新工科背景下應用型本科院校《半導體物理與器件》教學改革的研究

王 彬 王宇薇 孫小飛

（1.渤海大學化學與材料工程學院，遼寧 錦州 121013；2.錦州師范高等專科學校環境科學學院，遼寧 錦州 121000；3.渤海大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121013）

近年來，我國高等教育迅猛發展，高等院校招生人數不斷增加，普及本科教育的時代即將來臨。但是，在高等教育發展的同時，也存在著用人單位招人困難和大學生擇業困難的問題，這與高等教育的快速發展相互矛盾，其根源在于過快發展的高等教育與國家的經濟、產業結構不匹配。目前我們國家的經濟產業正處在向電子化、信息化轉型的關鍵階段，高等教育的發展應該結合經濟產業的轉型需求，實現兩者共同進步與轉型以推動我國經濟社會的全面發展。國務院在2014 年2 月召開了常務會議，會議明確提出了“引導一批地方本科院校向應用技術型高校轉型”，加快發展職業教育以促進社會主義現代化建設的新的教育戰略部署，這代表著國家決定鼓勵一部分地方本科院校轉型為應用技術型高校。2014 年6 月，全國178 所高等學校的代表共同參加了產教融合發展戰略國際論壇，并且擬定了《駐馬店共識》。178 所高校的代表在《駐馬店共識》中指出，愿意作為先行者和探索者落實國務院做出的“部分地方本科高校轉型為應用技術型高校”的戰略部署，共同探討部分地方本科院校產教融合發展的轉型建設之路。為了積極配合國務院高校轉型的戰略部署，國家及地方相關部門相繼出臺了一系列有利于地方本科院校轉型的政策，以鼓勵地方本科院校的轉型。地方本科院校的成功轉型具有重要意義，不僅能夠優化我國高等教育的教育結構，有利于培養以地方經濟發展為導向的高層次應用型人才，也更好地促進了我國社會主義現代化建設。同時，為了迎接新一輪產業技術革命的到來，更好地促進我國經濟產業的順利轉型，教育部在2017 年2 月發布了《高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，對高校培養工科專業的高層次應用型人才提出了全新的要求，隨后在新工科研討會上形成的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，標志著我國新工科應用型人才的培養開啟了全新的模式[1-2]。

《半導體物理與器件》是新能源材料與器件專業重要的必修課，該課程講授的半導體的專業知識實用性極強，是半導體行業進行材料設計、分析材料性能重要的理論基礎。因此，對這門課程的掌握程度是新能源材料與器件專業學生是否滿足半導體行業需求的一個標準。

隨著部分地方院校的轉型和新工科教育戰略的部署，各個高校不斷進行相應的教學改革，傳統老套的教學方法和陳舊的實驗設備已經不能滿足新形勢下《半導體物理與器件》的教學要求。為了培養滿足經濟產業轉型所需的理論基礎扎實、創新思維活躍、創新能力強的應用型新工科人才，本文提出了《半導體物理與器件》教學改革的研究方案。

1 更新教學內容

《半導體物理與器件》的培養目標重在專業應用，由于半導體行業無論是新材料的研發，還是半導體器件的創新，發展都非常迅速，而傳統的課程內容過于陳舊，大部分已經與現代工程實際脫軌，無法滿足現代化半導體行業的技術需求。例如，以往在介紹半導體材料的晶體結構時，只注重了硅和氧化鋅等幾十年前的材料，而沒有涉及現代半導體工業實際應用中的大多數復合型半導體材料，教學內容與現代工業應用嚴重脫節。因此，我們在《半導體物理與器件》教學內容的改革中，加入了一些現代半導體工業中應用較為廣泛的新材料（如石墨烯[3]，一些具備半導體性質的金屬氧化物/碳化物等）的結構和性能介紹；在介紹晶體結構對稱性理論時，從原來簡單地介紹平移對稱性和點群對稱性，擴展到“n 重旋轉軸”“鏡像反射面”“反演中心”以及“n 重旋轉反射軸”的詳細講解，補充這些新內容，能夠促進并加深學生對半導體晶體結構對稱性的理解，提高學生的學習興趣，為后面研究生階段相關課程的學習打下堅實的基礎。同時，我們也對《半導體物理與器件》在專業實際應用中涉及較少的教學內容進行了刪除，例如，刪除了與《固體物理》重復的“倒格子與周期性函數的傅里葉展開”等內容，既能夠合理分配課程內容教學學時，又能夠減少學生的學習負擔。

