面向材料專業需求驅動的半導體器件物理課程改革探索與實踐

摘 "要：基于對半導體器件物理課程國內外現狀、定位、學情和課程問題的分析，梳理該課程當前存在的問題。該文圍繞教學短板問題，探索和改革教學理念和教學思路，創新教學內容，培養創新性思維和導向型思維，深入分析解剖半導體器件物理課程蘊含的思政元素，實現思想和價值引領。提出以提升研究生的批判性思維、創新性思維、合作能力和溝通能力四大核心素養的教學理念，采用講授、討論、領學和對話四位一體的新型教學手段，集成理論知識、動畫模擬、器件實驗“三位一體”教學內容，全面提升學生的核心素養。最后，分析教學創新成效，并探討該課程教學創新成果對其他工科院校甚至對發展新一代技術、新材料、新能源等戰略性新興產業進而加速構建“433”工業新體系具有重要意義。

關鍵詞：材料科學與工程；半導體器件；半導體物理；課程改革；教學創新

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）07-0060-04

Abstract： Based on the analysis of the current status， positioning， learning situation and course problems of Semiconductor Device Physics course at home and abroad， the current problems of this course are sorted out. Focusing on the shortcomings of teaching， this paper explores and reforms teaching concepts and teaching ideas， innovates teaching content， cultivates innovative thinking and oriented thinking， deeply analyzes and dissects the ideological and political elements contained in the course Semiconductor Device Physics， and realizes ideological and value guidance. It proposes a teaching concept to improve the four core qualities of graduate students， namely critical thinking， innovative thinking， cooperation ability and communication ability， adopts a new teaching method of lectures， discussions， leading learning and dialogue， integrates theoretical knowledge， animation simulation and device experiment \"three-in-one\" teaching content， and comprehensively improves students' core literacy. Finally， the teaching innovation results are analyzed， and the teaching innovation results of this course are discussed. It is of great significance to other engineering colleges and even to the development of new generation technologies， new materials， new energy and other strategic emerging industries， thereby accelerating the construction of the \"433\" new industrial system.

Keywords： materials science and engineering; semiconductor device; semiconductor physics; course reform; teaching innovation

眾所周知，“材料、能源和信息并列成為現代科學和現代文明的三大支柱”。半導體器件則是三者融合交叉的核心部分，是衡量一個國家科技發展水平高低的關鍵指標，是全球新一代產業革命的核心推動力，是現代美好生活和高科技新興技術的基礎[1]。我國半導體產業起步晚，2000年才被提升至國家戰略產業。得益于國家政策的大力扶持與引導，我國半導體產業發展迅猛，實現了跨越式的進展，2022年總市場規模接近1萬億元[2]。

習近平總書記曾于2020年9月11日在科學家座談會上的講話中指出，“工業方面，一些關鍵核心技術受制于人，部分關鍵元器件、零部件、原材料依賴進口”[3]。我國高端半導體器件產業仍未達到國際領先水平，例如絕大多數計算機和服務器通用處理器95%的高端專用芯片，70%以上智能終端處理器以及絕大多數存儲芯片依賴進口[4]。近年來圍繞半導體材料與器件的“戰爭”頻繁出現，尤其是中美之間。美國出臺了一系列的半導體領域出口管制措施，涵蓋關鍵材料、生產設備、開發工具軟件和服務與人才等關鍵事項，對我國半導體產業的健康穩定發展造成了較大的影響和威脅[5]。

