基于理論和實踐教學協同效應的半導體物理教學研究

楊尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志賢

1.福州大學物理與信息工程學院，福州 福建 350116

2.福州大學平板顯示技術國家地方聯合工程實驗室，福州 福建 350116

半導體物理作為一門理論和實踐并重的專業基礎課，已成為凝聚態物理、材料物理、電子科學與技術、光電工程、微電子以及電路與系統、集成電路工程等專業一門重要的學科基礎課。它為人們提供了一種學習和掌握半導體器件的基本結構和固體宏觀性質的微觀本質，描述和控制載流子運動的理論方法。近年來，半導體物理基礎地位受到挑戰，首先，受大學總課時數限制以及實踐學時數增加的影響，半導體物理學時數漸減；其次，因半導體物理數學推導復雜，對數學要求高，學生普遍感到困難，學習興趣和動力不足。最后，由于半導體物理難以直接應用，給學生造成本課程無用論的錯覺。然而，隨著科技發展和社會進步，新型半導體材料與器件研究取得了重大突破，新型半導體材料、器件與系統日益涌現。因此，對半導體物理的教學內容、教學方法、教學模式和教學評價體系等進行改革勢在必行。

一、目前本課程教學中存在的問題和矛盾

近年來，隨著國家對高校投入力度的加大，高校獲取的經費劇增，在人才培養方面優勢凸顯。然而，一方面，在目前部分高校“重科研、輕教學”的考核環境下，一些高校教師把重心放在申請書撰寫、項目申報及碩博士培養等方面；由于人才培養尤其是高素質人才培養方面評價體系不健全、見效慢，部分高校教師對本科生培養的興趣和積極性不高，認識也不到位。因此，“重科研、輕教學”考核機制與高校人才培養首要任務間的矛盾成為本科生理論教學與實踐教學融合的障礙。另一方面，半導體物理作為重要的專業基礎課，涉及固體物理、熱力學統計物理、量子力學等多學科，體系龐大、內容繁多，半導體物理學時有限與繁多授課內容之間失衡嚴重，教學互動困難，造成課堂信息量過大，學生跟不上，學生學習興趣受影響。此外，半導體物理是建立在固體物理、材料學基礎上的，部分學生基礎薄弱，對很多半導體物理概念和公式難以理解，因而對半導體物理產生厭學和排斥情緒，學生學習積極性和教師授課熱情受挫。傳統的課程教學，通常采用“課本+黑板”的授課模式，僅強調理論知識和公式嚴謹推導，要求學生思維嚴謹和數學基礎好，而由于半導體物理公式繁多、數學處理復雜，部分學生興趣不高，對課程存在著嚴重畏難和厭學情緒，學習效果不佳。同時，由于半導體物理專業基礎特性，難以實際應用，使學生學習興趣銳減。因而，基于理論實踐協同效應的半導體物理教學改革勢在必行。

二、課程改革策略

（一）課程教學內容優化與調整

首先，對傳統教學內容，依照重要性適當整合和取舍。半導體物理傳統教學內容是以后從事半導體專業、電子科學與技術專業、微電子和光電信息工程行業的基礎，是必須掌握的基本知識，其地位不可動搖。整合和優化傳統教學內容是指教學材料整合和授課方式改變。根據半導體物理課程的特點，擴大教學內容中定性和半定量描述的比重，著重講授器件工作原理及其電流電壓模型，減少過繁的教學推導。同時，增加學生自學內容的比例，以夯實學生基礎理論知識、培養和鍛煉學生科學思維與創造性思維。其次，適當補充生活工作中的實際問題及科技前沿問題。理論聯系實際，引導學生觀察、分析生活中的半導體物理現象，幫助學生實現理性認識，將基礎與前沿、經典與現代、理論與應用有機結合。既要強調本課程的專業基礎性，又要注重時代性、前沿性及其應用性；既要深入揭示半導體物理規律內涵，又要適當拓展它在高新技術中的應用。最后，引導學生參與科研實踐，增加課程實踐學時，并增強實踐實驗教學與理論教學相結合和協同效應。在教學中鼓勵學生進入實驗室、參與項目實驗設計、分析總結問題；引導學生觀察、分析實驗現象，讓學生獨立承擔項目子課題，成為科研主體，將實驗研究與理論專業知識貫通，實現感性認識到理性認識、形象思維向抽象思維、模仿思維向獨立思維的過渡，使學生對半導體物理課程學習重要性有充分認識，并提高對該課程的學習興趣。