2 開發新型教學方法

傳統的《半導體物理與器件》教學方法是以教師為中心，教師講什么，學生學什么的“填鴨式”教學模式。而《半導體物理與器件》課程內容中的概念、原理和公式又特別繁多，這樣就導致學生只是一味地被動接受，并不能對課程內容進行良好的消化和吸收，嚴重限制了學生的學習興趣，阻礙了學生創新意識的發展。在新工科教育戰略的背景下，我們對《半導體物理與器件》的教學方法進行了改革和創新。

2.1 對比教學法

《半導體物理與器件》教學內容的特點就是概念多、原理難、公式復雜，但是，這些概念、原理和公式之間關聯性較強，往往是由一個原理（公式）結合另一個原理（公式），便能夠推導出下一個原理（公式），因此，可以引導學生通過對相似的概念、原理和公式進行對比分析，然后將相關知識點有效串聯起來，形成一個完整的知識體系，這樣不但能夠幫助學生更好地理解和掌握復雜、抽象的概念、原理和公式，還能夠使學生充分了解《半導體物理與器件》的課程內容體系，舉一反三、學以致用。例如，在“半導體中載流子的統計分布”教學內容中，理解了費米分布函數和費米能級的概念和意義以后，只要掌握了導帶電子密度的意義和密度公式的推導過程，通過概念對比，便能夠按照同樣的邏輯思維推導出價帶空穴密度的公式；在“非平衡載流子”教學內容中，理解了非平衡載流子的產生和復合機理之后，利用連續性方程可以解決非本征半導體中非平衡載流子的擴散和漂移問題，通過將本征半導體和近本征半導體的概念進行聯系對比，理解二者的區別，便可以利用連續性方程解決近本征半導體中非平衡載流子的擴散和漂移問題。通過對比教學的方法有助于學生正確理解和分析相似的概念、原理和公式，提高學習效率。

2.2 討論教學法

傳統的《半導體物理與器件》課堂教學模式是教師一個人在臺上唱“獨角戲”，學生在下面聽，教師與臺下的學生互動性不強。由于《半導體物理與器件》的教學內容與實際應用緊密相關，為了激發學生學習的主觀能動性，增強學生分析問題，解決問題的能力，我們在《半導體物理與器件》的課堂教學中增加了大量的課堂討論環節。

在課堂討論環節中，我們常結合半導體工程應用中的實例，提出一系列與《半導體物理與器件》課程內容相關的問題與學生進行討論、分析。同時，我們也鼓勵學生根據切身的科學經歷，提出與課堂內容相關的問題進行討論。例如，在介紹新型半導體材料的發展現狀時，可以以石墨烯材料為討論內容，問題之一可以是“在什么條件下，石墨烯的能帶結構發生變化，使其在半導體和半金屬之間轉換？”還可以要求學生根據已學到的晶體結構的相關知識進行解釋。在這種“提出問題——分析討論問題”的教學過程中，學生結合自己掌握的知識和經驗與同學和教師展開討論，在討論中進一步鞏固和理解相關的知識點，還能夠填補自己的知識盲區，增加學習的深度，提高知識的全面性。學生在討論教學法的過程中，從被動聽課轉換到積極主動思考，激發了學生學習的興趣，增加了師生間的互動，也能夠使教師更好地了解學生掌握知識點的程度，從而優化教學內容的深度和教學進度。討論教學法緊密結合專業應用中的實際問題，有助于培養了解行業發展前沿動態的優秀的應用型人才。

