科研為導向反哺教學的教育模式用于半導體物理課程的教學改革

趙江

摘 要 半導體物理的知識點相對煩瑣且內容抽象，傳統的課堂教學方法已無法滿足學生的需求，以科研為導向反哺教學的教育模式為半導體物理學課程教學改革提供了全新的思路。科研為導向反哺教學的教育模式注重將科研與教學有機結合，實現“教學與研究”的一體化，該模式充分利用半導體物理課程中的基礎知識和新興科研工具，旨在培養學生的主動性、獨立思考能力、科研能力和創新意識。這種科研為導向反哺教學的教育模式針對半導體物理教學內容給出了具體優化措施，通過讓學生參與科研實踐，既能滿足學生更好地理解半導體物理課程的重要概念和原理，掌握課堂知識，取得非常好的教學效果，又能夠帶給他們前沿知識，激發他們的學術興趣和創新潛力，為未來從事半導體物理學領域的研究和創新打下堅實基礎。

關鍵詞 半導體物理;科研導向;反哺教學;科研工具;教學改革

教育部在《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中提到推動科研反哺教學，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，以高水平科學研究提高學生創新和實踐能力，旨在將科研與教學更加有機地結合起來，促進學生深入參與科學研究，通過推動科研為導向反哺教學的教育模式，提升本科教育的質量和水平[1，2]。我院微電子科學與工程專業作為國家級一流本科專業建設點，是推動學校“雙一流”建設的重要措施之一。一流本科專業教育需要從課程設置、教學質量、實踐教學等多個方面入手，為學生提供優質的教育資源和全面的發展機會，培養具有科研素養和創新精神的高級復合型人才[3]。半導體物理作為微電子科學與工程專業的核心課程，涉及多個學科的交叉，包括量子力學、固體物理、電子學等，需要掌握較多的概念和理論，使得半導體物理的知識點相對煩瑣且內容抽象，于初學者來說可能較為晦澀難懂。

1 傳統的半導體物理課程教學的缺陷

1） 理論與實踐脫節

傳統的半導體物理課程通常過于注重理論知識的傳授，而忽視了實際應用和實驗的重要性。學生可能只是被灌輸了大量的物理概念、理論和公式，但很難將其與實際情況聯系起來。

2） 缺乏互動與實踐機會

傳統的半導體物理教學以教師為中心，學生主要是被動接受知識。缺乏互動與實踐機會限制了學生的參與度和思維能力的培養。

3） 更新速度較慢

半導體技術快速發展，新材料、新器件和新工藝層出不窮，但傳統的半導體物理課程內容更新滯后，無法及時跟上最新的研究進展和產業需求。

4） 缺乏系統性和綜合性

傳統的半導體物理課程通常分散地介紹半導體物理的各個方面，并缺乏將這些方面進行有機結合和系統性講解的能力。

5） 缺乏實際應用導向

半導體物理課程應該更加注重培養學生解決實際問題的能力，如器件設計、性能優化和制造工藝等方面的能力，但傳統的半導體物理課程對此的關注度不足，通常忽略了最新的科研成果和應用前景，不利于學生拓展視野和提升個人能力。

2 以科研為導向的半導體物理課教學探索

針對傳統的半導體物理課程教學的不足，筆者結合近年來的科研經歷，以科研為導向反哺教學，探索半導體物理課程教學改革，來滿足學生的學習需求和未來科研領域的需求。

2.1 注重理論計算

半導體物理課程的理論知識是非常重要的，它是做好實驗和解決問題的基礎。在教學過程中，我們可以注重理論的建立，通過物理模型的分析和計算，讓學生深入理解半導體物理學的基本概念和性質。例如，半導體物理學中的禁帶寬度是一個重要的參數，它決定了半導體材料的電學特性和應用性能。在教學中，我們通過成熟而強大的量子力學開源軟件QUANTUM ESPRESSO[4]，準確地計算Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化鎵半導體的能帶結構、狀態密度等物理量。圖1 是開源軟件QUANTUMESPRESSO 構建的砷化鎵半導體的晶體結構，通過計算得到砷化鎵的能帶結構和狀態密度分布，如圖2所示。

通過軟件QUANTUM ESPRESSO 構建砷化鎵半導體的晶體結構，可以在半導體物理課程方面獲得以下收獲：

（1） 晶體結構理解。通過構建砷化鎵晶體的鈣鈦礦結構，可以深入理解晶體的空間排列、晶胞參數的設置和原子間的相互作用。了解原子的空間排列和晶格結構對半導體的性質有重要影響。

（2） 能帶結構和狀態密度。通過分析砷化鎵晶體的能帶結構，可以探索半導體材料的能級分布和能帶間隙，學生可以通過研究能帶圖、能帶邊緣以及禁帶寬度等參數，深入理解半導體材料禁帶寬度的概念以及能帶理論的基本原理。同時，通過計算砷化鎵晶體的狀態密度，學生還可以理解能量與態密度之間的關系，有助于理解材料的導電性和禁帶寬度等關鍵特性。

