“固態(tài)電子器件”課程教學(xué)改革探索

黃曉東, 于 虹

(東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

“固態(tài)電子器件”課程教學(xué)改革探索

黃曉東, 于 虹

(東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

本文對“固態(tài)電子器件”課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索與實(shí)踐。通過強(qiáng)化本課程的知識體系，探索將教學(xué)與課堂實(shí)驗(yàn)展示相結(jié)合，將教學(xué)與教師科研相結(jié)合，靈活應(yīng)用“啟發(fā)式”、“案例式”等多種教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的能力以及分析問題和解決問題的能力，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

固態(tài)電子器件；教學(xué)改革

0 引言

“固態(tài)電子器件”是我院一門重要的專業(yè)主干課程，其在“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”等課程基礎(chǔ)上，進(jìn)一步系統(tǒng)地闡述電子器件的原理、結(jié)構(gòu)以及基本特性等方面的內(nèi)容[1]。該課程涉及的器件包括微電子器件(如場效應(yīng)晶體管、雙極性晶體管)、光電子器件(如光電探測器、半導(dǎo)體激光器)、高頻器件(如隧道二極管、耿氏二極管)以及功率器件(如p-n-p-n二極管、絕緣柵雙極型晶體管)等；涵蓋內(nèi)容廣泛并橫跨不同領(lǐng)域，而且還存在物理概念抽象以及公式繁復(fù)等特點(diǎn)。因此要學(xué)好這門課程，對學(xué)生的抽象思維能力、物理基礎(chǔ)以及課堂注意力等均提出較高要求。長期以來，該課程一直讓我院學(xué)生望而生畏；但是，該課程又是學(xué)生學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體加工工藝”、“集成電路制造與設(shè)計(jì)”等后續(xù)課程的前提和基礎(chǔ)，在我院的本科人才培養(yǎng)體系中占據(jù)非常重要的位置。

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該課程存在的主要問題包括：

(1)由于課程內(nèi)容涵蓋廣、跨度大，導(dǎo)致學(xué)生往往陷入細(xì)節(jié)不能自拔，而無法從整體上把握該課程的知識體系和脈絡(luò)；

(2)由于課程涉及很多抽象、晦澀的物理概念，導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后尚不知道如何與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系。

因此，對“固態(tài)電子器件”課程進(jìn)行教學(xué)改革，改進(jìn)教學(xué)思路和方法，通過將教學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合，將教學(xué)與課堂實(shí)驗(yàn)展示相結(jié)合，將教學(xué)與科研相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新性思維的能力，是我院任課教師面對的急需解決的一個(gè)課題。

1 強(qiáng)化課程的知識體系

現(xiàn)有“固態(tài)電子器件”相關(guān)的教材通常采用開門見山式的編寫方式，從開篇就針對各種具體的電子器件進(jìn)行介紹[1-3]；由于器件種類繁多且零散，極易導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中產(chǎn)生 “只見樹木、不見森林”的感覺，使學(xué)生無法清晰地把握該課程的知識體系和脈絡(luò)。因此，在教學(xué)中強(qiáng)化課程的知識體系，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理清知識脈絡(luò)顯得尤為重要。為此，除了及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)以及總結(jié)以外，在講授具體器件知識之前，本課程組還專門開設(shè)了“電子器件發(fā)展史”的講座，通過以時(shí)間為主線并結(jié)合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律和趨勢，將本課程中涉及到的各類型具有代表性的器件進(jìn)行重點(diǎn)介紹。 實(shí)踐證明：該方法不僅有助于學(xué)生理清該課程的知識脈絡(luò)，在宏觀上建立起該課程的知識體系，還能拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。此外，講座中還特別強(qiáng)調(diào)這些器件對電子技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響(如美國肖克利等發(fā)明的晶體管在1956年獲諾貝爾獎(jiǎng)；日本江崎發(fā)明的隧道二極管在1973獲諾貝爾獎(jiǎng)；日本赤崎勇等發(fā)明的藍(lán)光發(fā)光二極管在2014年獲諾貝爾獎(jiǎng)等)，因此該講座有意識地增強(qiáng)了學(xué)生對該課程的重視程度。另外，在講座中還穿插不少科學(xué)家在器件發(fā)明過程中的趣聞軼事，這不僅活躍了課堂氣氛，還使學(xué)生了解到偉大的發(fā)明(或發(fā)現(xiàn))不一定都依賴于高深的理論，更多的是來自于對科研細(xì)節(jié)的關(guān)注和好奇心，這對于工程背景的學(xué)生科研興趣的培養(yǎng)以及樹立遠(yuǎn)大的科研理想和信心具有很大的幫助。需指出的是，為了讓學(xué)生更好地掌握該課程的知識體系，教師自身必須對該課程在整個(gè)本科教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中的地位以及相關(guān)課程之間的關(guān)系有著清晰的了解，這樣才能更好地安排教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

