半導(dǎo)體物理啟發(fā)式教學(xué)改革探討

摘 要 半導(dǎo)體物理是一門介于理論與實(shí)踐之間的課，由于它的理論性，導(dǎo)致老師難教，學(xué)生難學(xué)。本文提出啟發(fā)式教學(xué)方法，采取不斷提問題的方法，問題一環(huán)扣一環(huán)，直到最后引出上課內(nèi)容，這樣一方面在沒有降低知識(shí)難度的情況下降低了學(xué)習(xí)難度，另一方面提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的思考精神。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體物理 啟發(fā)式教學(xué) 啟發(fā)式問題

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

半導(dǎo)體物理是研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子過程的學(xué)科，是固體物理學(xué)的一個(gè)重要分支。研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)是以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，主要研究半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、晶體生長，以及晶體中的雜質(zhì)和各種類型的缺陷。研究半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)是以固體電子論和能帶理論為基礎(chǔ)，主要研究半導(dǎo)體的電子狀態(tài)，即能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷的影響、電子在外電場和外磁場作用下的輸運(yùn)過程、半導(dǎo)體的光電和熱電效應(yīng)、半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、半導(dǎo)體與金屬或不同類型半導(dǎo)體接觸時(shí)界面的性質(zhì)和所發(fā)生的過程、各種半導(dǎo)體器件的作用機(jī)理和制造工藝等[1-4]。

從上面的半導(dǎo)體物理研究內(nèi)容可以看出，半導(dǎo)體物理是一門介于理論與實(shí)踐之間的課，由于它的理論性，導(dǎo)致老師難教，學(xué)生難學(xué)。因此怎么教是一個(gè)非常值得探討的問題。文獻(xiàn)[5-6]提出了基于研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)工作能力，取得了一定的教學(xué)效果。文獻(xiàn)[7] 提出了采用多媒體、課堂互動(dòng)、“頭腦風(fēng)暴”和課程實(shí)驗(yàn)結(jié)合的 “形象化”的教學(xué)方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生能更深刻地理解半導(dǎo)體物理理論。

本文首先分析半導(dǎo)體物理教學(xué)現(xiàn)狀，然后提出兩種啟發(fā)式教學(xué)思路，并舉例說明，最后總結(jié)啟發(fā)式教學(xué)效果。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教材難度較大

目前大多數(shù)院校選用的教材是電子工業(yè)出版社出版的劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，該書偏重于理論闡述和推導(dǎo)，需要學(xué)習(xí)者具有良好的數(shù)學(xué)和物理相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。但是，由于半導(dǎo)體物理課程比數(shù)學(xué)課程晚兩個(gè)學(xué)期開課，到半導(dǎo)體物理開課的時(shí)候，大部分同學(xué)數(shù)學(xué)都忘得差不多；另外大部分學(xué)校微電子專業(yè)都取消了量子力學(xué)和固體物理課程，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)物理理論的前導(dǎo)知識(shí)，就直接進(jìn)入半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)。因此，加大老師了教學(xué)難度，同時(shí)也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力。

1.2 教學(xué)模式單一

目前半導(dǎo)體物理教學(xué)基本采用“老師講學(xué)生聽”的模式[8]，由于半導(dǎo)體物理闡述的大部分都是微觀物理結(jié)構(gòu)、微觀物理現(xiàn)象和微觀物理理論推導(dǎo)，這些知識(shí)抽象枯燥，如果只是采取單純的“老師講學(xué)生聽”模式，缺少老師和學(xué)生之間的互動(dòng)，需要學(xué)生有比較好的想象力，因此無形中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。另外一方面，長期采用這種教學(xué)方法，不利于帶動(dòng)學(xué)生的探索精神，學(xué)生獲得的知識(shí)也僅限于課本知識(shí)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 學(xué)生認(rèn)識(shí)偏差

目前，高校工科學(xué)生中大多有重技術(shù)輕理論的思想，具體到微電子學(xué)專業(yè)的學(xué)生， 重電路設(shè)計(jì)輕半導(dǎo)體物理及器件的研究[9]。這使學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的積極性不高。如果學(xué)生的半導(dǎo)體物理及器件的理論知識(shí)的基礎(chǔ)不扎實(shí)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的電路設(shè)計(jì)尤其是模擬集成電路設(shè)計(jì)能力的停留在初步階段，難以提高。

