“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式在半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中的實踐

許德富

摘 要：該文簡述了“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式在樂山師范學(xué)院材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程“半導(dǎo)體物理學(xué)”中的實踐情況，具體包括教學(xué)模式的總體目標(biāo)確定、教學(xué)內(nèi)容的重新構(gòu)建、導(dǎo)學(xué)案的編寫、課堂教學(xué)過程的實施、教學(xué)效果的評價等五個方面。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué) 半導(dǎo)體物理 教學(xué)模式 學(xué)案導(dǎo)學(xué)

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0181-02

半導(dǎo)體物理學(xué)是以半導(dǎo)體中原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子運動過程為研究對象的學(xué)科，是固體物理的一個重要組成部分，凝聚態(tài)物理的一個活躍分支[1]。半導(dǎo)體物理學(xué)是一門公認(rèn)的難教、難學(xué)的課程，為了提高半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，相關(guān)院校的教師們提出了許多有益的建議和有效的方法，如類比學(xué)習(xí)法[2]、多媒體教學(xué)法、市場導(dǎo)向法[3]等。基于提高課堂效率、改善半導(dǎo)體物理學(xué)課程的教學(xué)效果的目標(biāo)，作者在樂山師范學(xué)院材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）的半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)中，對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式進行改革，在半導(dǎo)體物理學(xué)的課堂教學(xué)中采用“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式，該文就“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式在樂山師范學(xué)院材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）的半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)實踐作一簡述，供同行參考。

1 半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)模式改革的必要性和迫切性

傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理學(xué)的主要內(nèi)容包含半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級、載流子的統(tǒng)計分布、非平衡載流子及載流子的運動規(guī)律、p—n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、表面及MIS結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體表面和界面問題以及半導(dǎo)體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象[4]。但是近年來半導(dǎo)體物理發(fā)展迅猛，新現(xiàn)象、新理論、新的研究領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。上世紀(jì)50～60年代，屬于以固體能帶理論、晶格動力學(xué)理論、金屬—半導(dǎo)體接觸理論、p-n結(jié)理論和隧道效應(yīng)理論為主的晶態(tài)半導(dǎo)體物理時代；70～80年代則形成半導(dǎo)體超晶格物理、半導(dǎo)體表面物理和非晶態(tài)半導(dǎo)體物理三足鼎立的格局；90 年代以后，隨著多孔硅、C60以及碳納米管、納米團簇、量子線與量子點微結(jié)構(gòu)的興起，納米半導(dǎo)體物理的研究開始出現(xiàn)并深化；現(xiàn)在，以GaN為主的第三代半導(dǎo)體、有機聚合物半導(dǎo)體、光子帶隙晶體以及自旋電子學(xué)的研究，使半導(dǎo)體物理研究進入一個新的里程[5]。

半導(dǎo)體物理學(xué)是材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）的核心專業(yè)課程，是太陽能電池原理等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。它是一門理論性較強同時又和實踐密切結(jié)合的課程。要透徹學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理學(xué)，既要求有較強的數(shù)學(xué)功底，熟悉微積分和數(shù)理方程；又要求有深厚的物理理論基礎(chǔ)，需要原子物理、統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、固體物理等前置課程作為理論基礎(chǔ)。由于材料科學(xué)工程（光伏方向）培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于培養(yǎng)光伏工程專業(yè)技術(shù)人才，而不是學(xué)術(shù)型的研究人才，在課程設(shè)置方面有自己的獨特要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理之前，沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)物理方程、量子力學(xué)、固體物體、統(tǒng)計物理等專業(yè)課程，所以理論基礎(chǔ)極其薄弱，這給該門課程的教學(xué)帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。而且半導(dǎo)體物理的理論深奧，概念多，公式多，涉及知識范圍廣，理論推導(dǎo)復(fù)雜，沿用“教師講學(xué)生聽”的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，直接的結(jié)果就是課程教學(xué)質(zhì)量較低，教學(xué)效果不好，學(xué)生學(xué)習(xí)普遍被動。面對發(fā)展迅猛的半導(dǎo)體物理和目前教學(xué)現(xiàn)狀，如果不對“教師講、學(xué)生聽”的半導(dǎo)體物理學(xué)的課堂教學(xué)模式進行改革，難以跟上形勢的發(fā)展。為此教師要在半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)中采用了“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式。

2 “學(xué)案導(dǎo)學(xué)”導(dǎo)學(xué)教學(xué)模式在半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中的實施過程

“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式由“學(xué)、教、練、評”四個模塊構(gòu)成。“學(xué)”，就是學(xué)生根據(jù)教師出示的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點、教學(xué)難點，通過自學(xué)掌握所學(xué)內(nèi)容?！敖獭保褪墙處熤v重點、難點、講思路等。“練”，就是通過課堂訓(xùn)練和課后練習(xí)相結(jié)合，檢驗學(xué)習(xí)效果?！霸u”，就是通過教師點評方式矯正錯誤，總結(jié)方法，揭示規(guī)律?！皩W(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式相對于傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革絕不是一蹴而就的課堂教學(xué)形式的簡單改變，而是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括教學(xué)模式的總體目標(biāo)確定、教學(xué)內(nèi)容的重新構(gòu)建、導(dǎo)學(xué)案的編寫、課堂教學(xué)過程的實施。