（3） 缺陷和雜質效應。通過軟件構建晶體結構時引入缺陷或雜質原子，可以研究和模擬雜質、缺陷對半導體性能的影響。例如，可以探索摻雜引入的額外能級、缺陷態的形成以及它們對能帶結構和狀態密度的影響。

（4） 計算方法和工具。使用QUANTUM ESPRESSO這樣的計算軟件，學生能夠熟悉量子力學計算的基本原理和方法，了解計算模型和數值計算技術的應用，以及如何解釋和分析計算結果，在此基礎上可以拓展到其他半導體材料的計算。

綜上所述，使用開源軟件QUANTUM ESPRESSO計算半導體材料的能帶結構等內容，反哺教學有利于科研與教學之間的互動和交流，可以增強學生對半導體物理相關知識點的理解和掌握，也為半導體物理學科學研究提供了新的思路和工具。

2.2 重視實踐操作

半導體物理課程中，實踐操作是非常重要的組成部分。為了讓學生更好地理解課程內容，我們可以引入一些實驗仿真項目，如太陽能電池的核心結構pn結的電流電壓（I-V ）特性測量等。這些實驗仿真可以讓學生親身體驗半導體器件的性能，掌握實驗仿真操作技巧和數據處理方法。

澳大利亞新南威爾士大學開發的開源太陽能電池建模程序PC1D 可以對基于硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等半導體的太陽能電池的關鍵因素進行建模和仿真[5]。PC1D 可以通過改變參數如體內摻雜水平、溫度、發射極摻雜濃度變化、背面場和載流子壽命等來可視化太陽能電池的性能，并以圖形格式提供太陽能電池器件的性能，如能帶、載流子遷移率、I-V 曲線等。筆者在教學中使用PC1D模擬硅太陽能電池。首先，需要在PC1D 程序中建立所需的硅太陽能電池pn結器件結構模型，圖3給出了PC1D構建的硅太陽能電池模型的原理圖;其次，對器件的物理參數進行設置，表1給出了PC1D程序中太陽能電池所涉及的材料和工藝參數具體數值;最后，在完成上述設置后，可以運行PC1D進行模擬計算。PC1D 將使用數值方法求解連續性方程等，得到pn結的能帶曲線、載流子濃度分布、載流子產生與復合曲線、擴散長度、I-V 特性曲線等信息，如圖4所示。

通過PC1D程序仿真硅太陽能電池pn結，可以在半導體物理課程方面獲得以下收獲：

（1） pn結形成和原理。通過PC1D 仿真，學生可以了解pn結形成的基本原理。可以觀察p型和n型硅材料的分布，以及隨著摻雜濃度的變化，pn結的形成過程。

（2） 太陽能電池結構。通過PC1D仿真，可以深入了解典型硅太陽能電池的結構和工作原理。學生可以理解pn結、p型和n型硅材料的特性，以及光生載流子的產生和漂移過程。

（3） 光伏效應。通過PC1D仿真，可以研究太陽能電池在光照條件下的行為，包括光吸收、載流子產生和分離。學生可以探索不同波長和強度的光對電池性能的影響，以及優化光吸收層的厚度和摻雜濃度等因素。

（4） 載流子的產生和漂移。通過PC1D仿真，學生可以觀察到光吸收時如何產生電子空穴對，理解載流子的產生和復合過程，并了解載流子在pn結中的漂移過程。

（5） I-V 特性。PC1D 仿真可以提供太陽能電池的I-V 特性曲線。學生可以分析曲線的形狀和特征，如開路電壓、短路電流、填充因子等。這有助于理解太陽能電池的性能參數以及優化設計的方法。

（6） 輸入參數的影響。學生可以使用PC1D仿真中的不同參數，如摻雜濃度、載流子遷移率等，從仿真中獲得直觀的視覺效果，加深這些輸入參數對pn結形成、載流子產生和漂移等基本原理、pn結導電性和電流電壓特性之間的關系。

綜上所述，通過PC1D 仿真硅太陽能電池pn結等內容，學生可以將半導體物理課程中的理論知識應用于實際的電池設計和性能優化中，反哺教學有助于加深對半導體物理原理的理解，并培養學生的實踐動手能力、創新思維和團隊協作意識。

2.3 引入前沿研究

半導體物理作為一個高科技領域，其研究前沿也在不斷推進。引入前沿研究來啟發學生的思維和創新能力，加深對半導體物理學的理解和應用，是培養學生科研能力的重要環節[6]。筆者認為可以通過以下幾種方式引入前沿研究：

（1） 研究論文討論。利用課堂空余時間，組織研究論文討論會，讓學生閱讀并分析最新的前沿論文。學生可以分享自己對文獻的理解、提出問題，并進行深入的討論和辯論。這樣的活動有助于學生掌握科學寫作和批判性思維的技巧，激發他們在前沿研究領域的創新思維。

