基于AI2的《半導體器件物理》課程輔助教學app設計

向兵，蔣俊華

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

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基于AI2的《半導體器件物理》課程輔助教學app設計

向兵，蔣俊華

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

以App Inventor2開發(fā)環(huán)境為平臺，使用其方便簡潔、清晰明了的各種控件設計界面，利用它的拼圖式圖形堆疊模塊搭建程序代碼，并結合《半導體器件物理》的課程結構，開發(fā)了一個便于學生深入學習該門課的課程輔助教學app.以此來激發(fā)學生對于《半導體器件物理》這門重要課程的學習興趣和熱情，方便學生理解、記憶這門課程所涉及的主要概念、公式的推導過程以及各種物理現(xiàn)象和效應的形成過程，實現(xiàn)了教學模式的轉變，提升了教學效果，更加契合在移動互聯(lián)網(wǎng)時代成長起來的新一代大學生的學習方式的特點.

App Inventor2；半導體器件；應用程序；教學

0 引 言

“半導體器件物理”是我校電子信息科學與技術專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程.它以“半導體物理”等課程為基礎，是相關專業(yè)后續(xù)“集成電路設計”等專業(yè)課程的先修課程.由于該課程具有系統(tǒng)性、理論性強，物理概念抽象，用到的物理公式多等特點，傳統(tǒng)的板書教學雖然有直觀、靈活、知識學習的步驟性強等特點，但也有效率低、圖形圖片展示不清晰徹底、能夠展示的信息量小、復用性困難等缺點.盡管現(xiàn)在大力提倡多媒體教學，但大多數(shù)多媒體課件形式單一，與學生的互動性差，特別是對于公式推導，很難使學生的思維同步，不但不能激發(fā)學生的學習熱情，反而易使學生產(chǎn)生大腦疲勞而達不到預期的教學效果，其教學質量的好壞直接影響到學生后續(xù)課程的學習[1].

在科學技術高速發(fā)展的今天，移動互聯(lián)網(wǎng)以及智能手機憑借其方便、快捷、個性化、易于操作等優(yōu)勢逐漸滲透于社會生活的各個方面[2].人們利用網(wǎng)絡和手機可以隨時隨地解決生活、學習以及工作中遇到的各種問題.考慮到現(xiàn)在安卓智能手機的普遍性，尤其現(xiàn)在的大學生對于手機的依賴性，所以我們利用App Inventor2這種便于操作和調試的環(huán)境來開發(fā)一個課程輔助app來幫助學生更好地學習這門課程，為學生高效率的學習提供了一個更為便捷、廣闊的平臺[3],也為“半導體器件物理”課程提供了一次提高理論教學和實踐教學的有益嘗試.

1 APP的界面及邏輯設計

為了方便學生學習使用，對于屏幕界面的基本要求是要盡可能使用較少的界面實現(xiàn)更多的功能，且所展示的內容要清晰明了，有條有理，讓使用該課程輔助軟件的同學能便捷地溫習、掌握課程中的重點.根據(jù)以上分析,確定了本次設計中共需要14個界面來顯示.包括1個初始進入界面，1個課程簡介界面，5個基本概念界面，5個基本推導界面，1個動畫演示界面和1個課后習題界面.界面之間的層次關系如圖1.

圖1 界面之間的層次關系

1.1 初始界面及“課程簡介”界面設計

本app中教材選用電子工業(yè)出版社出版的由劉樹林、張華曹、柴長春編著的《半導體器件物理》.這本書系統(tǒng)地介紹了常用半導體器件的工作原理及特性.首先介紹了半導體器件的基本材料以及半導體物理基礎知識，然后又介紹了PN結的形成、特性等一些性能指標，接著講述了雙極性晶體管和MOS場效應晶體管的結構、工作原理、電流電壓等方面的特性，最后介紹了一些其他半導體器件的應用和工作原理[4].

圖2 初始界面 圖3 “課程簡介”界面

設計的初始界面的外觀如圖2.“課程簡介”界面主要顯示的是該課程的授課教師、所用教材、課程的基本內容的介紹.同時，還需要能夠通過該界面進入“基本概念”、“基本推導”、“動畫演示”、“課后習題”界面，也要能返回初始界面.這里為了美觀也加了一幅河南大學的圖像以期增加學生的新鮮感，通過視覺增加學生的學習動力，如圖3.