（二）提倡引導性和多元化教學方法，發揮主動性和創造性，實現理論教學與實踐教學深度融合

首先，提倡引導性教學,重視教學互動,培養創新意識,提高學生學習主動性。在半導體物理講授中，提倡采用引導性教學方法,改變傳統灌輸教學，提高學生學習主動性,培養學生創新意識，讓學生從接受知識的主體變成知識傳授中的平等共同體，實現教與學統一、學與用深度融合。同時，要有意識地穿插思考題,培養學生勤學好問、深入鉆研的好習慣。其次，采取多元化教學方法，實現理論與實踐融合協同、教學與科研深度融合。采取靈活的教學方式，開展啟發式教學，做到循循善誘，引導學生科學分析現象，總結半導體物理規律，并在分析中自行修正錯誤觀念或觀點，形成科學思維，讓學生將科研實踐中所遇到問題帶入課程教學中，同時將課程教學理論應用到科研項目設計、實驗現象及實驗結果測試分析中，利用即時交流軟件和網絡論壇，以“學生提問—集體討論—教師回答”形式將課堂講授內容及實踐中遇到的問題進行廣泛交流和討論，加深學生對理論知識及實踐問題的理解，拓展課堂教學空間和時間，創造性地將理論教學與實踐教學相融合。要加強與學生的情感交流，面對科研項目科學問題、實驗現象及其分析測試結果，鼓勵學生勤思考，敢于做獨立判斷，引導學生用不同方式思考問題；教師要對學生思維過程進行引導，及時發現其中的典型錯誤，引導學生分析錯誤所導致的后果，幫助他們回到思考的正確軌道上，逐步培養學生從單一思維向綜合思維發展，讓學生真正體驗獨立思考的重要性和成就感，在理論教學與平臺實踐相融合的教學中體驗學習樂趣，進一步培養學生學習半導體物理的興趣。

（三）加強學生對概念、器件工作原理的理解，增強學生邏輯思維能力

首先，將科研項目中所研制的器件結構和性能，與半導體物理中的經典器件相關聯，以加深學生對各種經典器件結構和特性的理解。其次，可通過繪制具有代表性的器件結構，并用半導體模擬軟件向學生演示，加深其對典型器件及新型器件結構和性能的理解，激發學生求知欲，吸引學生參與課堂和實踐教學。例如在學習MOS及其MOSFET 章節時，利用集成電路輔助設計工具和軟件，獲取并列舉不同設計條件和結構參數的MOS及MOSFET 器件性能，讓學生消除對芯片及系統集成的畏懼感，進一步領悟和感受半導體物理學習的重要性。可再次基于軟件模擬動畫結果，讓學生及時發現問題并解決問題。通過動畫等將復雜半導體物理問題與知識簡單化、形象化，能極大地拓寬學生視野，增強學習興趣，激發學生運用基礎理論實現科技創新的勇氣和欲望。最后，可引導學生進行科研實踐，能激發他們對半導體物理現象的理解和領悟，進一步激發其學習課程的興趣和勇氣。

（四）完善基于實踐教學科研平臺的運行機制和體制

基于半導體物理實踐教學新方法，應適當加大半導體物理教學中一線科研人員和教師的實踐性課程、研究性課程的學時比重，拓展本課程實踐性項目教學，讓學生有機會、全身心融入科研平臺，還需要進一步完善本課程實踐教學科研平臺運行機制，搭建課程實踐教學自主研究平臺，支持教師開展課程理論和應用相關科技立項，參與平臺承擔的科研項目，并積極帶領學生參加各類科技競賽。