半導體器件物理作為研究半導體材料性質、結構、制備工藝及其在各種電子器件中應用的基礎學科，不僅是電子工程、微電子學、材料科學等多個領域的核心課程，也是推動科技進步和產業升級的關鍵力量。課程內容涵蓋了從半導體物理基礎、能帶理論、載流子輸運到半導體器件設計、制造與測試等多個方面，為學生構建了全面而系統的知識體系。同時，實驗條件的改善和仿真軟件的應用，使得學生能夠更加直觀地理解復雜的物理現象和器件工作原理。本課程以固體物理和電子電路為基礎，涵蓋了大量的物理公式推導、電路原理圖和電子元器件等知識點[6]，是一門學習難度較大的研究生學位課程。尤其對于本科教育背景較為多元化的材料類專業而言，學生的物理和數學基礎相對較弱。然而，該學科涉及的知識體系龐大且抽象，對學生的數學基礎、物理直覺和邏輯思維能力要求較高。課程偏離其“成分-工藝-組織結構-性能”核心思想，材料類學生很難掌握這門課的邏輯思維以及與其他課程的關聯屬性，不少學生在學習過程中感到吃力，需要投入大量時間和精力進行理解和消化。因此，本文面向材料類專業研究生的需求，突出材料類專業的核心思想并融入課程的教學設計中，弱化電子電路中的繁瑣公式推導過程，提出半導體器件“物理基礎-特征性能-核心應用”為新教學理念，強化學生的創新性思維和導向型思維，融入半導體特色鮮明的課程思政教育增強鑄魂育人實效，對推動黑龍江省（以下簡稱“我省”）研究生教學課程改革、促進我省培養創新型和復合型的領軍人才以及全面筑牢“東北人才高地”具有重要意義。

一 "半導體器件物理教學國內外現狀

半導體器件雖只歷經了不到一個世紀的發展，但其產業也上升至將國家戰略發展核心地位，決定了新興產業的發展和傳統行業的升級。半導體器件是一個多學科交叉融合的典型，涉及了電子電路、機械、材料等工科專業知識以及物理、化學等基礎學科知識[7]，但目前在我國絕大部分高校的材料類專業研究生教學大綱中并未涉及半導體器件物理課程，包括清華大學、上海交通大學、浙江大學等工科名校。其主要原因就是這門課程涉及大量的物理公式推導、電路原理圖和電子元器件基礎等難以學懂的知識點。目前，已開設此課程的高校多數采用的教材是劉恩科、羅晉生主編的《半導體物理學》，該教材全面論述了半導體物理的基礎理論，包括晶體結構、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布及運動規律等。然而，該教材對于基礎薄弱的學生來說難度較大，部分重難點內容難以理解吸收。盡管實驗條件和仿真軟件有所改善，但相對于快速發展的半導體技術而言，實踐環節仍顯不足。學生缺乏足夠的動手實踐機會，難以將理論知識與實際應用緊密結合，影響了其創新能力和解決問題能力的培養。

對比國外名校發現，美國麻省理工學院、美國西北大學、新加坡南洋理工大學、英國帝國理工學院的材料系研究生program均將Semiconductor Physics and Devices（半導體物理與器件）課程納入選課范圍，且在半導體器件物理教學方面，如實驗教學、產學研結合、師資力量及研究投入方面有著更為成熟和完善的體系。此外，國外高校還注重培養學生的創新意識和實踐能力。許多高校設立了創新實驗室、創業孵化器等平臺，為學生提供創新創業的機會和資源。通過這些平臺，學生可以將自己的創意和想法轉化為實際的產品或服務，實現個人價值的同時也為社會作出貢獻。

哈爾濱工業大學材料科學與工程學院于2022年重新修訂了研究生培養方案，鑒于半導體器件在我國國民經濟和國家安全等領域的戰略地位，將半導體器件物理課程納入新版碩博貫通教學大綱并設置為學科核心學位課。半導體器件物理以固體物理和電子電路為基礎，覆蓋物理公式推導、電路原理圖和電子元器件等復雜難學知識點，且本課程是一門高度交叉的學科，需要與其他學科如計算機科學、材料科學、化學等緊密合作。然而，目前學科間的壁壘依然存在，跨學科融合不夠深入，限制了學科的發展和創新。再加上當前很多院校的材料類研究生課程仍是“填鴨式”教育，課堂交流互動較少，教學思路較陳舊，兩者共同導致材料類研究生學習這門課程的難度較大。在此情形下，半導體器件物理課程的教學改革勢在必行，有利于提升我省材料類研究生教學的整體水平，對我省發展新一代技術、新材料、新能源等戰略性新興產業具有重要的意義和價值。

二 "半導體器件物理教學改革的思考與實踐

（一） "面向材料類研究生需求的教學理念和教學思路的探索和改革

很多院校的材料類研究生課程教學思路較陳舊，容易造成研究生失去學習的積極性和主動性，無法培養和提高學生們的核心素養（即批判性思維、創新性思維、合作能力和溝通能力）。半導體器件物理課程內容偏離了材料類研究生課程主線“成分-工藝-組織結構-性能”的核心思想[8]，因此學生們很難掌握這門課的邏輯思維以及與其他課程的關聯屬性。因此，必須創新課程的教學理念和教學思路，使其適應材料類研究生的教學，達到既使同學們掌握過硬的專業知識又提高學生們的核心素養的雙重目標。