1.2 “基本概念”，“基本推導”界面設計

概念多，公式推導多是《半導體器件物理》這門課的特點之一.對于一些基本概念，學生學習時往往是上課的時候聽的很清楚，但課下如果不進行復習很快就會忘記；而對于一些公式推導，學生在課堂上要緊跟老師的思路，推導過程一步跟不上步步跟不上.以往的復習方法無外乎是要拿起書本走進自習室，過程繁瑣而不方便.App中“基本概念”和“基本推導”的設計將使學生根據(jù)自己學習情況的不同而使復習過程變得非常實用、有效而且方便.

“基本概念”界面這部分包括5個界面，其中1個是總標題目錄界面，另外4個分界面，各自展示的是每一章的基本概念，如圖4、圖5,分界面的邏輯設計如圖7、圖8.進入相關的分界面后點擊“第一個”、“上一個”、“下一個”、“最后一個”等按鈕可以查看關于半導體物理及半導體器件的共32個基本概念.“基本推導”界面與“基本概念”界面大同小異，也包括1個總標題目錄界面和4個分界面共20個公式的推導.總標題目錄界面的設計與“基本概念”的目錄界面設計一樣，只要把界面屬性中的標題改為“《半導體器件物理》基本推導”即可，如圖6.

圖4 “基本概念”主界面 圖5 第一章分界面 圖6“基本推導”分界面

圖7 分界面列表和全局變量的邏輯設計

圖8 分界面按鈕的邏輯設計

1.3 “動畫演示”界面設計

對于物理教學而言，傳統(tǒng)的板書教學最大的缺點就是無法展示物理現(xiàn)象的過程.例如半導體電子共有化運動產(chǎn)生的軌道分裂、PN結空間電荷區(qū)的形成、晶體管工作時載流子的輸運、場效應管溝道的形成以及溝道夾斷點的形成等等，對于這些抽象概念的理解往往需要學生在自己頭腦中的想象.為了能讓學生直觀地看到物理現(xiàn)象發(fā)生的全過程，更好地理解物理概念，我們制作了一些動畫來模擬半導體材料和半導體器件內部發(fā)生的物理現(xiàn)象過程.點擊“第一個”，“上一個”，“播放”，“暫停”，“下一個”，“最后一個”等按鈕可以控制播放8個主要的動畫演示，如圖9、圖10.

圖9 “動畫演示”界面 圖10“動畫演示”界面 圖11“相關習題”界面

1.4 “相關習題”界面設計

為了對所學知識進行鞏固，對知識加深理解，提高學生的思維能力、提高學生綜合運用知識的能力.我們設計了“相關習題”這個模塊.“相關習題”是找了一些經(jīng)典題型、各?？佳谐踉嚨脑嚲?，通過圖片的形式呈現(xiàn).共有“選擇題”、“填空題”、“名詞解釋”、“計算題”這4種題型，如圖11.在屏幕上方區(qū)域用圖像組件選擇性地顯示不同類型的題目，用按鈕來控制，邏輯控制同前面的“基本概念”、“基本推導”控制一樣.

2 結束語

通過實踐證明，該輔助教學app的開發(fā)對課程教學和學生自學具有較好的輔助作用.將理論授課和動畫演示結合到手機app上，不僅可以實現(xiàn)了多媒體輔助教學的功能，而且避免了只有課件的多媒體教學容易出現(xiàn)的把黑板搬到屏幕上的缺陷，使抽象的理論知識形象化，有利于學生對知識點的理解、消化，提高了學生學習的積極性[5].同時，通過向學生開放源代碼可激發(fā)學生編程的激情，不僅提高了本課程的教學效果，而且提高了學生的編程能力，更重要的是為本專業(yè)學生提高課堂教學效果，提高開放性思維和實踐動手能力提供了一次有益的嘗試.

[1]向兵,程秀英.基于Matlab GUI《半導體器件物理》教學仿真平臺開發(fā)[J].實驗科學與技術,2014,12(3)：47-48.

[2]李華.智能手機端教學實踐研究[J].科技資訊,2014,27(1)：185.

[3]王萍.智能手機支持下的大學生移動學習研究[J].軟件導刊,2014，13(4)：176-178.

[4]劉樹林,張華曹,柴長春.半導體器件物理[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[5]吳明暉.面向計算思維的App Inventor2課程建設與實踐[J].杭州電子科技大學學報(自然科學版),2015,35(2)：93-97.

[責任編輯：徐明忠]

2017-04-20；

2017-05-08

河南省科技攻關項目(152102210055)

向兵(1968—)，男，湖南長沙人，河南大學副教授，碩士，主要從事半導體器件和半導體集成電路方面的教學、科研工作.

O47；TP391.9

A

1672-3600(2017)09-0103-03