首先，建立具有實效性的本科生導師制。本科生在進入大學后即通過選拔考核與雙向選擇，確定本科生的導師。本科生導師也是其半導體物理實踐課程及其后續畢業設計的指導教師，在一體化培養模式下，實時發現學生興趣和特長，并協助學生確立發展方向與目標等。

其次，建立本科生實踐課程科研創新實踐基地。本科生正處于思維逐漸走向成熟、可塑性極高的創新旺盛期，他們在學習半導體物理基礎知識和專業知識后，因網絡時代知識學習途徑多元化，他們在交叉學科、實驗實踐等方面有獨特的優勢。可通過與企業建立與本科生實踐課程相關的科研創新實踐實驗基地，讓本科生自主選擇實踐基地實習，了解企業文化，為自己將來就業并快速融入企業提前做好準備，同時也將自己所學理論知識、專業知識與企業實際應用有效銜接和融合。可規定基地每年面向本科生開放儀器設備機時和提供實驗技術人員指導時間，對實踐基地予以考核和補貼。

再次，建立和完善本科生科研團隊制。在本科生導師制基礎上，進一步鼓勵具有半導體物理理論基礎知識和實踐應用經驗等不同特長的優秀本科生組成針對某個目標的科研團隊，針對目前社會和生產所需進行自主創新。院系根據科研團隊需要，安排科研團隊的指導教師。這類科研團隊的主要目標是進行各類專業前沿知識的學習和運用，參與校級、省級及國家級創新創業大賽，以競賽促進學生的自主學習和動手能力培養，進一步提升學生創新能力。

最后，設立基于本科生科研平臺的科研專項基金。依托科研平臺設立本科生科研專項基金，安排專人負責經費管理，資助學生進行科技立項。學生科技立項須以科研團隊的名義進行，通過項目申請、項目答辯和專家評審方可確定資助名單，本科生科研專項基金主要用于外協加工、材料購買等。此外，學校應對科研團隊指導教師和獲獎的參賽小組或競賽隊伍給予補貼和獎勵。

（五）制定和完善本科生課程科研平臺管理辦法，保障平臺正常運轉

首先，實施安全教育及提前預約制度。在進實驗室前，須對學生進行安全教育并考核，掌握安全操作、防傷害技能等。同時，實施平臺預約管理制度。要求學生必須提前預約，填寫實驗內容，擬定實驗方案和預期實驗結果等，實驗員根據實驗室使用情況安排實驗。

其次，導師和指導教師從科研方向、總體方案制訂和實驗結果分析等方面進行管理。教師要注重培養本科生的實踐能力、團隊協作精神，對實驗進程、儀器操作、安全管理等方面加以引導和幫助。

三、結束語

基于多年半導體物理教學實踐經驗，我們針對半導體物理教學實踐中所面臨的問題和矛盾，從優化和調整半導體物理教學內容、建構理論與實踐深度融合協同的新教學模式、完善面向本科生的半導體物理科研平臺運行機制以及制定半導體物理科研平臺管理辦法等方面進行了探索性綜合改革，取得了優良的成績。通過優化和整合教學內容并創新性地建構理論與實踐教學深度融合協同的新教學模式，加大半導體物理教學中一線科研人員和教師的實踐性、研究性課程學時的比例，開設半導體物理主題項目實踐教學模式，并通過“建立本科生導師制”“建立與本科生實踐課程相關的科研創新實踐基地”“建立和完善本科生科研團隊制”和“設立半導體物理科研平臺本科生科研專項基金”等系列手段，實現半導體物理教學質量和教學效果跨越式提高。但由于基于理論教學與實踐教學深度融合協同的半導體物理教學改革和實踐本身是一項復雜系統工程，涉及課程計劃和課程評價標準制定、半導體物理教學實踐應用教學體系建立和運行機制確立等諸多方面，因此要培養出高素質的半導體物理方面創新人才，仍需繼續進行開創性工作。