采用講授、討論、領學和對話四位一體的新型教學手段，以培養學生理解能力、科研能力、創新能力為核心目標，促進學生全面多方位發展[9]，同時結合開展半導體器件教學實驗教學改革。活躍課堂教學氛圍，實現師生以及同學之間的有效對話和平等溝通，從而全面調動同學們學習的積極性和主動性，提升學生的創新性思維、合作能力、溝通能力。通過將材料科學與工程學科“成分-工藝-結構-性能”四要素核心思想融入半導體器件物理課程的教學設計中，提出半導體器件“物理基礎-特征性能-核心應用”為新教學思路，如圖1所示，其中物理基礎主要指固體物理中晶體結構、電子能帶理論、載流子傳輸原理等核心內容，特征性能主要指半導體導電性能和常見半導體的工作原理等核心內容，核心應用主要指常見半導體器件的應用介紹以及推廣使用，使材料類研究生更易學懂該課程并達到學以致用的層面。

（二） "理論知識、動畫模擬、器件實驗“三位一體”教學內容的創新

1 "理論知識的基石作用

理論知識是任何學科體系的根基，它為學生提供了理解現象、分析問題的基本框架和思維工具。在“三位一體”的教學模式中，理論知識不再是枯燥無味的文字堆砌，而是被賦予了生動性和啟發性的元素。教師通過精煉的語言、直觀的圖表和生動的案例，將復雜的理論概念深入淺出地呈現給學生，激發學生的學習興趣，為后續的學習奠定堅實的基礎。

2 "動畫模擬的直觀體驗

動畫模擬作為連接理論與實踐的橋梁，具有極高的直觀性和互動性。在這一環節中，學生可以通過計算機仿真軟件，親眼目睹理論模型在虛擬環境中的動態變化過程，感受物理現象的微觀機制和宏觀表現。這種沉浸式的學習方式不僅加深了學生對理論知識的理解，還培養了他們的空間想象能力和問題解決能力。此外，動畫模擬還可以模擬實驗條件難以達到或危險的實驗場景，拓寬了學習的邊界，降低了學習成本。

3 "器件實驗的動手實踐

器件實驗是“三位一體”教學模式中不可或缺的一環，它強調理論與實踐的緊密結合，讓學生在真實的環境中動手操作，驗證理論知識的正確性，感受科學的嚴謹與魅力。通過器件實驗，學生可以直觀地觀察到實驗現象，收集并分析數據，培養嚴謹的科學態度和實驗技能。同時，實驗過程中遇到的問題和挑戰也促進了學生的思考和創新，為未來的科研工作和工程實踐打下了堅實的基礎。

通過設計理論知識、動畫模擬、器件實驗“三位一體”的新型教學內容，采用小動畫形式模擬便于學生理解復雜難懂的半導體物理定義和概念[10]，實現了從理論到實踐、從抽象到具體的無縫銜接，理論知識為動畫模擬和器件實驗提供了必要的理論基礎，動畫模擬則通過直觀展示增強了理論知識的可理解性和可接受性，而器件實驗則進一步鞏固了理論知識，培養了學生的實踐能力和創新精神。三者相互依存、相互促進，共同構成了一個完整且高效的教學體系，并逐步培養學生們的自主學習的能力，如圖2所示。通過上述創新教學理念，加強學生們對半導體器件知識的掌握水平，提升學習能力，通過半導體器件實物演示實驗加深學生們對半導體器件工作原理的理解深度，并培養學生們自主學習與分析問題的能力，最終全面提升研究生的核心素養。例如在講授載流子的漂移運動和擴散運動、非平衡載流子的產生和復合、平衡p-n結的形成規律、金屬-半導體結形成規律等教學內容，采用小動畫形式模擬便于學生理解抽象的物理概念。針對雙極型晶體管的工作特性、MOS場效應晶體管的工作特性、半導體太陽電池的發電特性、熱電半導體的發電和制冷等知識點，通過在課堂上器件實物演示實驗加深學生們對知識點的理解深度，并掌握分析問題的方法。另外，本課程規劃了2學時的實踐教學，帶領同學們走進實驗室，通過集中的實驗課程有助于掌握半導體器件的工作原理，進一步加深對整門課程教學內容的邏輯關系的理解，培養學生們的宏觀把控能力。通過理論知識、動畫模擬、器件實驗“三位一體”教學內容的創新使學生們加深對知識點的理解，并培養自主學習與分析問題的能力。

