研究生課程《半導(dǎo)體物理》教學(xué)方法和策略的探討

張 華，李 蛟，王衛(wèi)偉，李秋紅

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

1 引言

半導(dǎo)體物理學(xué)是固體物理學(xué)的一個分支[1]，是微電子科學(xué)的理論基礎(chǔ)，主要研究半導(dǎo)體材料的原子狀態(tài)、電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷對半導(dǎo)體材料中載流子的濃度和分布的影響及其對半導(dǎo)體器件物理性能的影響[2]。與許多理工科高校一樣，我校也將《半導(dǎo)體物理》列入研究生教育培養(yǎng)方案。該課程屬于材料科學(xué)與工程學(xué)科碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)、理解和研究半導(dǎo)體材料的必修課程。隨著半導(dǎo)體科學(xué)的快速發(fā)展，理論知識不斷擴(kuò)展以及材料制備和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體行業(yè)不斷深化的競爭對我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也給半導(dǎo)體物理專業(yè)教育提出了更高的要求[3]。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理在教學(xué)中面臨著知識點多、內(nèi)容廣、理論性強(qiáng)等困難，在現(xiàn)下常規(guī)的“教師講學(xué)生聽”的教學(xué)模式下，不論是教師的教學(xué)工作還是學(xué)生的學(xué)習(xí)工作都已經(jīng)很難取得良好的教學(xué)效果。為適應(yīng)新時代的教學(xué)要求，對傳統(tǒng)教學(xué)方法和教學(xué)策略進(jìn)行改革變得非常迫切和必要。

2 現(xiàn)行《半導(dǎo)體物理》教學(xué)的困境及解決措施

2.1 知識面廣、知識點多而繁雜、理論深度高

《半導(dǎo)體物理》課程是一門理論性很強(qiáng)的課程，它需要學(xué)習(xí)者具備良好的基礎(chǔ)知識，包括高等數(shù)學(xué)的微分方程求解、線性代數(shù)的矩陣和行列式、量子力學(xué)基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)電學(xué)等知識。但是，一方面很多工科院校都取消或大幅削減了《統(tǒng)計力學(xué)》和《量子力學(xué)》等基礎(chǔ)學(xué)科課程[4]；另一方面，選課研究生的來源差異很大，有些來自化學(xué)專業(yè)，有些來自材料專業(yè)，還有一些金屬、高分子等專業(yè)本科畢業(yè)的研究生，他們的知識基礎(chǔ)差異很大，往往缺乏學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的前導(dǎo)知識，因此加大了教師教學(xué)的壓力，也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

為此，我們在課堂教學(xué)中需要將課程知識體系整理出一條簡明清晰的主線，據(jù)此主線知識為脈絡(luò)，為選課學(xué)生補(bǔ)習(xí)學(xué)習(xí)和理解相關(guān)課程知識所必需的前導(dǎo)知識，這樣才能使學(xué)生能從宏觀上把握該課程的主要知識結(jié)構(gòu)脈絡(luò)。本課程大多數(shù)高校都采用劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》為主要參考書，該書是以半導(dǎo)體材料特殊的電學(xué)性質(zhì)為切入點，引導(dǎo)出半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子的分布和運動規(guī)律等理論，進(jìn)而構(gòu)建起半導(dǎo)體物理的主要知識脈絡(luò)。其中，知識點涉及能帶的形成原理、電子及空穴的有效質(zhì)量、能態(tài)的分布及態(tài)密度的計算、平衡載流子的分布狀況、非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合規(guī)律、雜質(zhì)對半導(dǎo)體態(tài)密度和導(dǎo)電類型的影響、載流子的漂移和擴(kuò)散運動等。基于了解和掌握這些理論知識的基礎(chǔ)上再來討論半導(dǎo)體材料界面特性，如金屬/半導(dǎo)體肖特基結(jié)的能帶彎曲狀態(tài)、pn結(jié)結(jié)區(qū)的能帶彎曲及其導(dǎo)致的電流單向?qū)ㄌ匦?、三極管的放大原理、MOS、FET等結(jié)構(gòu)的工作原理等。我們在課堂教學(xué)中不妨把該知識脈絡(luò)更加顯性的展示和強(qiáng)調(diào)出來，所有的講解貫穿和圍繞主知識脈絡(luò)進(jìn)行。

2.2 學(xué)生對課程認(rèn)識偏差導(dǎo)致學(xué)習(xí)主動性不高

目前，絕大多數(shù)工科學(xué)校存在重技術(shù)輕理論的傾向。強(qiáng)調(diào)動手實踐能力本身沒有錯，但現(xiàn)下的科研和實踐中漸漸形成了不求甚解和只為發(fā)表論文的風(fēng)氣，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)較為晦澀的理論知識時積極性不高，而不扎實的理論基礎(chǔ)不利于學(xué)生將來的科研探索和產(chǎn)品研發(fā)等工作。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，經(jīng)過教學(xué)改革中一段時間的探索，我們采用案例教學(xué)法來解決這個問題。我們采用的案例教學(xué)以半導(dǎo)體物理學(xué)領(lǐng)域的科研、材料設(shè)計和工程問題為背景，將教學(xué)知識點融入具體的科研和應(yīng)用案例中，通過教師和研究生對案例的共同討論和層層剖析，使學(xué)生對案例的各方面有充分的認(rèn)知?；谶@些分析和認(rèn)知得出具體案例的解決方案。這種基于實際案例分析的教學(xué)法既可以充分調(diào)動學(xué)生參與解決具體問題的積極性，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)工作能力，已經(jīng)在教學(xué)實踐中收到了較好的實際效果。