2 教學(xué)與課堂實(shí)驗(yàn)展示相結(jié)合

我院的“固態(tài)電子器件”課程總共48學(xué)時(shí)，且無相關(guān)配套的實(shí)驗(yàn)課程，因此課程涵蓋內(nèi)容廣、跨度大、重點(diǎn)難點(diǎn)多與課程學(xué)時(shí)少的矛盾尤為突出。因此，在講授抽象物理概念等一些知識點(diǎn)的時(shí)候，常常面臨這樣的難題：如果花費(fèi)大量課堂時(shí)間講授這部分知識點(diǎn)，一方面會(huì)使得教學(xué)時(shí)間變得非常緊張，同時(shí)教學(xué)效果也不一定理想。為此，本課程組嘗試了將實(shí)驗(yàn)展示與理論教學(xué)相結(jié)合的方法以同時(shí)提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。該方法是利用課前時(shí)間由教師或助教操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)并錄制成視頻，在課堂理論講授時(shí)配合播放。金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)電容器是本課程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，這部分知識點(diǎn)不僅要求學(xué)生具備扎實(shí)的物理基礎(chǔ)，而且要求學(xué)生具備良好的抽象思維能力。實(shí)踐證明：通過課堂設(shè)計(jì)，在課堂上穿插展示MOS電容器的電學(xué)測試實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，較之單純的講課，極大地增強(qiáng)學(xué)生對MOS電容器的直觀認(rèn)識，有效地降低這部分知識的學(xué)習(xí)難度。此外，通過將實(shí)際測試曲線與課本的理論曲線相比較，還可以進(jìn)一步引出器件的真實(shí)表面態(tài)等知識點(diǎn)，為后續(xù)教學(xué)工作的開展打下伏筆和基礎(chǔ)。

3 教學(xué)科研結(jié)合，多種教學(xué)方式并用

由于該課程物理概念很抽像并伴隨很多繁瑣的公式，因此學(xué)生在課堂上很容易走神，無法跟上教學(xué)節(jié)奏。有些學(xué)習(xí)較認(rèn)真的學(xué)生，也時(shí)常會(huì)產(chǎn)生課堂知識不知如何在實(shí)際中應(yīng)用的困惑。針對上述問題，本課程組利用自身在電子器件領(lǐng)域取得的研究成果，通過將教學(xué)與科研相結(jié)合，開展“啟發(fā)式”和“案例式”教學(xué)，取得了很好的效果[4，5]。比如，場效應(yīng)晶體管的源/漏寄生電阻是本課程的又一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。在介紹完源/漏寄生電阻的負(fù)面影響時(shí)，我們向?qū)W生指出在抑制寄生電阻之前必須先有把“標(biāo)尺”(或方法)衡量寄生電阻，進(jìn)而在課堂上引出對這把“標(biāo)尺”的討論；通過師生互動(dòng)以及循序漸進(jìn)地引導(dǎo)，最終讓學(xué)生通過自己的主動(dòng)思考掌握了衡量寄生電阻的方法；之后，我們再結(jié)合教師在該方面的科研成果，在課堂上提供了一些數(shù)據(jù)和資料，鼓勵(lì)學(xué)生利用剛才的方法來提取出寄生電阻；最后，公布答案以及說明該項(xiàng)研究已經(jīng)在電子器件領(lǐng)域的頂級刊物發(fā)表。在上述過程中，學(xué)生在課堂上始終保持很高的熱情和參與度。實(shí)踐證明，將教學(xué)和科研相結(jié)合，并采用合適的教學(xué)方法以及恰當(dāng)?shù)匕盐照n堂節(jié)奏，不僅可以有效地提高學(xué)生的積極性，吸引學(xué)生的注意力，還可以縮短理論知識與實(shí)際應(yīng)用之間的距離，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力并且培養(yǎng)學(xué)生從事科研的信心和興趣。上述教學(xué)方法還有助于展示教師個(gè)人的科研水平和實(shí)力，在提升教師在學(xué)生心目中的形象等方面有著非常好的效果。

