信息化教學模式下教學實踐課程的開展

張 鵬

（南京郵電大學集成電路科學與工程學院 江蘇 南京 210023）

信息化教學是當下及未來的主流教學模式，主要是通過現代化的教學手段，讓學生從知識的被動接受者轉換為知識的主動探索者，教師的主要作用從知識的傳授者轉化為學生知識學習的輔助者[1]。微電子器件和半導體物理是高校微電子專業的重要必修課程，對微電子器件和半導體物理課程的學習深化需要一定的教學實踐環節[2]。學生通過學習專業理論知識，并自主將理論知識轉化為實踐過程，深化對知識體系的理解，增強學生的自主探索意識，培養學生的創新思維能力。

1 理論知識的信息化教學模式

半導體物理涉及半導體的電學特性、能級分布、PN結、金屬半導體接觸、半導體異質結等理論，而微電子器件涉及雙極型晶體管、金屬―絕緣體―半導體場效應晶體管、金屬―半導體場效應晶體管、薄膜晶體管等相關器件的原理。這些相關知識的學習，不僅涉及相關的原理性闡述，還囊括了諸多公式及其推導過程，對相關公式的掌握有利于實踐環節的開展。對于原理性內容的闡述和公式推導過程，一方面需要教師的講授，另一方面，更需要學生的自主學習。尤其是當后續的教學實踐環節與專業理論知識學習環節不同步，更需要加深對專業理論知識的學習。通過信息化教學模式，能培養學生的自主學習意識，鞏固專業理論知識的學習。

信息化教學模式，不僅在教學手段上從以前的板書轉化為現代的多媒體教學，而且在教學模式上從單一的教室授課轉變為線上線下結合，在教學方式上由單一的教師授課轉變為師生互動學習理論知識，在教學內容上由純理論知識學習轉變為理論聯系實踐。

在教學手段上，多媒體教學不僅解放了教師的雙手，使得教師在授課過程中能夠更有效地與學生互動，了解學生接受專業理論知識過程中的難點，從而便于更有效地傳授知識點。更為重要的是，多媒體教學可以通過動畫等方式更為直觀和生動地描述相關原理，給學生留下更為深刻的印象[3]。同時，多媒體教學在公式推導等過程中采用動畫播放的方式，相對于板書公式，能夠讓學生關注到公式推導的重點且能夠節約教師板書的時間，從而提高學生學習理論知識的效率。由于學生更關注公式推導的整體性，更有利于從整體上把握相關知識點的銜接，能夠更清晰地了解將理論知識應用到具體實踐環節的過程。

教學采用線上線下結合的模式，線上教學采用慕課等新型授課手段[4]，通過教學內容的錄制讓學生可以多次循環播放了解相關知識點。同時，學生可以通過獨立或者團隊協作方式，利用網絡學習深入了解教學過程中的知識點。在線下的教學過程中，學生可以與授課教師進行面對面的溝通，學生無法深入理解的知識點由授課教師進行詮釋，這也有助于學生獨立思考能力和自主學習能力的提高。

在教學方式上，采用師生互動的方式，讓學生更多地參與到理論知識的講授過程中。一方面，這有利于老師將授課重點放到學生的知識盲點上，從而提高教學的效率。另一方面，讓學生參與到授課環節，有利于教師了解學生所掌握的知識點，并通過互動過程讓學生深入思考，加深其對知識點的印象，從整體上了解相關知識原理和公式闡述意義等。同時，通過學生參與授課環節，可以讓學生充分理解 “教” 與 “學” 之間的相關性，了解教學環節是自主學習基礎之上的更進一層，在學習過程中可以進一步加深對知識點的理解。

在教學內容上，部分內容采用專業理論知識聯系實踐的方式，直觀呈現了相關知識點的物理意義，加深了學生對知識點的印象，為后續的實踐教學環節打下一定的基礎。由于理論學習和教學實踐在時間上不一致，在理論學習過程中引入教學實踐環節的介紹，可以加深學生對理論知識的整體理解，便于將理論知識進一步轉化為實踐過程，實現對基礎理論知識的應用。

2 教學實踐環節的信息化教學模式

在教學實踐環節，完全體現了信息化教學模式的功能。一方面，采用現代化的信息工具，結合軟件工具對相關知識點進行實踐。另一方面，在相關實踐過程中，讓學生利用相關知識點進行自主實踐，教師在實踐過程中僅發揮 “協助者” 的作用。學生可以通過團隊協作、網絡搜索等方式，增強自主實踐的能力，最終完成相關的實踐環節。另外，通過增設相關的實踐課題，通過實踐―理論―再實踐的方式，培養學生的自主實踐能力和一定的創新思維能力。

