半導體材料實驗課程教學的實訓體系重構

王春蘭， 宋立勛， 翟學軍

（西安工程大學理學院陜西省物理實驗教學示范中心，西安 710048）

0 引 言

半導體材料是半導體產業進步的關鍵因素，亦是半導體產業最直接的上游環節［1］。半導體領域向來有“一代材料、一代技術、一代產業”的說法［2］。5G信息時代的到來，第3代半導體材料與第1、2代半導體材料優勢互補、協同支撐著新一代信息技術的創新發展，新能源與綠色環境的可持續發展，傳統產業的數字化、智能化轉型發展。同時其具有廣闊的市場應用前景，從面廣量大的高端應用到日常消費品主流市場。因此第3代半導體材料屬于戰略性先進技術、戰略性產業的前沿陣地［3］。

我國半導體產業發展仍處于重要攻堅發展期，要加快推進第3代半導體產業發展，關鍵是加快、加強第3代半導體材料相關專業人才建設，構筑滿足行業“動態需求”的實訓課程教學體系，形成面向科技前沿、產業主戰場的人才培養格局。而半導體材料實驗課程教學實訓化人才培養體系，將是高校提升半導體材料方向及其相關技術人才培養質量的突破口［4-6］。

1 課程教學過程存在的問題

半導體材料實驗課程，是微電子專業學生首次接觸的專業實驗必修課程，旨在培養學生對半導體材料制備及其測試方法的實踐操作能力［7-9］。同時在“新教育時代”視角下，半導體材料實驗是一門隱性的德育課程，其內容符合中國制造和大國工匠精神內涵，對提升學生愛國情懷，文化素養和道德品質具有重要的促進作用，而這是原教學體系未能啟發式傳達的情感教育［10-12］。

（1）實驗項目選擇性有限，內容設置與實際應用相脫離。實驗內容偏重于第1代材料性能測試的驗證性實驗，忽視了材料制備環節，且未與當前第3代半導體材料相依托，缺失實踐能力訓練與培養。

（2）實驗設備過于集成化，操作難度降低，數據重復性過高，采集易得，降低了實踐和探索意義。

（3）單一、機械的實驗教學模式，固化了實驗內容和教學方式。側重實驗原理和實驗結果，降低了實驗過程的趣味性和創新性。

（4）評價考核機制過于簡單，缺少有效反饋機制。實驗成績均由預習、操作及實驗報告構成；課外數據處理和結果分析等部分無途徑及時反饋，不能全面地評價和提升學生的實踐能力和科學素養。

因此，半導體材料實驗固化的課程體系難以滿足半導體行業人才需求，也不能促使學生形成積極的實驗情感和反思意識，致使其教學效果達不到專業人才核心素養的培養目標［13-15］。這就需要對其課程教學過程進行必要的重構設計與實踐探索。

2 課程教學實訓體系重構設計與實踐途徑

2.1 精細化培養模式，構建“知行統一”教學目標

專業實驗課程教育理念，就是將工科人才培養和國家意志相融合，反映在教學目標上為教授什么樣的知識、培養什么樣的人。因此本課程堅持以學生為本，強調其個性能力發展，以學生的知識、能力、素質的協調發展為主線；建立不同層次的實踐、應用、創新能力培養模式。

在基礎技能層次，掌握半導體材料特性，測試原理和方法等；在實踐應用層次，強調半導體材料制備方法的原理和實操過程，加強儀器的正確使用和安全規范等；在創新研發層次，加強實驗可行性設計與分析環節，培養新材料應用及其相關特性測試實訓化能力。多層次踐行以“知行統一”的教學目標，以達到滿足國家行業需求的高素養專業人才。

2.2 實訓化實驗項目，落實“動態需求”教學內容

2016年，我校微電子專業獲批陜西省高水平大學建設項目——半導體材料與器件實驗平臺，以及校級實驗室改造項目——微納器件加工千級超凈實驗室。2018年，建成微電子虛擬仿真綜合實驗平臺，包括半導體材料仿真實驗，主要為線下同步化仿真的實驗項目以及線上動態補充化的先進實驗項目。

整合已有的先進科研與實驗教學平臺，以多層次、開放式的實驗+實踐+科研+競賽實訓項目平臺為硬件支撐，以虛擬仿真實驗平臺為專業知識和技能的邏輯和延拓站，構筑課內教學與課外研學一體的實驗實訓體系，本質上為學生的實踐、探索、創新提供有效的保障體系。