2.3 案例教學法

《半導體物理與器件》由于其含有大量的抽象概念、復雜公式，使其成為一門比較枯燥的專業課程。在傳統的授課方式下，課堂氣氛比較沉悶，缺乏激情，難以調動學生學習的積極性，更不能強化學生的專業創新意識。為了激發學生學習的積極性，調動課堂氣氛，教師在講解相關知識點時，可以給學生舉一些相關的專業案例，拓展學生的知識面，提高學生的認知層次[4]。例如，在講解絕緣體、金屬、和半導體之間區別的時候，教師可以引入超導體的概念，并且介紹某些材料在一定條件下能夠轉變成超導體，例如，二維碳化鉬材料可以根據溫度和磁場的變化實現不同程度的超導現象等。通過在《半導體物理與器件》課堂教學中引入案例教學法，有效激發了學生的學習興趣，增強了他們的創新意識。

3 豐富教學手段

傳統的《半導體物理與器件》課堂教學工具主要為“黑板+粉筆”，這種板書教學手段已經不符合現代化教學的要求。很多教學內容僅僅通過板書的形式是不能夠完全體現在學生面前的，學生僅通過板書很難理解一些抽象的概念。例如，氧化鋅的纖鋅礦結構和閃鋅礦結構，共價晶體的金剛石結構，這些抽象的概念結構教師如果只是靠板書來進行描繪，學生不僅不能夠對它們進行區分，還容易使學生由于學不懂產生厭學情緒。因此，我們在《半導體物理與器件》的課堂教學中引入了電化教學等教學手段，實現了現代化和多元化的課堂教學手段。通過電化教學能夠使學生更直觀地觀察到3D 立體的晶體結構模型，幫助學生理解并強化晶體結構的概念和區別。我們在《半導體物理與器件》的課堂教學中還引入了虛擬仿真技術教學手段，利用這種先進的教學手段，我們能夠將半導體實際工藝流程利用計算機進行模擬仿真，使學生在課堂上就能夠體驗和了解半導體工藝生產線的實際生產制備過程，更好地實現了理論與專業實踐相結合。通過豐富教學手段，增強了《半導體物理與器件》課堂教學的直觀性，增強了學生學習的興趣和專注力，有利于培養實踐型應用人才。

4 強化課下教學

在《半導體物理與器件》的教學中引入課下實踐教學，通過結合課上的理論知識點進行相應的實踐拓展訓練，學生根據學習興趣選擇實踐教學項目，可以在指導教師的陪同下，走進科研實驗室，接觸半導體工藝流程。例如，學生可以在工藝實驗室學習高效晶硅電池的設計，通過減反射膜和表面制絨的設計，能夠了解在晶硅電池的生產中，如何降低光的損耗以提高晶硅電池的功率。在《半導體物理與器件》的教學中引入課下實踐教學，能夠加深學生對理論知識的理解，拓展學生的知識面，提高教學效果，同時也鍛煉了他們的專業實踐技能。

5 精細化課程考核體系

為了加強對《半導體物理與器件》教學質量的管理，我們精細化了其課程考核體系。結合新能源材料與器件專業的培養目標與畢業要求之間的關系，我們對《半導體物理與器件》這門課程設置了四個課程目標：（1）掌握課程中的基本理論和專業知識，并結合數學、自然科學以及工程技術知識，將其用于解決半導體領域中的復雜工程問題；（2）掌握半導體器件開發全流程及其工藝設計的基本方法，能夠針對半導體領域的復雜工程問題，通過合理設計工藝流程、正確選材以及開發加工技術；（3）能夠基于半導體器件的相關原理、工程技術及實驗分析方法，對工程問題中的相關現象、特性進行分析；（4）能夠針對半導體器件領域的復雜工程問題，優化實驗方案，科學采集實驗數據，對研究結果進行分析、解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

6 結語

本文研究了《半導體物理與器件》的教學改革。通過教學改革，有助于教師合理安排教學內容和教學進度，提高教學質量；通過教學改革，更好地激發了學生學習的興趣，增強了學生的專注力和創新意識，提高了學生的創新能力；在高校轉型和新工科教育戰略的背景下，有利于培養滿足現代化半導體行業技術需求的優質應用型人才。