2.1 半導(dǎo)體物理學(xué)“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式總體目標(biāo)的確定

半導(dǎo)體物理學(xué)課堂教學(xué)模式創(chuàng)新的總體目標(biāo)是：以材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）人才培養(yǎng)方案和半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)大綱依據(jù)，以學(xué)生為主體，以訓(xùn)練為主線，以培養(yǎng)學(xué)生的思維方式、創(chuàng)新精神和實踐能力為根本宗旨，倡導(dǎo)自主、合作、探究的新型學(xué)習(xí)方式，構(gòu)建自主高效的課堂教學(xué)模式；注重學(xué)生的主體參與，體現(xiàn)課堂的師生互動和生生互動，關(guān)注學(xué)生的興趣、動機、情感和態(tài)度，突出學(xué)生的思維開發(fā)和能力培養(yǎng)；針對學(xué)生的不同需求，實行差異化教學(xué)，面向全體，分層實施。

2.2 根據(jù)人才培養(yǎng)方案構(gòu)建合理有效的教學(xué)內(nèi)容

半導(dǎo)體物理學(xué)的教材種類較多，經(jīng)典教材包括：黃昆、謝希德主編的《半導(dǎo)體物理》（科學(xué)出版社出版）；葉修良主編《半導(dǎo)體物理學(xué)》（高等教育出版社出版）；劉恩科、朱秉生主編《半導(dǎo)體物理學(xué)》（電子工業(yè)出版社出版）。該校教研組經(jīng)過認(rèn)真分析，選擇劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》第7版作為教材，該書內(nèi)容極其豐富，全書共分13章，前五章主要講解晶體半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電子的能帶、載流子的統(tǒng)計分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、非平衡載流子理論等基礎(chǔ)知識，第6章講PN結(jié)理論，第7章講金屬和半導(dǎo)體的接觸性能、第8章講半導(dǎo)體的表面理論、第9章講半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，第10、11、12章講解半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)、熱電性質(zhì)、磁和壓電效應(yīng)，第13章講解非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；該教材理論性很強，有很多繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，要真正掌握教材所講內(nèi)容，需要深厚的數(shù)學(xué)功底和物理理論功底。該校材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）立足于培養(yǎng)光伏工程的應(yīng)用型人才，學(xué)生理論功底較為薄弱，故我們對理論推導(dǎo)不做過高的要求，但對推導(dǎo)的結(jié)果要形成定性的理解。具體要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理學(xué)的基本理論、晶體半導(dǎo)體材料的基本結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料基本參數(shù)的測定方法。根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，我們確定的主要理論教學(xué)內(nèi)容有：（1）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)；（2）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級；（3）半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布；（4）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性；（5）非平衡載流子理論；（6）PN節(jié)；（7）金屬和半導(dǎo)體接觸；（8）半導(dǎo)體表面理論。對半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)、熱電性質(zhì)、磁和壓電效應(yīng)以及非晶態(tài)半導(dǎo)體不做要求。在課程實踐方面我們開設(shè)四個實驗：（1）半導(dǎo)體載流子濃度的測定；（2）少數(shù)載流子壽命的測量；（3）多晶硅和單晶硅電阻率的測量；（4）PN節(jié)正向特性的研究和應(yīng)用。endprint

2.3 立足學(xué)生實際精心編寫導(dǎo)學(xué)案

“導(dǎo)學(xué)案”是我們指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的綱領(lǐng)性文件，對每個教學(xué)內(nèi)容都精心編寫了“導(dǎo)學(xué)案”?！皩?dǎo)學(xué)案”主要包括每章節(jié)的主要內(nèi)容、課程重點、課程難點、基本概念、基本要求、思考題等六個方面的內(nèi)容。以“半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)”為例，我們編寫的導(dǎo)學(xué)案如下：

2.3.1 本節(jié)主要內(nèi)容

原子中的電子狀態(tài)：

（1）玻耳的氫原子理論；（2）玻耳氫原子理論的意義；（3）氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑；（4）索末菲對玻耳理論的發(fā)展；（5）量子力學(xué)對半經(jīng)典理論的修正；（6）原子能級的簡并度。

晶體中的電子狀態(tài)：

（1）電子共有化運動；（2）電子共有化運動使能級分裂為能帶。

半導(dǎo)體硅、鍺晶體的能帶：

（1）硅、鍺原子的電子結(jié)構(gòu)；（2）硅、鍺晶體能帶的形成；（3）半導(dǎo)體（硅、鍺）的能帶特點

2.3.2 課程重點

（1）氫原子能級公式，氫原子第一玻耳軌道半徑，這兩個公式還可用于類氫原子。（今后用到）

（2）量子力學(xué)認(rèn)為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經(jīng)典意義上的軌道實質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示。