引入第3代半導體材料，系統優化半導體材料實驗內容實訓體系。實驗內容項目化，如表1所示。充分發揮實驗實訓項目的優勢，讓學生設身處地地實際感受到行業的最新發展動態和技術手段，不斷更新、豐富實驗項目，以科研思維方式組織實驗教學，培養學生發現問題的探究興趣，分析問題的科研意識，解決實際問題的創新思維，真正有效落實“動態需求”人才培養的教學內容。

表1 半導體材料專業實驗教學的3個層次

2.3 多樣化互動空間，革新“有效傳播”教學方法

學生的實驗實訓能力是不同的，實驗進度存在差異性。要在有限課程時間內，加強傳播手段和話語方式創新，增加關聯知識傳遞的再傳遞和挖掘，形成高效課程空間。在基礎實驗階段，主要采取現場知識點播和操作規范培訓法，以及問題指導方法；在實踐應用階段，進行引導分析問題或開放式的自主、組隊實踐方法；在創新研發階段，采用互動研討方法；不同實驗室的實驗、同一實驗室的不同實驗采用網絡實時指導方法，如圖1所示。針對性地靈活選擇或轉化運用教學方法，多角度激發學生積極實驗動力，培養實訓化專業素養。

圖1 全網覆蓋半導體材料實驗室平面示意圖

2.4 常態化實驗反思，架構“實驗素養”評價反饋

實驗課程實訓化，必須要關注學生實驗過程中的情感部分［16］。因此本課程引入北京師范大學最新關于實驗素養的知識+方法+情感評價體系，同時創新性地引入學生自評和團隊互評兩大部分，重點評價學生在實驗過程中的實驗態度、合作精神、交流能力、解決問題的能力等實驗素養指標點，具體如表2所示。此外，每個實驗項目的實訓重點不同，因此評價指標點的分值比例要隨之調整。

表2 大學生實驗素養評價的全部指標

同時，依托智能移動、雨課堂等建立網絡反饋機制平臺，將實驗過程評價指標和實驗結果，能及時有效地反饋學生，學生也可以依托網絡平臺與教師再學習或探討，從而培養學生常態化實驗反思意識和精益求精的科學素養。

2.5 深度化課程體驗，拓展“實驗內涵”教學理念

半導體實驗課程具有前沿交叉融合的特點，課程需不斷注入前沿行業領域的新鮮內容，激活學生積極意識形態。利用網絡平臺發布“先導課”，引導學生提前介入實驗課程學習，實現有效學習和自主學習的新途徑。對于同一個實驗，針對不同批次的學生，選擇不同的實驗參數，促進獨立探索，強化基本實踐能力。結合實驗特點，恰當設計障礙式實驗，激發學生發現問題和探究能力。虛擬仿真實驗可以為學生提供多次重現實驗情境。

結課前，學生小組以項目答辯法來交流團隊的實驗過程。課外，結合實踐競賽，課外鼓勵學生改進實驗裝置，自制簡易實驗設備，智能移動實驗室。教師逐步采用雙語教學，將科研與應用領域的常用詞匯及專業科學用語進行傳授和引導，多渠道提高實驗體驗感，拓展新教學理念，從而多方位訓練和培養學生創新能力。

3 教學效果回歸實踐創新

重構的半導體材料實驗實訓課程教學，促進了半導體材料實驗的素質教育內涵資源建設，提高了課程實訓內涵和質量。學生了解了行業發展需求，掌握了實踐應用的知識和技能，加深了對微電子專業的熱愛，降低了對實驗課的浮躁心理，積極影響了后續專業學習和實踐環節。

依托本實驗實訓體系，近3年，在中國“互聯網+”、大學生創新創業大賽、挑戰杯、大學生物理實驗競賽等競賽中獲得國家級獎5項，省級獎3項，校級4項。考研錄取率穩定在25%以上，畢業生受到華為、中芯國際、紫光、士蘭微等大中型企業的青睞，畢業生實踐能力強，責任感強。

4 結 語

半導體材料作為基礎硬科技，支撐著“新興技術”的產業化落地，支撐著新時期社會經濟的高質量發展。因此為響應“新興產業”高素質核心人才培養，而積極開展半導體材料實驗課程重構研究，深度精細化課程教學育人模式，創新切實可行且緊跟行業需要的教學實訓體系，提升學生的社會責任感、實踐能力和創新精神等高核心素養的專業人才。