面向新工科人才培養的半導體物理課程改革探討

曾凡焱，俞 挺，謝美蘭，屈耀輝

（1.南昌航空大學材料科學與工程學院 江西 南昌 330063；2．江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022）

目前，互聯網、大數據、新材料、新能源等新科技正快速改變著全球經濟格局和工業發展模式，這些變化對現代工程技術人才的知識、能力、職業素質和視野都提出了新要求。為培養新型工程創新人才，支撐和引領新經濟，2017年，教育部正式推出“新工科”計劃，并先后形成“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導性內容，推動工程教育界開展新一輪的教育教學改革，轉變工科教育范式。新工科教育范式提出，在專業課程教學中，要根據工程教育新模式的需要，積極創新教學方法和手段；要根據當前科技發展，及時更新課程教學內容[1]。

半導體物理是一門研究半導體的原子狀態、電子狀態以及各種半導體器件內部電子結構的課程，眾多高校工科專業，包括電子科學與技術、微電子等傳統專業以及新能源、新材料等戰略新興專業，均將其作為核心專業基礎課。中國是全球第一大半導體市場，半導體產業是支撐當前經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，也是我國新一代信息技術產業的重點發展方向，又與綠色低碳領域和生物領域的發展有著千絲萬縷的聯系。因此，半導體物理課程是工程教育課程體系中對接產業需求的重要突破口之一。

2018年10月，《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》明確指出：“通過教學改革促進學習革命，積極推廣小班化教學、混合式教學、翻轉課堂，大力推進智慧教室建設，構建線上線下相結合的教學模式”[2]。隨著教育信息化的持續深入，各高等院校相繼探索混合式教學模式，眾多基于網絡環境的數字化教學平臺應運而生，為高校混合式教學提供了良好的技術支持，極大地豐富了慕課、微課等在線學習資源。因此，為加快建設高水平工科教育，有必要借助混合式教學模式，積極推進信息技術與工科專業課程深度融合的課程教學改革。

1 半導體物理課程教學現狀

半導體物理是固體物理的一門分支學科，其教學內容主要分為半導體材料屬性和半導體器件基礎兩大部分。半導體材料基礎包括半導體材料的基礎知識、載流子模型、載流子輸運等；半導體器件基礎部分包括PN結機理與特性、PN結二極管、雙極型晶體管、MOS場效應晶體管等。由于課程內容側重于抽象的微觀物理結構和現象，其中涉及大量繁雜的知識點與復雜的公式推導，容易導致學生感到枯燥無味，難以理解，進而產生消極的心態，學習興趣和積極性不高[3]。

近年來，隨著電子信息、新材料等相關產業的發展，半導體技術更新迭代迅速，新的科研成果不斷產生，而現有教材對學科研究前沿進展涉及不多，與新科技新產業脫節嚴重。部分教師局限于課本內容和有限的課時，僅關注理論知識的傳授而不重視課外的拓展，未能將課程教學與實際應用相結合，使得學生過于依賴死記硬背的學習方式，不能深刻理解教學內容并靈活運用[4]。

對于這種理論性強的課程，如果使用單一的教師講、學生聽的教學模式，缺乏必要的師生互動，不利于學生參與到課堂中來，也難以培養學生的創新思維和自主學習能力。新的工程教育認證標準明確提出“解決復雜工程問題的能力”，注重理論聯系實踐、解決實際問題已成為工科專業課程目標定位的指導性要求[5]。半導體物理雖然是一門不包含實踐環節的理論課程，但如果能讓學生在課余時間有機會接觸相關領域知識，甚至利用所學知識主動參與到課外科技活動中來，對新工科人才的培養也十分重要。傳統教學模式已不能適應新工科人才培養及半導體產業發展的需要，半導體物理任課教師應充分利用互聯網優勢，將信息技術融入課堂教學中，豐富教學資源，更新教學內容，改革教學模式和方法，優化評價方式，培養學生的創新意識和探究精神，促進高階思維能力和工程應用能力的提升，從而適應國家和地區產業發展對工程科技人才的要求。

2 面向新工科人才培養的半導體物理課程改革策略

2.1 融入前沿進展，更新課程知識體系

由于半導體物理涉及的知識點多、內容廣，學生難以抓住重點，容易導致較低的學習效能感，而教師也無法在有限的課時內對所有知識進行面面俱到的講解。因此，教師應結合本專業培養方案，把握本課程與先修和后續課程之間的聯系，對先修課程中已經涉及的內容進行簡化，一般只講其整體框架及其和后期所學內容的關聯或運用；對與實際應用關系密切的知識，比如PN結、雙極型晶體管，則設為重點講解內容，并盡量引入工程應用的實踐案例以激發學生的學習興趣。

另一方面，教師可將半導體行業的最新技術成果有效整合在課程內容中，突出前沿熱點問題，還可結合國家、地區經濟發展和學科優勢有側重地進行介紹。如在近兩年的新冠疫情背景下，各國科學家開始使用半導體技術研制快速檢測新冠病毒的傳感器，這種生物傳感器將半導體與核酸適配體相結合，使用諸如場效應晶體管之類的器件，將化學信號轉變為電信號。又如我國油氣資源較為匱乏，急需開發可再生能源代替傳統的化石能源。以太陽能電池為代表的半導體光伏發電技術在綠色能源領域的應用，在我國能源發展規劃中具有戰略地位，有助于實現“碳達峰”“碳中和”遠景目標，而這與本課程中半導體材料的光電效應密切相關。

