半導體材料課程的教學改革探索

馮秋菊 宋 哲 李夢軻 孫景昌

遼寧師范大學物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029

眾所周知，材料、信息和能源是當代科技重點發展的三大支柱，而材料又是信息和能源發展的物質基礎，是重中之重，可以說沒有先進材料就沒有現代科技。半導體材料因其種類繁多且具有光學、熱學、電學和磁學等特性而成為研究的熱點。一方面，半導體材料課程對于電子科學與技術專業的學生來說是一門非常重要的專業必修課程，可以為后續其他課程的學習奠定基礎；另一方面，半導體材料課程在部分高校屬于開放式課程，新知識會不斷被研究出來，所以在教學內容上要不斷更新和擴充，緊跟時代和科技的發展。此外，該課程的教學內容涉及較多的基本概念和理論知識，也比較抽象，若采用傳統的課堂灌輸式的教學方法，教學效果并不理想。基于以上問題，筆者結合自身多年的教學實踐經驗，在教學內容和教學方法上有針對性地提出了一些具有探索性的教學改革方法。

一、教學內容的改革

（一）教學內容與時俱進，不斷更新與擴充

半導體材料課程以第一代半導體硅、鍺和第二代半導體砷化鎵等Ⅲ-V 族化合物半導體材料為研究對象，主要介紹了硅和鍺的化學提純、區熔提純、晶體生長、晶體中的雜質與缺陷、硅的外延生長方法和Ⅲ-V 族化合物半導體的特性、砷化鎵單晶的生長與外延生長的方法等知識。在21 世紀的今天，半導體科技發展迅速，新材料、新技術和材料的新特性不斷涌現，這就要求教師要緊跟時代發展，及時將半導體相關的國際前沿和熱點知識帶入課堂并講授給學生，這樣不僅可以更新學生的知識結構，開闊學生的視野，還可以引起學生的學習興趣，激發學生的創新精神和對科學研究的興趣及熱情。例如，在講授硅、鍺單晶的生長時，教材中指出，采用直拉法已經能生產直徑在200 mm 以下的單晶，區熔法已經能生產直徑在150 mm 以下的單晶。但隨著科技的不斷發展，在2002年北京有色金屬研究總院的科研人員就研制出我國第一根直徑為18 英寸（457 mm）直拉硅單晶，標志著我國在該領域進入世界領先行列；而2011 年天津中環半導體股份有限公司成功研發了國內首顆8英寸（203 mm）的區熔單晶硅。再比如，在講到第三章晶體生長體系的非均勻成核內容時，要指出非均勻成核是指在體系中外來質點（塵埃、固體顆粒、籽晶等）上的成核。我們知道納米材料具有許多體材料和薄膜材料所不具備的特性，受到國內外研究者的廣泛關注，而大多數納米材料的生長就屬于非均勻成核生長。這是因為在納米材料生長的過程中，通常需要引入金屬催化劑，金屬催化劑在高溫條件下會在襯底上熔化成小液滴，在生長的過程中反應源會不斷進入金屬液滴，當達到過飽和的狀態時就會析出晶體，隨著晶體的不斷析出納米材料不斷長大、變長，在這一過程中金屬催化劑就起到了外來質點的作用。教師在教學內容上要與時俱進，不斷更新和擴展知識，將國內外該領域的最新前沿知識介紹給學生，使學生不僅能獲得知識，而且能極大地提高學習興趣。

（二）理論知識章節引入實驗教學

半導體材料課程的基本概念、定義和理論知識較多，且抽象難懂。針對這些問題，筆者在完成相關章節的講授后安排了1 次實驗課。學生通過親自動手做實驗，不僅能加深對所學理論知識的理解，還能培養其學習興趣和動手能力。例如，第七章關于半導體材料外延生長方法的介紹，在采用傳統的教學方法對這部分內容進行講解后，學生對生長設備的構成、生長步驟和生長原理等知識只是簡單、機械地死記硬背，教學效果并不理想。因此，筆者在完成第七章的講授后加入了1 次實驗課，將學生分成幾個小組，讓他們到實驗室用相關的實驗設備親自動手做實驗。從襯底的清洗、裝樣、生長到結束，學生通過動手操作加深了對實驗設備的組成及工作原理的理解和掌握，其動手能力和創新能力得到了很大的提高。另外，每個小組由3～5 名學生組成，在實驗的過程中大家各盡所長、互相幫助，能力強的學生帶動能力一般的，所有學生都積極參與到實驗中，很好地培養了學生的團隊合作精神。以此種方式引入實驗教學后，學生對知識的掌握更扎實，教學效果良好。因此，教學形式不宜過于死板，可以通過理論和實驗相穿插的形式開展教學，這樣對于學生理解和掌握知識，以及培養動手能力都有很大的益處。