2 啟發(fā)式教學(xué)思路

針對目前的教學(xué)現(xiàn)狀，為了讓學(xué)生能通過簡單的問題啟發(fā)明白半導(dǎo)體物理知識(shí)，因此本文提出以下兩種啟發(fā)式教學(xué)思路。第一種思路是從宏觀現(xiàn)象中尋找與微觀現(xiàn)象相匹配的例子引出問題，宏觀現(xiàn)象都是現(xiàn)實(shí)生活中能夠看到或感覺到的東西，以這樣的例子來引出問題，讓學(xué)生理解微觀現(xiàn)象的難度大大降低；第二種思路是從電路的工作角度引出微觀現(xiàn)象，電路的工作原理都是工科學(xué)生比較感興趣的東西，如果能從電路的工作角度一環(huán)一環(huán)引出微觀現(xiàn)象，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣一下提高不少，也培養(yǎng)了學(xué)生的思考精神。下面分別對這種兩種教學(xué)思路舉例說明。

2.1 從宏觀現(xiàn)象中尋找與微觀現(xiàn)象相匹配的例子引出問題

比如講授能級(jí)分裂的時(shí)候，設(shè)置如下啟發(fā)問題：

問題1：50個(gè)座位的教室能坐多少人？（提示：必須遵守一人一座的原則）

答：50人。

問題2：如果想在這個(gè)教室坐下100人怎么辦？

答：只能加50個(gè)座位。

問題3：一個(gè)原子外圍的一個(gè)電子軌道能容納多少個(gè)電子？（提示：必須遵守一電子一軌道的原則——包里不相容原理）

答：一個(gè)電子。

問題4：兩個(gè)原子挨在一起，他們外圍的相同能量的電子軌道相交了，這個(gè)時(shí)候相當(dāng)于兩個(gè)電子在同一能量軌道上，如果還必須遵守一電子一軌道的原則，怎么辦呢？

答：增加一條軌道，相當(dāng)于一條軌道變成兩條軌道。

問題5：如果N個(gè)原子挨在一起，如果還是按照一個(gè)電子一軌道的原則，那他們相同能量的電子軌道怎么辦呢？

答：增加N-1條軌道，也就是相當(dāng)于一條軌道變成N條軌道。

2.2 從電路的工作角度引出微觀現(xiàn)象

比如講授半導(dǎo)體摻雜前，可以設(shè)置如下啟發(fā)問題：

問題1、電子設(shè)備是怎么工作的？

答：電流驅(qū)動(dòng)的。

問題2、電流又是怎么形成的？

答：載流子的定向運(yùn)動(dòng)形成電路。

問題3、載流子怎么產(chǎn)生的？

答：通過本章節(jié)的學(xué)習(xí)，大家將會(huì)找到答案。

3 結(jié)束語

半導(dǎo)體物理是一門介于理論與實(shí)踐之間的課，由于它的理論性，導(dǎo)致老師難教，學(xué)生難學(xué)。本文提出啟發(fā)式教學(xué)方法，采取不斷提問題的方法，問題一環(huán)扣一環(huán)，直到最后引出上課內(nèi)容。通過在教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)的效果看，對于復(fù)雜的微觀問題，老師容易講明白了，學(xué)生也容易聽明白了。因此啟發(fā)式教學(xué)一方面在沒有降低知識(shí)難度的情況下降低了學(xué)習(xí)難度，另一方面提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的思考精神。

基金項(xiàng)目：電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：ZLGC2012JY12）

參考文獻(xiàn)

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[2] 唐瑩，孫一翎，李萬清.MATLAB在半導(dǎo)體課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（高教版），2009（10）：126-127.

[3] 孫連亮，李樹深，張榮，等.半導(dǎo)體物理研究新進(jìn)展[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003（10）：1115-1119.

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[6] 張銘，王如志，汪浩，等.基于研究性學(xué)習(xí)的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革[J].科教文匯（上旬刊），2011（7）：47-48.

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