此外，還有半導體芯片、半導體LED照明等應用案例，均對國家科技發展有著重大意義，這些學科前沿知識的結合在豐富補充教學內容、激發學習興趣的同時，還能使學生認識到半導體物理對我國經濟社會發展的重大意義。

2.2 指向創新思維，開展研究性教學實踐

根據社會對新工科人才的需求，專業課程教學中需要激發學生的創新意識、提高創新思維能力，因此不應局限于課堂講授的教學方法。在半導體物理的課程教學設計中，為落實培養創新精神和素質的培養，教師引入研究性教學策略，對整個教學過程進行重構，使學生在獨立的探索、思考、實踐的研究學習過程中，吸收內化知識、應用知識分析并解決問題，獲得綜合素質的全面提升。

①研究性課題的確定。研究性課題的確定可采用教師推薦和學生自選兩種方式。在更新教學內容體系的基礎上，教師分析半導體學科和產業的前沿熱點問題，結合課程知識點，精心構思若干適合學生討論學習、能夠調動學生探究興趣、培養創新思維能力的課題；同時，學生也可通過廣泛查閱文獻資料，結合課程內容中的興趣點，自主提出待研究的選題與教師討論，并在教師的指導下進行修正。

②研究性教學活動設計。研究性教學活動的一般程序為教師在創設問題情境，引出研究性課題，通過網絡教學平臺下發課題名稱和相關學習資料；學生分為4-6人的小組，分工協作，搜集文獻，通過調研、討論、實驗、總結等學習活動尋求解決問題的方法和途徑；經過階段性的自主研討，組織各組學生在課堂上交流初步得到的成果或結論，對尚未解決的問題進行深入討論，制訂后續的修改或探究計劃；最后，學生根據探究的問題和討論結果，對合作學習過程中獲得的成果加以歸納整理，完成最終的書面報告，使知識系統化、條理化。

③研究性教學的課外拓展。經過研究性教學活動的初步探索，部分學有余力的優秀學生可通過雙向選擇進入任課教師團隊所在的科研實驗室，參與大學生課外科技活動如創新創業訓練計劃項目、挑戰杯等，并將研究結果撰寫成研究論文進行發表。

2.3 整合信息技術，構建混合式教學模式

由于研究性教學程序有別于傳統課堂，師生之間的互動和交流難以在有限的課堂時間內完成，因此多采用翻轉或半翻轉課堂模式，在具體實施上較為依賴信息化手段和平臺。因此，半導體物理課程的研究性教學策略的實施宜采用線下課堂教學與線上數字化學習相結合的混合式教學模式，使用雨課堂、學習通等智慧教學工具為課程教學的開展提供強有力的支撐，主要體現在以下幾個方面：

①前端支持。在進入新課之前教師可使用線上平臺下發預習課件和自學資料，并通過調查問卷、課前測試等掌握學生的學習基礎和預習情況。通過數據分析，可確定各個章節的教學起點，并將一部分學習內容轉為線上自學，不再占用課堂時間。

②協作空間構建。虛擬空間將小組協作的空間從課內延伸到課外，不僅組員之能有便捷的線上交流方式，教師也可通過討論區、班級群等途徑，直接與學生對話，從資源、方法等方面進行在線指導。

③教學數據處理。網絡教學平臺自動收集學生分組、課堂活動、課前課后測驗等學習數據，研究性學習報告的提交與批閱也可在線上完成，每堂課后都能統計生成詳細的課堂小結，對教學數據的管理帶來了極大便利。根據這些數據，教師能適時調整教學設計和教學活動的有關環節，并開展科學的教學評價。

2.4 強調過程考核，實施多元動態評價

以往半導體物理課程的評價主要采用終結性評價，導致部分學生平時學習的投入度不高，主要依靠突擊復習應付期末考試。在新的教學模式和方法下，實行“師評、自評、互評”相結合、過程性評價和終結性評價相結合的評價方式，增加過程性評價的權重，著重考查學生在平時學習過程中的投入度，從動態發展的角度評估學生的發展潛力。過程考核主要包括研究性學習成績、作業和隨堂測驗等，這些成績均可借助網絡教學平臺采集。根據學習記錄、作業、小組報告等材料，可為學生創建電子檔案袋。研究性學習成績由教師評價、學生自評、組內互評組成，體現評價主體的多元性。教師制定合理的研究性學習評價量表，在討論課中，針對研究小組的成果和學生表現進行評價；學生填寫自評表和組內互評表，對項目完成情況、合作學習效果和參與度進行評定。網絡教學平臺實時采集和記錄的各種信息，有助于教師客觀、準確地對學生的學習活動做出評估。此外，通過定期發放線上問卷，了解學生在學習態度、學習效果等方面的反饋，對學習中存在的困難和教學效果進行動態診斷，以便教師及時調整教學策略。

3 結語

在新工科建設和信息化教育全面推進的背景下，高校工科專業課教師需要圍繞新工科核心能力培養，不斷更新教學內容，摸索改進教學方法，建立科學合理的考核評價體系，以課程教學改革支撐工程類專業人才培養目標的達成。在半導體物理課程教學改革中，以技術發展為切入點更新教學內容，以研究性教學為突破點培養核心能力，以信息技術為手段優化教學模式。這樣既激發了學習興趣，培養了學生的創新意識和理論聯系實際的關鍵能力，又解決了師生互動不順暢、數據收集不完整的問題，落實了“以學生為中心”的培養理念，最終助力新工程技術人才培養質量的提升。