2.3 教學(xué)方法和教學(xué)策略過于單一

目前我校的《半導(dǎo)體物理》教學(xué)基本采用的是常規(guī)教學(xué)模式，即以教師講授為主，輔以幻燈片展示，形式上還是傳統(tǒng)的“填鴨式”。由于該課程涉及的內(nèi)容主要是微觀物理結(jié)構(gòu)及理論推導(dǎo)，內(nèi)容本身較為抽象，這種單一的教學(xué)模式缺少師生和學(xué)生之間的討論與互動，不利于帶動學(xué)生的探索精神，甚至連教材內(nèi)容本身都難以深入理解，更無助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為改善教學(xué)效果，除了課堂教學(xué)在技術(shù)方法上采用之前提到的案例教學(xué)法之外，我們在新的教學(xué)策略中大幅度的增加了學(xué)生的參與度。我校在前幾年的教學(xué)改革中曾嘗試過由教師主講課程主體知識脈絡(luò)，由學(xué)生查閱資料對主體知識進(jìn)行深入理解和運用的教學(xué)方式，但未取得理想的效果。其原因大致可歸納為當(dāng)下學(xué)生較為普遍的知識壁壘心理，即學(xué)生會下意識的區(qū)分哪些內(nèi)容屬于課程內(nèi)容，哪些不屬于，然后下意識得排斥課程主體脈絡(luò)之外的知識。認(rèn)為這些內(nèi)容不應(yīng)該包含在本課程的學(xué)習(xí)范圍中，對這些擴(kuò)展知識的學(xué)習(xí)存有較強(qiáng)的排斥心理。但事實上，如之前的分析所指出的，外圍知識的缺失會導(dǎo)致主線知識的理解障礙，甚至無法理解。例如，半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)是構(gòu)建在波矢空間上的，而波矢空間是個倒易空間，如果不了解倒易空間和倒易矢量的性質(zhì)則無法從根本上理解晶體的能帶結(jié)構(gòu)。針對這種實際情況，我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，將主線知識交由學(xué)生來組織、提煉，包括從圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查閱資料，結(jié)合參考書對知識內(nèi)容進(jìn)行提煉和概括，交流材料幻燈片的制作和課堂上的質(zhì)疑和討論四個環(huán)節(jié)；由任課教師負(fù)責(zé)講解學(xué)生缺失的知識以利于學(xué)生對相關(guān)理論的理解。經(jīng)過兩個教學(xué)周期的實施，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對這種教學(xué)模式的認(rèn)同程度非常高，一方面體現(xiàn)了研究生階段學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性；另一方面，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的輔助作用也體現(xiàn)得非常好。

2.4 實驗環(huán)節(jié)對理論教學(xué)的支撐力度差

我校最早的《半導(dǎo)體物理》課程是不包括實驗環(huán)節(jié)的，課程設(shè)立的主要目的在于讓學(xué)生了解半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)知識和基本理論，以方便解釋科研上的一些實際問題。經(jīng)過幾個教學(xué)周期的實施，許多研究生反映由于實驗環(huán)節(jié)的缺失導(dǎo)致他們無法把課堂學(xué)習(xí)的理論知識運用在科研實踐中，因為缺乏最基礎(chǔ)的課程實驗驗證和模仿環(huán)節(jié)的訓(xùn)練導(dǎo)致其在后續(xù)科研實踐中無法有效的使用課程內(nèi)的知識來解釋和解決實際問題。為此，我們陸續(xù)在課程中增設(shè)了實驗環(huán)節(jié)，從最初的基礎(chǔ)驗證實驗，如四探針電阻率測試、少子壽命測試等，至今已經(jīng)結(jié)合各研究生導(dǎo)師所從事的科研實際設(shè)立了多種綜合實驗，將課堂實驗教學(xué)和研究生的科研實踐緊密聯(lián)系起來，極大的調(diào)動了學(xué)生參與學(xué)習(xí)、分析和討論的積極性，增加了課程實驗對理論教學(xué)的支撐力度。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體物理技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體物理的知識不斷翻新，行業(yè)競爭的不斷深入對人才素質(zhì)要求不斷提高，這些都對高校《半導(dǎo)體物理》課程的教學(xué)活動提出了更高的要求。為適應(yīng)時代的發(fā)展，當(dāng)前世界各國都在進(jìn)行課程與教學(xué)改革。結(jié)合我校的研究生精品課程建設(shè)項目，根據(jù)本校教學(xué)實踐需要，我們自行編訂適合本校研究生學(xué)習(xí)的講義，在課程教學(xué)中，明晰課程知識主體脈絡(luò)，采用案例教學(xué)法和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)手段提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，注重理論學(xué)習(xí)與科研實踐相結(jié)合，增加了課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，將課堂教學(xué)逐步提升到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實際動手操作能力的軌道上來。