（三）注重知識脈絡的清晰性和連貫性

學生要靠重復學習和記憶來掌握知識，所以教師要根據學生的實際情況，在講授的過程中對學生學過的知識進行提醒和重復講解。半導體材料課程需要用到半導體物理、材料科學基礎、熱力學與動力學等一些先導課程的相關知識來解釋半導體的晶體結構、物理性質及晶體生長原理等知識。雖然這些先導課程學生大部分已經學過，但并不一定能完全掌握，有的學生可能還有印象，有的學生可能連印象都沒有。所以，在講解半導體材料的相關內容時，如果是學生以前學過的知識點，教師不能略過不講而是要先提醒，如果學生不會，需要有針對性地進行講解；而對于學生沒有學過的先導課程內容，更要詳細講解，以保證學生對知識脈絡掌握的清晰性和連貫性。例如，在講到第四章位錯對器件性能的影響時，其中一個影響就是“金屬雜質極容易在位錯上沉淀，破壞PN 結的反向特性和晶體管發射極-集電極間的管道漏電或穿通”，因為學生之前沒有學過PN 結和三極管的相關知識，所以在講解這部分內容之前，需要先把PN 結和三極管的結構和工作原理給學生講一遍，讓學生在了解這些器件后，再自然地過渡到位錯對器件性能的影響等知識。如果沒有介紹先導內容，而是直接按照教材進行講授，會極大地降低學生對知識的理解和掌握程度，甚至會使學生產生厭學情緒。

二、教學方法的探索式改革

半導體材料課程傳統的教學方法通常是教師講授、學生被動學習，這種單一的、填鴨式的教學方法并不能激發學生的學習興趣和主動性，且知識難以入腦入心，從而影響學生的學習效果。可見，教學方法的改革非常重要。

（一）傳統教學與多媒體教學相結合

半導體材料這門課程基本概念多、原理和定義多，物理知識抽象不易理解，如采用傳統的灌輸式教學方法，學生只能機械、被動地接受知識，教學效果并不理想。而將現代多媒體教學（PPT、Flash、錄像等）引入課堂，可將教學內容變抽象為具體，化枯燥為生動，將學生的抽象思維建立在具體形象之上，幫助學生更好地理解和掌握抽象的物理概念和原理，大大提高學生的學習興趣和掌握知識的能力。比如，在講解第一章硅和鍺的化學制備部分1.2.2節硅烷的提純時，硅烷提純主要采用的是吸附法，吸附是通過分子篩來實現的，學生對分子篩不了解更沒見過實物，教師可從網上下載不同類型的分子篩的實物照片和分子篩的結構圖，以PPT 的形式展示給學生，學生通過觀看實物照片能更直觀、深刻地了解分子篩吸附的原理。再比如，講區熔原理時采用形象生動的Flash 動畫，能更直觀地演示整個區熔的過程，以及在區熔過程中的注意事項；在講第三章晶體生長當中關于螺旋位錯的生長理論時，筆者就在PPT 上添加了一些在已經制備出來的材料中被證實存在的螺旋位錯生長機制的顯微鏡照片，像碳化硅材料和綠柱石等的表面形貌照片，還有第三章鍺和硅體單晶棒的實物照片等。這些實物照片展示和動畫演示，使知識由抽象變得具體，學生也能更好地理解和掌握。