實踐中的信息工具，采用的是基于MATLAB等軟件編程和相關數據處理軟件。Matlab是MathWorks公司開發的一款以數學運算為主要特色，集數學運算、符號分析、圖形可視化等于一體的集成化軟件，在微電子器件和半導體物理領域有其獨特的優勢。作為常見的現代化數學公式編程工具，MATLAB軟件內部集成了諸如指數函數，積分函數，矩陣運算等直接的函數和運算方法，相比于C/C++語言，具有更加直觀簡便的特點，而且可以通過plot函數等實現直觀的圖像顯示。該軟件學習過程較為簡便，僅需要通過教師的簡單講授，或者學生自主搜索學習相關教程即可上手，大大降低了花費在軟件學習上的時間。同時，教學實踐環節也可以根據一定的實驗數據結果進行，通過MATLAB等編程軟件進行數據的計算后，利用Origin等數據處理軟件進行數據的處理和數據圖的繪制，從而驗證相關半導體物理和微電子器件理論的有效性。

對于現代化信息工具的應用，學生通過自主學習軟件使用和微電子器件，半導體物理知識點的回顧，利用軟件進行數學公式的編輯和物理圖像的顯示。一方面，基于理論課程學習過程中涉及的實踐內容，學生已經對教學實踐環節有了一定的了解，可以更快上手。并且在理論教學環節，學生對于知識點的把控更加深刻，這將有利于后續實踐環節的順利開展。另一方面，學生在編寫代碼的過程中，涉及相關物理參量之間的關系，數學公式編寫的正確性與可讀性，以及物理圖像的正確顯示等方面，有利于培養學生嚴謹的編程習慣和對物理參量的含義和相互關系的深刻理解。同時，對于程序編寫過程中的出現的Bug,需要鍛煉學生的Debug能力。學生可以通過網絡獨立搜索查詢，或者是團隊協作等方式自主學習，教師在學生編程的過程中僅扮演 “協助者” 角色，有利于實踐課程的信息化教學模式的開展，培養學生的自主學習能力。

通過信息化教學模式的開展，學生通過自主學習，通過實踐―理論―再實踐的方式，培養學生的自主實踐能力和一定的創新思維能力[5]。學生利用相關知識點進行MATLAB等編程后，通過MATALB或者Origin軟件獲取相關數據圖，然后通過數據圖分析相關的理論知識點，然后再通過新的實踐內容進行一定的創新。比如，在課堂內容里要求學生掌握MIS的低頻和高頻電容―電壓的變化關系，通過編程實現相關數據圖及了解一般教學實踐過程之后，再返回到半導體物理相關的知識點內容，讓學生自主學習編寫MOSFET的電流―電壓特性的不同等級模型。通過編寫MOSFET模型之后，可以將仿真結果與商用的仿真軟件如Hspice模型進行對比，從而了解編寫模型的準確度。通過學生自主學習和編寫代碼，并進行理論的反饋，培養學生的創新能力。

3 教學實踐環節的信息化教學舉例說明

本部分利用有機薄膜晶體管的電學特性舉例說明教學實踐環節的實踐過程。有機薄膜晶體管載流子輸運一般采用的是跳躍模型，隨著柵極電壓的增大，載流子填充更多的帶尾態，因此載流子遷移率隨著填充態的增多而逐漸增大。根據相關的理論知識，載流子遷移率與柵極電壓之間的關系符合經驗公式，即遷移率FE與低場遷移率0成正比，與遷移率增強因子 成指數關系，有機薄膜晶體管的電流電壓特性也相應的與低場遷移率0成正比，在飽和區域與遷移率增強因子+2次方有關，在線性區域與遷移率增強因子+1次方有關。同時，亞閾值區域的電流電壓關系，也可以通過指數形式及遷移率增強因子+2次方統一成f(VG,V)表達式。具體的公式推導過程由指導老師對學生進行理論講解。

實驗中制備了聚苯乙烯（Polystyrene,PS）薄層修飾SiO2界面的并五苯有機薄膜晶體管。SiO2柵氧層厚度為300 nm，柵絕緣層表面電容為11.5 nF/cm2。轉移特性曲線可以獲得閾值電壓為-7.2V，亞閾值斜率為3.5 V/dec。通過給定的數據和指導老師的講解，學生可根據相關數據自主開展數據分析。

由學生自主實踐所獲得的數據可知，該仿真曲線在超閾值電流區域和亞閾值電流區域與實驗曲線都符合得較好，表明仿真過程的有效性。另外，值得注意的是，對于本器件，較大的遷移率增強因子 值表明并五苯材料較大的能量/空間無序性及并五苯/聚苯乙烯的界面俘獲作用。為追求良好的器件特性，需要增大低場遷移率0的同時減小遷移率增強因子，這依賴于有機半導體材料的形貌和界面性能的優化。通過對仿真等信息化教學模式及刻意練習手段，加深了學生對相關理論知識的理解，有利于突出教學實踐環節的作用與優勢。

通過信息化教學模式在理論學習和實踐環節中的運用及刻意練習過程，不僅有利于學生對知識點的有效把控和自主學習能力的培養，加深對理論知識的理解，實現理論知識在實踐教學環節中的應用，而且在一定程度上有利于學生創新思維的提升。