“中美貿(mào)易摩擦”背景下微電子專業(yè)“半導體物理學”的教學改革初探

程立文

(揚州大學物理科學與技術學院 江蘇 揚州 225002)

1 引言

以智能制造為主的第四次工業(yè)革命推動了半導體行業(yè)的迅速發(fā)展，萬物互聯(lián)，新興技術也在不斷發(fā)展.半導體行業(yè)中，芯片被稱為國家的“工業(yè)糧食”.我國科技創(chuàng)新技術正在不斷發(fā)展，科研生產(chǎn)水平日益提高，集成電路產(chǎn)業(yè)也成為我國重點戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè).為限制我國半導體行業(yè)技術的發(fā)展，以美國為首的歐美國家對我國進行了貿(mào)易制裁.通過對以華為、中興為代表的中方企業(yè)采取設備禁售,人才、技術、市場封鎖等手段來制約中國半導體行業(yè)的發(fā)展.由于我國芯片技術相對國外還存在一定的差距，貿(mào)易爭端事件之后導致我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展延緩，遭遇“掐脖子”技術難題.此次摩擦使我國意識到自主掌握芯片核心技術的重要性，也同時進一步堅定了通過創(chuàng)新驅(qū)動自主研發(fā)芯片的決心和目標.只有建立芯片完整的產(chǎn)業(yè)鏈，各環(huán)節(jié)的自主可控，芯片實現(xiàn)國產(chǎn)化才能擺脫“卡脖子”的局面，因此對芯片產(chǎn)業(yè)的研究具有重大的戰(zhàn)略意義.為了爭奪半導體行業(yè)的主動權，需要培養(yǎng)大量本土的集成電路專業(yè)人才，這就需要高校更加注重對于微電子專業(yè)的培養(yǎng).微電子專業(yè)培養(yǎng)的人才需要具有理論結合實際的能力，既要學好理論知識，同時也要掌握實際操作中工程應用能力，從而推動我國盡快攻克芯片技術難關，避免外國在人才資源上限制我國半導體行業(yè)發(fā)展.

半導體物理學作為微電子專業(yè)的基礎核心課程之一，是掌握集成電路知識的基礎課程，主要對半導體中的物理現(xiàn)象進行系統(tǒng)介紹，詳細解釋半導體器件原理[1].該課程物理概念抽象，對 “高等數(shù)學”“量子力學”“固體物理”等數(shù)理基礎知識要求較高，課程有一定難度，使得課堂效果難以得到保證；另一方面受當前新冠疫情的影響，為了規(guī)避線下授課給抗疫帶來的風險，線上教學被普遍認可和采用，在取得一定教學效果的同時，也存在一些不足[2].如線上教學缺乏線下教學面對面的優(yōu)勢，可能導致學生與教師互動性不夠等.雖然目前疫情已經(jīng)得到控制，線下教學重新恢復，但由于線上教學的獨有特定，在空間和時間上相對于線下教學要求較少，線上教學已經(jīng)成為線下教學的一種有效補充，逐漸被師生所接受.

針對目前這種現(xiàn)象，同時結合自身教學經(jīng)驗，提出對半導體物理學教學改革的思考與建議，尤其注重新冠疫情后期對半導體物理學“線上+線下”混合教學模式的探討[3].

2 半導體物理教學內(nèi)容的改革

2.1 半導體物理學課程的改革

揚州大學微電子專業(yè)“半導體物理學”課程選用的教材是《半導體物理學》[4]，該書是由電子工業(yè)出版社出版，劉恩科等人編寫.教材的知識結構完善，理論推導嚴謹有序，學科交叉性大.學習這門課程之前，需要學生們有高等數(shù)學”“量子力學”“固體物理”等數(shù)理基礎知識.學生如果沒有這些前導知識的積累，就會出現(xiàn)“學生聽課難，老師授課難”的現(xiàn)象，導致學生學習積極性不高，還會加深對工科生“重實踐輕理論”的錯誤觀念.據(jù)統(tǒng)計擁有微電子專業(yè)的大部分院校中半導體物理學的前置基礎課程并不齊全，許多學校已經(jīng)取消了量子力學、統(tǒng)計物理等課程.

因此在教學之前，教師需要清楚自己學院微電子專業(yè)開設的所有課程是否齊全，充分了解學生的基礎知識，合理增減教學內(nèi)容.教學內(nèi)容主要集中于前9章內(nèi)容.教學內(nèi)容主要集中于半導體的基礎知識教學，如電子、載流子、非平衡載流子、PN結的原理及特性，在教學過程中盡量避免復雜難懂的推理過程，在此基礎上結合學生學習情況選擇教學.