（二）專題討論式教學

專業知識的獲取不僅要通過教師的講解，還要通過學生的主動參與。教師可以讓學生自己查閱文獻并撰寫專題報告，把自己搜集整理的專題知識在課堂上與大家進行交流、討論及辯論。這種以學生為主體的教學模式，可以在很大程度上提高學生的學習主動性、積極性和創新性，培養學生獨立進行研究、查閱文獻的能力，同時能極大地拓展學生的知識面，為后續研究型課程和畢業設計奠定良好的基礎。此外，學生之間通過交流和討論可以加深對教材知識的理解。在學生討論的過程中，教師應該鼓勵學生發表不同的觀點，允許錯誤和失敗，要正面鼓勵學生，維持學生對該課程的學習熱情和信心。教師還應注意調節課堂氣氛和節奏，對學生討論后產生爭論的問題進行重點分析和總結。

（三）啟發、互動式教學

在課堂教學過程中，通過采用啟發、互動式教學，注重師生之間的互動，改變傳統的灌輸式教學，可以讓學生真正參與到課堂中，增強學生的學習積極性和主動性，從而提高學生學習的效果。在半導體材料課程教學過程中,教師可以根據學生對知識的掌握和理解程度,從教材中選取一些相對簡單的教學內容，讓學生提前預習，上課時選擇一位或幾位學生充當教師給大家進行講解。對于學生講解得不夠深入或其他學生沒聽明白的地方，教師要著重講解。這樣既能給學生提供展示自我、鍛煉自我的機會,培養學生自主學習的能力，又能給學生提供自由探索的空間。學生也可以通過提前預習，找出教材中自己不懂的知識點，在課堂上向老師請教，這樣教師就可以了解學生的學習情況，從而因材施教。

三、考核方式的改革

為了鞏固和檢驗學生的學習效果，筆者采用多種考核方式對學生的學習效果進行評定。傳統的考試評價制度只重視學生的期末考試成績，忽視學生平時的學習過程，導致很多學生養成平時不好好學習、考試前臨時突擊的壞習慣，所以應對傳統的考核制度進行改革。筆者對本門課程的考核方式進行了改革，不是簡單地只用一次考試來評價學生的最終學習效果，而是更側重考查學生掌握基礎知識的能力、分析問題與解決問題的能力、實踐及創新能力等，力求真實全面地反映學生的學習水平，培養學生良好的學習習慣。學生的成績主要包括三個部分：第一部分為平時成績，占比約20%，包括課前對上節課重要知識點的提問、出勤情況、課堂表現和課后作業等。經過多年教學筆者發現，采用課前提問的考核方式，可以取得良好的教學效果。課前提問不僅可以督促學生養成課后復習的好習慣，而且通過點名提問的方式復習上節課的內容，有助于加深學生對知識的印象，促進其對新知識的理解和接收；第二部分為期中成績，占比約20%，教師根據上半學期已教授的知識內容，設定幾個不同的研究題目供學生選擇，把學生分成3～5人一組，學生選定選題后通過查閱相關圖書及文獻資料，共同完成一篇較詳細的綜述。每個小組對本組的綜述內容都要集中進行答辯，教師根據學生的分工、綜述內容、答辯情況、綜述的創新性等方面進行評價和打分。這種寫文獻綜述的考核方式，不僅可以加深學生對教材重點知識內容的了解，而且可以擴充、拓展相關知識領域的研究內容，培養學生的自主學習能力和創新能力。第三部分為期末考試成績，占比約60%，期末考試采取的是閉卷考試的形式，主要對半導體材料課程考試大綱中要求學生必須掌握和理解的知識點進行考核。試題題型多樣，主要包括名詞解釋、填空題、選擇題、計算題和簡答題，盡量兼顧考試大綱中的每個重要知識點。通過上述三個部分的考核，不僅能夠真實、全面地反映學生的學習水平，而且能培養學生良好的學習習慣。

四、結語

文章分別對半導體材料課程的教學內容、教學方法和考核方式進行了改革探索。通過在理論知識章節后引入實驗教學，采用理論和實驗相穿插的教學形式加深學生對所學理論知識的理解，并培養學生的學習興趣和動手能力。在教學方法上，通過采用多媒體播放圖片和動畫等形式來增強教學的直觀性，使教學變抽象為具體，化枯燥為生動。在考核方式上，通過三個部分的考核，能夠客觀合理地評價學生的學習情況。通過對該課程的教學改革探索，可以提高學生的學習主動性、積極性和創新性，使教學效果得到明顯的提升，為學生后續的專業課程學習及繼續深造打下堅實的基礎。