“啟發(fā)式”、“案例式”等多種教學(xué)方式結(jié)合還有助于培養(yǎng)學(xué)生辯證思維的能力。例如：在“固態(tài)電子器件”課程中，涉及到很多器件的二階效應(yīng)(如場效應(yīng)晶體管的襯底偏置效應(yīng))，這些效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致器件性能下降。在講解這些二階效應(yīng)的時(shí)候，如果向?qū)W生提出“這些二階效應(yīng)能否為我所用”等一些具有啟發(fā)性的問題，往往可以鍛煉和增強(qiáng)學(xué)生辯證思維的能力。對于場效應(yīng)晶體管而言，課程組在講解該器件尺寸縮小到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)大的漏電這一效應(yīng)時(shí)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生大膽地利用本課程中已經(jīng)學(xué)到的知識，提出抑制漏電的方法。經(jīng)過探索，最終學(xué)生創(chuàng)造性地提出利用“襯底偏置”這一傳統(tǒng)觀念上的負(fù)面效應(yīng)，人為地抬升晶體管的導(dǎo)通門檻，進(jìn)而抑制漏電的方法。實(shí)踐證明，上述教學(xué)方法既加深了學(xué)生對于基礎(chǔ)知識的理解和掌握，還有效地提高了學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力和辯證思維的能力。此外，教學(xué)中還發(fā)現(xiàn)，在互動(dòng)過程中適當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生設(shè)置一些激勵(lì)措施(比如回答正確的學(xué)生后續(xù)可以和教師合作開展科研工作，發(fā)表論文等)，也能有效地提高學(xué)生的積極性和參與熱情。

4 結(jié)語

我?！肮虘B(tài)電子器件”課程教學(xué)改革以本課程組十余年的教學(xué)積累和經(jīng)驗(yàn)為背景，以培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才為目標(biāo)，始終堅(jiān)持將教學(xué)理論與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，將教學(xué)改革與教學(xué)效果相結(jié)合，將科學(xué)研究融于教育教學(xué)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題并解決問題，全面提高學(xué)生能力。

[1] Ben G. Streetman, Sanjay Kumar Banerjee. 固態(tài)電子器件(英文版) [M]. 北京：人民郵電大學(xué)出版社.2007年2月

[2] 施敏，李明奎. 半導(dǎo)體器件物理與工藝 [M]. 王明湘，趙鶴鳴. 蘇州：蘇州大學(xué)出版社.2014年4月

[3] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) [M]. 北京：電子工業(yè)出版社.2008年5月

[4] 溫溶雪. 現(xiàn)代啟發(fā)式教學(xué)探究[D]. 南昌: 碩士學(xué)位論文, 2003年10月

[5] 陳喜文, 陳德富. 淺談研究型教學(xué)模式的推廣[J]. 2014全國遺傳學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)會(huì)議手冊及論文集, 2014,71-73

Exploration of Teaching Reform of Solid-State Electronic Devices Course

HUANG Xiao-Dong , YU Hong

(SchoolofElectronicScienceandtechnology,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

This paper mainly focuses on exploration and practice of teaching reform of Solid-State Electronic Devices course. By combining teaching with experimental exhibition in the class, combining teaching with the teacher′s academic research and combining heuristic teaching method with case teaching method, it is practically proved that these methods are effective to make students learn more actively and positively. In addition, these methods are also helpful to improve the students′ ability of creative thinking and their ability of analyzing and solving concrete problems. This work is valuable and useful to fully improve students′ comprehensive quality.

solid-state electronic devices, teaching reform

2017-03-02;

2017-03- 21

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期資助項(xiàng)目(PPZY2015B136)

黃曉東(1982-)，男，博士，副教授，主要從事納電子器件、微能源與系統(tǒng)集成的教學(xué)和科研工作，E-mail：xdhuang@seu.edu.cn 于 虹(1966-)，女，博士，教授，主要從事納機(jī)電系統(tǒng)的教學(xué)和科研工作，E-mail：h_yu@seu.edu.cn

G426

A

1008-0686(2017)03-0084-03