例如教學中第一章“半導體”中前四小節(jié)視學生是否學習過固體物理學中的能帶論來安排，如果沒有這些基礎可以拿出半節(jié)課單獨補充能帶論的知識或者其他前置知識，平時講述新知識時可以多穿插固體物理、量子力學的理論，公式推導一步步向?qū)W生展示.涉及復雜的玻爾茲曼函數(shù)推導等這類公式，對于微電子專業(yè)的學生可以提及但不用細講，教學重點放在掌握實際應用能力的培養(yǎng)上，不必過深地研究復雜機理，適當刪減這類詳細的教學內(nèi)容將課時時間用在側(cè)重點上.

第九章之后剩下4章的內(nèi)容是研究光學性質(zhì)和發(fā)光現(xiàn)象、非晶態(tài)半導體等，一般不作要求.但我國芯片核心技術的研發(fā)需要一個長期的周期發(fā)展，芯片研制的各環(huán)節(jié)困難眾多.其中就芯片的功率而言，隨著性能的不斷提升，功率也隨之提高，這就意味著需要更高性能的散熱和冷卻，如何做出一種微小、高效且散熱性能優(yōu)異的芯片結構才是現(xiàn)在芯片封裝技術人員所面臨的難題，而微電子器件的封裝應用研究進展較為緩慢，通過對半導體熱電性質(zhì)的研究，能促進培養(yǎng)本土集成電路芯片封裝的人才，應當把第十一章“半導體熱電性質(zhì)”的內(nèi)容作為半導體物理學的必修章節(jié).

2.2 半導體物理實驗的改革

半導體物理學的實驗課程基于由淺入深的原則，將書上的實驗分為兩部分：基礎實驗和創(chuàng)新實驗，半導體物理實驗總計32課時.

2.2.1 基礎實驗

主要是以半導體基礎結構來展開實驗，包括其晶體結構、電子結構、光學特性以及載流子的輸運特性和MOS結構的實驗來鞏固學生理論知識.基礎實驗項目總計24課時，具體安排如表1所示.

表1 基礎實驗項目安排

通過這6個基礎實驗，學生能夠在基礎理論知識上結合實驗，從單一的書本知識到動手實驗，具備了一定的研究基礎.因此,在基礎實驗上增添創(chuàng)新實驗.

2.2.2 創(chuàng)新實驗

結合理論知識以及基礎實驗的學習，學生們分成各小組按照自己的研究興趣展開調(diào)研、實驗、寫小論文的方式完成，總共8課時.這種創(chuàng)新實驗目的在于激發(fā)學生的科研興趣，鼓勵學生積極調(diào)研文獻，參與討論.這樣有助于今后在從事相關行業(yè)時能夠得心應手.

3 線上線下混合教育模式 教學形象化

因為新冠疫情防控的原因，各地高校開學推遲甚至取消開學，教育部部署停課不停學措施，為了響應號召，一種不同于傳統(tǒng)的教學形式，“線上教學”應運而生.線上教學雖然幫助我們規(guī)避了線下接觸帶來的風險，但這種新的教學方式也漸漸展露出弊端.

3.1 對比線上教學和線下教學

根據(jù)線上教學一年多的活動總結，線上教學的優(yōu)勢能解決線下教學時場地和生源流動問題，不用在乎時間和空間的約束.線上教學同時也存在一些缺點，線上教學過程中教師無法及時監(jiān)督學生學習狀態(tài)，導致課堂效果不佳.而傳統(tǒng)的教學模式(線下)的優(yōu)勢就是能有效地監(jiān)督學生們的學習情況，學生們的反應也能及時地反饋給教師進行互動，其缺點就是課堂時間有限、講述內(nèi)容多、學生們很難消化完.

綜合以上優(yōu)缺點來說，對于半導體物理學這門物理概念抽象、涉及復雜物理模型、內(nèi)容深奧、知識點繁多的課程，我們可以采用“線上+線下”混合教學的模式，利用這兩者的互補性，合理地安排時間和空間資源.教師將教學內(nèi)容細分，然后再整合到不同的教學模式里，各取所需.這樣既能幫助學生們有計劃地學習這門課程，也能便于教師的教學工作.

