本科生科研專項基金。設立依托科研平臺的本科生科研專項基金，安排專人管理，資助學生立項。本科生科研專項基金主要用作外協加工、材料購買等。

四、結語

經過多年半導體器件物理教學實踐，直面半導體器件物理教學實踐中存在的問題和矛盾，從半導體器件物理教學內容優化和調整、多元立體化教學模式、建立和完善面向本科生半導體器件物理課程科研平臺管理機制以及平臺管理辦法等進行探索性改革，并取得了一些成績。通過整合教學內容、創新性地開啟多元立體化教學模式，加大半導體器件物理教學一線科研人員和教師實踐性課程和研究性課程學時比例、開設針對半導體器件物理實踐課程等實踐教學模式，并通過“建立本科生導師制”“建立科研創新實踐基地”“完善本科生科研團隊”和“設立科研平臺本科生科研專項基金”等系列手段，實現半導體器件物理教學質量和教學效果顯著提高。但實行多元化、立體化半導體器件物理教學改革和實踐是一項復雜工程，涉及諸多方面，課程計劃和課程評價標準制定、課程實踐應用教學體系和運行機制等本身就是一個系統工程，因此，要培養出合格的高素質半導體器件物理方面創新人才，仍需做更多開創性工作。

參考文獻：

[1]高清運.“半導體器件物理”課程教學研究與探索[J].電氣電子教學學報，2014，36（6）：20-21.

[2]林青，李文堯.高等學校《半導體器件物理》的MOOC建設[J].課程教育研究，2016（4）：251.

[3]王聰，唐玲，楊艦.“半導體器件物理”課程的高職教育現狀及教學改革探究[J].高教學刊，2017（15）：174-176.

[4]肖丙剛，王秀敏，趙吉祥.半導體器件物理課程教學實踐探索[J].科技信息，2009（30）：14.

[5]肖功利，楊宏艷.工科院校雙語教學課程問題與建議：以《半導體器件物理》為例[J].教育教學論壇，2012（S5）：131-132.

[6]向兵，程秀英.基于MatlabGUI的《半導體器件物理》教學仿真平臺開發[J].實驗科學與技術，2014，12（3）：47-48，206.

[7]李青龍.高校學生“主動性”與“創新能力”素質的研究：“半導體器件物理與工藝”課程教育中的思考與改革[J].常州工學院學報，2012，25（1）：87-89.

編輯 鄭曉燕

①本文受“福州大學一流本科教育教學改革研究項目”重點項目（No.036050010843）;福建省本科高校教育教學改革研究項目（FBJG20190263）資助。

作者簡介：楊尊先（1973—），男，湖北應城人，微電子與固體電子學博士，福州大學教授/博士生導師，主要研究方向：納米材料制備及其光電、電化學應用研究。