基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革探索

徐大慶++童軍++張巖

摘 要：本文從“半導(dǎo)體物理”在微電子科學(xué)中的重要性和教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合“半導(dǎo)體物理”系統(tǒng)性和理論性較強(qiáng)、學(xué)科發(fā)展迅速的特點(diǎn)，對(duì)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核形式等方面進(jìn)行了一些探索性的教學(xué)改革與實(shí)踐，以期有效提高“半導(dǎo)體物理”教學(xué)效果，并為“半導(dǎo)體物理”教學(xué)質(zhì)量的提升和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革；創(chuàng)新型人才

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2017）04-0077-02

“半導(dǎo)體物理”是微電子科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計(jì)等專業(yè)的主干課之一，本課程的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生深入掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力影響深遠(yuǎn)[1-2]。一方面半導(dǎo)體物理內(nèi)容廣、概念和物理模型多，理論性和系統(tǒng)性均較強(qiáng)；另一方面該學(xué)科日新月異，新概念、新技術(shù)層出不窮。而傳統(tǒng)的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)內(nèi)容缺乏對(duì)半導(dǎo)體物理前沿研究成果和研究方向的介紹，且教學(xué)方法單一，不利于高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。我們結(jié)合教學(xué)實(shí)際中存在的問題，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，改革考核形式，提高教學(xué)質(zhì)量，以滿足專業(yè)自身發(fā)展和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

一、“半導(dǎo)體物理”課程及教學(xué)現(xiàn)狀

西安科技大學(xué)“半導(dǎo)體物理”課程采用的教材為劉恩科等主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材[3]。綜合教學(xué)實(shí)踐與教材特點(diǎn)，對(duì)“半導(dǎo)體物理”課程的特點(diǎn)以及教學(xué)過程中存在的主要問題歸納如下。

（一）教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多理論性強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以理論聯(lián)系實(shí)際

“半導(dǎo)體物理”課程內(nèi)容主要分為三大部分：第一部分為半導(dǎo)體的基本知識(shí)和性質(zhì)，主要講述半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、非平衡載流子；第二部分為與半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的接觸現(xiàn)象，主要包括p-n

結(jié)、金屬和半導(dǎo)體的接觸、半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)等；第三部分為半導(dǎo)體的一些特殊效應(yīng)，如半導(dǎo)體的光、電、熱、磁等基本性質(zhì)。課程涉及內(nèi)容廣、概念多，易混淆知識(shí)點(diǎn)較多，物理模型推導(dǎo)復(fù)雜，要求學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中掌握量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)以及固體物理等多門基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)上難以銜接，對(duì)相關(guān)理論的掌握存在一定困難。另外第二、三部分的內(nèi)容主要闡述半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，難以理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于沒有接觸過半導(dǎo)體器件以及集成電路制備工藝的學(xué)生而言，就會(huì)覺得課堂教學(xué)枯燥、乏味。

（二）教材內(nèi)容無法追蹤科技前沿，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展迅速，與磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科之間的交叉和滲透越來越強(qiáng)，研究領(lǐng)域不斷拓展，新的理論不斷涌現(xiàn)[4]，而“半導(dǎo)體物理”教材內(nèi)容的更新相對(duì)較慢，對(duì)半導(dǎo)體物理前沿的新動(dòng)態(tài)、新成果、新概念介紹得不夠。因此，如何在有限的課時(shí)內(nèi)既要講授教材內(nèi)容，又要穿插相關(guān)科技前沿是一個(gè)值得深入探討的問

題。另外傳統(tǒng)的教學(xué)方法單一，不利于學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)和造就高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才，“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革也勢(shì)在必行。

二、“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革探索與實(shí)踐

從上面的分析可以看出，“半導(dǎo)體物理”理論性強(qiáng)、內(nèi)容豐富、體系龐大，是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合的課程。傳統(tǒng)的“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)方法單一、教學(xué)內(nèi)容對(duì)半導(dǎo)體物理前沿研究成果和研究方向的介紹不夠，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此如何在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在深刻地理解半導(dǎo)體物理相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，了解半導(dǎo)體物理前沿研究成果和研究方

向，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的有機(jī)統(tǒng)一，需要教師積極探索新的教學(xué)模式。

（一）注重課程建設(shè)

對(duì)傳統(tǒng)的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，引入半導(dǎo)體物理領(lǐng)域某些前沿研究成果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新，是“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的突破口。現(xiàn)代教育是培養(yǎng)人的綜合素質(zhì)的教育。培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前科技進(jìn)步、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)要求的和具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的人才，是大學(xué)教育的中心任務(wù)。因此，在課程教學(xué)改革中在保持課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時(shí)，合理安排教學(xué)內(nèi)容，在注重課程的“基礎(chǔ)性和應(yīng)用性”的同時(shí)，密切跟蹤本學(xué)科科技前沿與研究熱點(diǎn)，在教學(xué)中結(jié)合相關(guān)內(nèi)容引入對(duì)微電子技術(shù)未來發(fā)展方向的介紹，適當(dāng)增加新的理論，補(bǔ)充增加關(guān)于微電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的起源、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的內(nèi)容。由于“半導(dǎo)體物理”教學(xué)中對(duì)半導(dǎo)體物理特性的分析采用經(jīng)典物理與量子理論相結(jié)合的方式，我們?cè)诮虒W(xué)中充分利用半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)理論的這一特點(diǎn)，在進(jìn)行與量子效應(yīng)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，引入對(duì)諸如自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SpinFET）、單電子晶體管等新概念器件和量子效應(yīng)器件的介紹。在教學(xué)中通過對(duì)半導(dǎo)體物理前沿研究成果和研究方向的介紹，為學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)注入動(dòng)力；同時(shí)結(jié)合微電子科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展使學(xué)生認(rèn)識(shí)到扎實(shí)的半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，從而深化學(xué)生對(duì)該門課程重要性的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二）創(chuàng)新教學(xué)方法