3.2 “線上+線下”的具體創(chuàng)新措施

在教學過程之前，以在線開放課程為輔[5].通過學校的教育平臺或者網(wǎng)絡學習的平臺讓學生有一個預學習階段，然后完成每章節(jié)的線上單元檢測，最后要求學生能自主構建每章節(jié)的知識點，這樣能夠做到以學生為中心，提升學生的學習自主性[6].線上教學過程中應當防止學生不自律的情況發(fā)生，例如學生刷視頻這類現(xiàn)象，學校可以采取在觀看視頻過程中提問、視頻無法快進的方法來改善，將視頻中的問題得分算入期末考核成績，用來考查學生是否認真觀看教學視頻.線上的課程不需要解釋書中深奧難懂的知識點，其內(nèi)容要求能簡單形象地讓同學們理解書中的復雜物理模型，形式不限(動態(tài)示意圖、視頻等)，使學生直觀感受器件的工作過程，然后自己總結此過程涉及的原理.還可以搭建微信公眾號平臺，用作補充微電子行業(yè)的實時前沿信息，半導體物理學的知識也就可以得到不斷更新，這樣不僅解決了書本上內(nèi)容滯后的問題，而且也為設計創(chuàng)新實驗提供新途徑和新思路，充分調(diào)動了學生們的熱情.

然后再結合線下教學，利用PPT或者科研工具等方法協(xié)助教師講述理論知識.半導體物理學絕大多數(shù)講述的是一個微觀世界的物理現(xiàn)象，學生無法理解，課堂氣氛枯燥.教師可以將物理現(xiàn)象用宏觀事物比喻分析，從而提升課堂的活躍氣氛；然后結合半導體物理實驗來驗證和實踐原理，鞏固對知識點的理解.另外，教師可以將微電子專業(yè)近些年發(fā)生的熱點事件分成若干專題給每一位學生，讓學生負責查詢資料和調(diào)研，利用小部分課堂時間讓同學分別講述自己的專題，提出疑問，老師協(xié)同解答，大家共享信息.這樣不僅能夠活躍氣氛，還能讓每個人積極參與其中，彼此交流匯報內(nèi)容，在學生的潛意識里加深對半導體物理學的認識.

工科生的線下教學既要重視理論也要重視實踐，但大學里的實驗室和設備很難滿足微電子工藝的要求，能擁有芯片生產(chǎn)線的學校更是鳳毛麟角，學生就算有想法也沒有平臺去實現(xiàn).因此，高校的微電子專業(yè)需要和當?shù)氐陌雽w企業(yè)多交流合作，建立校企合作關系.一來學生能借用企業(yè)的技術資源，可以實地去企業(yè)車間里學習和操作，提升他們的實操技能；二來企業(yè)聯(lián)合學校培養(yǎng)學生能大大縮減學生與企業(yè)之間的磨合期，同時合適的人才也能為企業(yè)貢獻自己的力量.

理論結合實踐的過程當中，還可組織學術講座以及學術交流活動，線上線下的形式不限，彼此探討研究領域的新發(fā)展，促進高校之間的交流；還可以邀請名校教授或者企業(yè)技術人員做技術報告、專題講座，使學生能及時把握微電子領域的技術發(fā)展，在學好基礎理論知識的同時把握行業(yè)最新動向，今后從事相關行業(yè)更加得心應手[7].

“半導體物理學”課程的“線上+線下”混合教學模式，將理論、實踐、行業(yè)的前沿信息綜合一起，三者結合能夠提高微電子專業(yè)人才的綜合素養(yǎng)[8].

4 結束語

“半導體物理學”作為微電子專業(yè)的核心課程之一，其專業(yè)性強，需要很多前置課程來鋪墊，同時由于知識理解難度大、交叉學科多等特征，學生學習起來較為吃力.本文結合中美貿(mào)易摩擦局勢和國內(nèi)新冠疫情的情況，提出了對半導體物理學合理增減教學內(nèi)容的改革措施，制定具有微電子專業(yè)針對性的教學計劃；引入“線上+線下”混合的教學模式，多元化線上教學手段能極大地提升教學效率和培養(yǎng)興趣，線下的教學既要重視理論基礎也要重視實踐，搭建校企合作平臺為學生鍛煉實踐能力，不僅能夠讓學生了解到最新的行業(yè)前沿信息，聯(lián)系產(chǎn)業(yè)實際應用，還能使學生深刻理解課上的知識點.這門課程中認真學習并通過考核的學生，一定會對學習半導體物理的基本原理和方法有清晰的認識，后續(xù)學習微電子工藝、激光原理、封裝技術等課程將很容易上手.

由于自身的教學水平和經(jīng)驗限制，對于本課程的建議可能不太成熟，在今后的教學工作中，將會對上述措施逐步完善和改進，促進“半導體物理學”課程的教學效果不斷提高.