（2） 科研實習和交流。鼓勵學生積極參與老師的科研項目，讓學生接觸到真實的前沿研究項目，并與老師交流和合作，提升他們的實踐能力和創新意識。

（3） 科研競賽和會議。鼓勵學生參加各種學科競賽和線上學術會議，積極與其他研究者交流。這樣的經歷可以激發學生的創造力和競爭意識，同時也可以擴展他們的視野，了解更廣泛的前沿研究領域。

通過引入前沿研究，學生可以接觸到最新的半導體領域科學發展動態，激發他們的學術興趣和創新意識。

3 科研為導向反哺教學的教育模式的優點

1） 培養積極的學術態度

科研為導向反哺教學的教育模式，有助于學生形成積極的學術學習態度和行為習慣，提高科研意識和獨立思考能力。通過科研實踐探究，學生能夠更好的理解和掌握半導體物理學科，同時也能加深對于學科研究的理解和認識，提高學生的實踐能力，從而有助于學生樹立對于半導體知識的熱愛、對于未知領域的好奇心以及對于持續學習的信心。

2） 加強學生思考能力

科研為導向反哺教學的教學模式，能夠培養學生針對問題的觀察、分析、把握、解決及提出新問題的能力[7]，尤其是在實踐環節中，通過多方面的探究及數據的統計和分析，從而加深學生對于學科及專業領域的熟悉程度，并能在實踐中加強學科知識的聯系和整合。

3） 加強學生團隊合作意識

在科研為導向教學模式中需要進行大量的跨學科合作，涉及到很多不同的學科知識。通過與同學們的合作，學生在實踐中能夠真正實現知識的整合和交流。這也培養了學生的團隊合作意識、溝通能力、領導能力以及決策能力等。

4 科研為導向反哺教學的教育模式的反饋

教學改革是一個動態過程，需要持續地進行反饋和改進，學生期末總評成績可以作為評估教學改革效果的依據之一。期末總評成績由平時成績（40%）和期末考試成績（60%）組成，其中平時成績從上課出勤率、上課回答問題、作業完成情圖5 近三年半導體物理期末總評成績分布圖（a） 總評成績; （b） 平時成績; （c） 期末成績況、科研分組討論等幾方面進行考核，期末考試成績來自閉卷考試的分數。考試試卷緊扣教學大綱，題型涉及半導體物理專業名詞解釋、簡答、畫圖分析和計算分析，難度中等，且每年基本保持一致，具有較好區分度。圖5給出了近三年半導體物理期末總評成績分布圖。經過對比分析可知，近三年來，80分以上的學生在總評成績和期末成績中所占比例逐漸增加，而60分以下的學生在期末成績中的比例逐漸減少。同時，近三年總評成績和期末成績的平均分也呈現穩步增長的趨勢。這表明科研為導向反哺教學的教學方法能夠使得學生更好的理解和掌握半導體物理基本知識，并應用于解決較為復雜的問題。由于筆者從2021—2022學年才開始初步探索科研為導向的半導體物理課教學改革，并將科研過程用于平時作業，學生剛開始不太適應（因疫情改為線上教學），導致這一學年平時成績平均分略低于其他兩個學年。全面實施科研為導向反哺教學的模式后，2022—2023學年，由于學校加大了大學生科技創新訓練計劃（STITP）立項的資助強度，多數學生能夠參與到老師的科研項目中，這一舉措客觀上促進了科研為導向反哺教學的開展，學生基本上適應這種模式，平時成績也隨之增長。這些結果表明，科研為導向反哺教學的教學模式取得了非常好的教學效果。

此外，半導體物理課程的科研為導向反哺教學的教育模式，也從側面影響了學生參與科研的熱情。我院微電子科學與工程專業學生在大學生創新訓練計劃、學科競賽和發表論文方面取得了優異成績，獲獎數量、層次以及學生覆蓋度顯著提升。據不完全統計，近兩年來，在省級以上各類學科競賽獲獎90余項、獲批校級及以上大學生創新訓練計劃批準立項60余項;近百人次學生積極參與了各類學科競賽與大學生創新訓練計劃;十幾人次發表學術論文。學生創新水平、獲獎層次和論文檔次明顯提高，成績斐然。

5 結語

總之，科研為導向反哺教學的教育模式將教學與研究有機結合，充分利用半導體物理課程中的基礎知識和新興技術工具，旨在培養學生的創新、探究和問題分析能力，使他們熟練掌握課程內容，并參與科研實踐活動，為實踐提供創新思路，為研究提供科學實踐經驗。這種教育模式強調激發學生的學習興趣、培養探究思維、鼓勵創新創造和培養社會責任感，不僅注重知識的學習和掌握，更是一種新的人才培養方式。學生在這個過程中扮演主角的角色，通過科研實踐能夠更好地掌握課堂知識，并在探究和實踐中積極思考、克服困難、發現問題、提出新解決方案，并通過實踐驗證這些方案的可行性。

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