1.采用教師講授為主，學(xué)生討論為輔的教學(xué)方式。課堂講授始終圍繞教學(xué)大綱，抓住核心，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)；重點(diǎn)、難點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容，要精講，突出背景、主線、難點(diǎn)要點(diǎn)剖析到位；討論采用教師積極引導(dǎo)、學(xué)生自由發(fā)言和章節(jié)做小結(jié)等形式；對(duì)于課程中的一般內(nèi)容，通過安排學(xué)生自學(xué)、給思考題，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力；開展學(xué)科進(jìn)展講座，讓了解學(xué)生微電子學(xué)科前沿及發(fā)展動(dòng)態(tài)。引導(dǎo)學(xué)生從期刊、網(wǎng)上獲取學(xué)科發(fā)展信息。

2.加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)微電子學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)進(jìn)行了認(rèn)真的改革和設(shè)計(jì)，加大了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，開展專業(yè)工具訓(xùn)練，組織了包括半導(dǎo)體新材料與新結(jié)構(gòu)器件創(chuàng)新組、模擬數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新組、電力電子技術(shù)創(chuàng)新組等興趣小組。通過這些小組，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)和專業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，凝練研究方向，采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式開展相應(yīng)的科研創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生對(duì)科研創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的興趣提高了，而且在這些實(shí)實(shí)在在的科研創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，通過自學(xué)和合作解決問題的能力得到了鍛煉，學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中加深了對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解，達(dá)到在創(chuàng)新活動(dòng)中提高創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的目的。

（三）改革教學(xué)手段

充分利用現(xiàn)代多媒體教育技術(shù)生動(dòng)、形象等特點(diǎn)，突出“半導(dǎo)體物理”課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)，注重內(nèi)容的動(dòng)靜結(jié)合、快慢相宜，課程團(tuán)隊(duì)將多年的教學(xué)積累和資源系列化、精品化，編寫、制作并完善了全部電子教案和多媒體課件，在教學(xué)過程中通過動(dòng)態(tài)嵌入反映抽象物理過程與原理的動(dòng)畫，使抽象的物理概念與物理模型形象化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，在提高教學(xué)效果方面取得了良好的效果。

（四）優(yōu)化考核形式

為了能使考核方式體現(xiàn)在“半導(dǎo)體物理”教學(xué)的全過程中，我們采用了問題討論、習(xí)題練習(xí)、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)以及閉卷考試等全方位的考核方式，形成既注重理論基礎(chǔ)的考核，又體現(xiàn)能力培養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)的分層次綜合考核體系。這使得閉卷考試成績(jī)所占比例由過去的不少于70%，逐步向少于50%的目標(biāo)靠近。

1.重視平時(shí)考查和綜合訓(xùn)練。在學(xué)完每章節(jié)之后，均給出和重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的思考題；通過隨堂練習(xí)，測(cè)試學(xué)生的課堂掌握程度；結(jié)合對(duì)半導(dǎo)體物理的介紹，要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成一篇小論文。通過把以上這些多形式的考查記入學(xué)生的平時(shí)成績(jī)，在實(shí)現(xiàn)督促學(xué)生及時(shí)消化所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考以及收集處理信息的能力。

2.增加實(shí)驗(yàn)實(shí)踐考核環(huán)節(jié)。把專業(yè)工具訓(xùn)練考核以及科研創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)與課程內(nèi)容學(xué)習(xí)相結(jié)合，例如通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，加深學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體材料及器件結(jié)構(gòu)相關(guān)接觸概念的理解，既考核了學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解和掌握程度，還培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)工具的使用，有助于鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。這些靈活多樣的考核，不僅能夠比較全面地反映學(xué)生的水平，還有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理”的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

“半導(dǎo)體物理”是一門介于理論與實(shí)踐之間的課程，經(jīng)過多年的微電子專業(yè)“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)實(shí)踐，我們針對(duì)“半導(dǎo)體物理”教學(xué)中存在的主要問題，通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改革考核形式，及時(shí)補(bǔ)充微電子科技前沿知識(shí)，并基于“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的指導(dǎo)思想，采用互動(dòng)式教學(xué)方式，并借助于多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)等手段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)以及創(chuàng)新小組和各層級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的提高。但“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及諸多方面，要使之真正跟上當(dāng)今微電子科技飛速發(fā)展的要

求，培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，還需廣大微電子專業(yè)教育工作者做更多的研究和探索。

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