（三） "半導體器件物理專業課程與課程思政有機結合的探索

當前一部分大學專業課程的思政教育依舊是按照傳統的說教式、照本宣科的教學方式進行，專業知識點和思政元素的分離造成“各自為政”的現象比較明顯，難以做到“堅持顯性教育和隱性教育相統一”[11]。通過深入分析解剖半導體器件物理課程蘊含的思政元素（圖3），做到思政教育貫穿教學全過程，實現思想和價值引領。通過專業知識和思政元素的有機融合，避免傳統的說教式、照本宣科的教學方式，實現潛移默化的教育效果。引入黨的二十大精神、老一代科學大家的先進事跡、國內科學家的最新研究進展以及半導體企業的“恩怨情仇”等思政元素，激發學生們的學習興趣、愛國心和報國夢，實現潛移默化的教育效果，使同學們更加堅定“四個自信”，努力做到思政教育貫穿教學全過程，實現思想和價值引領。例如，在講授我國半導體產業快速發展歷史時，既肯定科學家的關鍵貢獻，又重點強調黨的二十大精神“新時代的偉大成就是黨和人民一道拼出來、干出來、奮斗出來的”。在講授半導體晶格動力學時，通過詳細介紹世界著名固體物理學家黃昆先生的國外求學以及回國開創半導體學科的歷程，加強愛國主義教育，使同學們更加堅定“四個自信”，激發學生們的愛國心和報國夢；在講授半導體太陽電池時，介紹我國科學家近五年所取得的重要科研成果，激發學生的學習興趣，提升學生們的學習動力。

三 "課程改革實踐推廣價值

半導體器件物理課程是哈爾濱工業大學材料科學與工程碩博貫通培養研究生學科核心課，本課程以培養創新人才為目標，與研究生核心素養（即批判性思維、創新性思維、合作能力和溝通能力）緊密結合的新型教學理念。采用講授、討論、領學和對話四位一體的新型教學方法，在課堂上講授和討論有機結合，實現師生以及同學之間的有效對話和平等溝通，從而全面調動同學們學習的積極性和主動性，提升學生的創新性思維、合作能力、溝通能力。改革后的課程更加注重學生實踐能力和創新能力的培養，有助于培養出更多適應行業需求的高素質科技人才，為半導體產業的持續發展提供人才支撐。通過引入最新科研成果，促進科研成果向教學內容的轉化，同時，教學實踐中發現的問題也能反哺科研，形成良性循環。加強與國際先進教育理念的交流與合作，借鑒國際成功經驗，提升我國半導體器件物理課程的國際競爭力，吸引更多國際學生來華學習，促進教育國際化進程。半導體產業是國家戰略性新興產業的重要組成部分，課程改革有助于提升我國半導體技術的自主創新能力，為實施創新驅動發展戰略、建設科技強國貢獻力量。

哈爾濱工業大學預計每年有30位左右研究生直接從中受益，既夯實學生們的專業理論和知識，又提升學生們的批判性思維、創新性思維、合作能力和溝通能力，同時借助專業課程與課程思政的有機結合實現立德樹人的關鍵任務。

本門課程教學效果良好達到預期目標，可推廣至我省其他工科院校，有利于提升我省材料類研究生教學的整體水平，對我省發展新一代技術、新材料、新能源等戰略性新興產業進而加速構建“433”工業新體系具有重要意義。

四 "結束語

半導體器件是材料、能源和信息三者融合交叉的核心部分，是衡量一個國家科技發展水平高低的關鍵指標，是全球新一代產業革命的核心推動力。半導體器件物理課程改革是以材料類研究生需求為驅動力，以提升學生的創新性思維、合作能力、溝通能力，目的是培養創新型人才，構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、新能源、新材料、高端裝備和綠色環保等一批新的增長引擎，為推動戰略性新興產業融合集群發展具有重要意義。

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