（3）晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動。

（4）半導(dǎo)體（硅、鍺）能帶的特點：

①存在軌道雜化，失去能級與能帶的對應(yīng)關(guān)系。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶，上能帶稱為導(dǎo)帶，下能帶稱為價帶。

②低溫下，價帶填滿電子，導(dǎo)帶全空，高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導(dǎo)帶，使晶體呈現(xiàn)弱導(dǎo)電性。

③導(dǎo)帶與價帶間的能隙（Energy gap）稱為禁帶（forbidden band），禁帶寬度取決于晶體種類、晶體結(jié)構(gòu)及溫度。

④當(dāng)原子數(shù)很大時，導(dǎo)帶、價帶內(nèi)能級密度很大，可以認(rèn)為能級準(zhǔn)連續(xù)。

課程難點：原子能級的簡并度為（2l+1），若記入自旋，簡并度為2（2l+1）；注意一點，原子是不能簡并的。

基本概念：電子共有化運動是指原子組成晶體后，由于原子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子上去。因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。但須注意，因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層中轉(zhuǎn)移。

基本要求：掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式；掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點；掌握硅、鍺能帶的特點。

思考題：（1）原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同，原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。（2）晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響。

2.4 以學(xué)生為主體組織課堂教學(xué)

在每次上課的前一周，我們將下周要學(xué)習(xí)的內(nèi)容的導(dǎo)學(xué)案印發(fā)給學(xué)生，人手一份，讓學(xué)生按照導(dǎo)學(xué)案的要求先在課余時間提前預(yù)習(xí)，對一些基本概念要有初步的理解，對該課內(nèi)容要形成基本的認(rèn)識。比如，我們在學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)”這一內(nèi)容時，要求學(xué)生通過預(yù)習(xí)要清楚：孤立原子中的電子所處的狀態(tài)是怎樣的；晶體中的原子狀態(tài)又是怎樣的；半導(dǎo)體硅、鍺的能帶有何特點。在課堂教學(xué)中我們的教學(xué)組織程序是一問、二討論、三講解、四總結(jié)。一問，是指通過提問，抽取個別同學(xué)回答問題，了解學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況。二討論是指讓同學(xué)們就教師提出的問題開展自主深入的討論。例如就晶體中電子的狀態(tài)這一問題，讓學(xué)生討論什么是共有化運動；電子的共有化遠(yuǎn)動是如何產(chǎn)生的；電子的共有化運動有何特征；電子的共有化運動如何使能級分裂為能帶。讓學(xué)生暢所欲言，充分發(fā)表自己的意見，教師認(rèn)真聆聽，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤認(rèn)識，為下一步的講解做好準(zhǔn)備。三講解是指就三個方面的知識進行講解，其一是就學(xué)生討論過程中的錯誤認(rèn)識和錯誤觀點及時的糾正；其二是對學(xué)生不具備的理論知識進行補充講解，例如學(xué)生不具備量子力學(xué)基礎(chǔ)，就要給學(xué)生補充講解量子力學(xué)認(rèn)為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經(jīng)典意義上的軌道實質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方，電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示；其三是就難點進行講解，比如原子能級的簡并度，學(xué)生理解起來較為困難，就需要教師深入細(xì)致地講解；四總結(jié)就是歸納本堂課要掌握的重點知識，那些基本概念必須掌握，那些基本公式必須會應(yīng)用。

3 “學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式在半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中有效性的評價

在樂山師范學(xué)院材料科學(xué)工程專業(yè)（光伏方向）的2011級、2012級三個班半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)中，采用“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果。這體現(xiàn)在以下三個方面：一，學(xué)生養(yǎng)成了在課前自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，在課堂上積極參與討論，活躍了思維，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；二，學(xué)生帶著問題上課，澄清了很多模糊的認(rèn)識，極大地提高了學(xué)習(xí)效率；三，從考試成績看，優(yōu)秀率和合格率大幅度提高，表明學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)的基本理論、對半導(dǎo)體材料的基本特性、對半導(dǎo)體材料參數(shù)的測試方法均有較好的掌握。這說明學(xué)案導(dǎo)學(xué)教學(xué)模式在半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)中是成功的。

參考文獻

[1] 馬鐵英，孫一翎，沈為民.“半導(dǎo)體物理”重點課程建設(shè)與教學(xué)探討[J].科技信息，2009（5）.

[2] 江錫順.提高應(yīng)用型本科院校半導(dǎo)體物理教學(xué)質(zhì)量的方法研究[J].滁州學(xué)院學(xué)，2011，13（5）.

[3] 湯乃云.微電子專業(yè)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的探索[J].課程教材改革，2012，13（31）.

[4] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 彭英才，X.W.Zhao，傅廣生.半導(dǎo)體物理研究的回顧與展望[J].自然雜志， 2004（6）.endprint