學(xué)科交叉背景下新能源材料與器件專業(yè)“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)改革研究

趙 明 琳

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

新能源材料與器件專業(yè)為2010年新增的本科專業(yè)，該專業(yè)是我國為適應(yīng)21世紀(jì)的國際經(jīng)濟發(fā)展趨勢而增設(shè)的戰(zhàn)略性專業(yè)[1]。 新能源材料與器件專業(yè)具有典型的多學(xué)科交叉特性，涉及了物理化學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和電子器件技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域[2]，知識覆蓋面廣，對學(xué)生的綜合素質(zhì)要求較高。而半導(dǎo)體物理課程是該專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，該門課程揭示了半導(dǎo)體材料體系中的磁、熱、電、光等基本物理現(xiàn)象，是后續(xù)功能薄膜材料和集成電路知識體系的學(xué)習(xí)的基石。現(xiàn)在各高校中通用的教材為劉恩科版的半導(dǎo)體物理，但該版本教材涉及的內(nèi)容廣，理論公式推導(dǎo)復(fù)雜，對學(xué)生的前期數(shù)理基礎(chǔ)和知識儲備有較高的要求。江蘇科技大學(xué)為適應(yīng)國家的戰(zhàn)略性發(fā)展，籌備并獲批開設(shè)了新能源材料與器件專業(yè)，該專業(yè)依托于環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，從2015年開始招生?；诃h(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院的師資隊伍和科研方向，該校的新能源材料與器件專業(yè)具有較強的物理化學(xué)背景，較為偏向薄膜太陽能光伏器件和新型薄膜鋰電池器件領(lǐng)域。為更好地匹配學(xué)生的學(xué)科背景，將半導(dǎo)體物理課程融入整體的知識體系中，本文主要從合理地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新地改進教學(xué)講授方式和靈活的改革教學(xué)考核方式這三個方面給出了在學(xué)科交叉背景下半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革的一些思考。

一、基于學(xué)科背景，合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

江蘇科技大學(xué)的新能源材料與器件專業(yè)開設(shè)在環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，培養(yǎng)計劃中學(xué)生的核心知識領(lǐng)域以物理化學(xué)、能源化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)、新能源材料設(shè)計與制備和儲能技術(shù)與應(yīng)用為主體，突出新能源材料，有別與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，因此必須對半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容進行適當(dāng)?shù)膭h減和補充，以更好地適應(yīng)學(xué)生整體知識體系的構(gòu)建。該專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程之前，沒有經(jīng)過系統(tǒng)的物理知識體系培養(yǎng)，對量子力學(xué)、固體物理和數(shù)學(xué)物理方法等必要的前期物理知識沒有深刻的認識，因此在教學(xué)內(nèi)容上，首先補充了6個學(xué)時的前期預(yù)備課程，概述了量子力學(xué)初步，深入講解了物質(zhì)波概念，并復(fù)習(xí)了固體物理的相關(guān)知識。同時在后續(xù)的整個課程內(nèi)容的講授過程中，注重理論概念和物理意義，不過多要求學(xué)生掌握公式推導(dǎo)過程。具體按教學(xué)章節(jié)來看，著重要求學(xué)生明確半導(dǎo)體的電子狀態(tài)，半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷能級，特別強調(diào)對載流子和非平衡載流子以及半導(dǎo)體導(dǎo)電性的理解，同時簡化對半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì)、熱電性質(zhì)和非晶態(tài)半導(dǎo)體等相關(guān)知識的掌握程度要求。特別的，針對太陽能電池原理與工藝和OLED有機電致發(fā)光材料與器件等后續(xù)課程，著重講解半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象這一章節(jié)的內(nèi)容，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用4個學(xué)時的時間，引入MIS結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性測試、高頻光電導(dǎo)衰退法測半導(dǎo)體壽命和半導(dǎo)體材料光學(xué)參數(shù)的測量等幾個典型的課內(nèi)實驗，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生看得到，聽得懂，摸得著。

二、融合多種手段，創(chuàng)新教學(xué)方法

在課堂教學(xué)中，不再是簡單的問答式教法，不再以教師為教學(xué)的主體，而是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，盡可能地通過多媒體形象地向?qū)W生展示相關(guān)原理、相關(guān)問題等，調(diào)動學(xué)生觀察、思考、分析，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力和解決問題的能力，在教師的引導(dǎo)下形成師生有效互動，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用。在課堂教學(xué)中，還設(shè)置典型習(xí)題，讓學(xué)生們思考、討論、回答，鼓勵學(xué)生團隊代表上臺講解，團隊成員補充、培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神，增強學(xué)生團隊意識和合作精神，從而使學(xué)生掌握重點，更好地把握住關(guān)鍵。在緒論的講解中，通過對半導(dǎo)體物理歷程的故事性講述，讓學(xué)生明白半導(dǎo)體發(fā)展簡史，提升學(xué)習(xí)興趣。而對于教學(xué)過程中涉及的一些較為晦澀難懂的概念要與生活實例相結(jié)合，讓學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的存在，將抽象的概念具象化?；谛畔⒓夹g(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)越來越多地應(yīng)用于課堂教學(xué)過程中，我們應(yīng)充分利用動畫、Flash等媒介，讓抽象的物理過程形象化，把語言傳授和圖像傳授相結(jié)合。例如在PN結(jié)的非平衡載流子注入與復(fù)合的物理機制講解中，通過動畫，可以讓學(xué)生直觀地認識到非平衡載流子的引入對原有熱平衡狀態(tài)下擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡的打破與重建的過程，可謂是一個Flash勝過千言萬語。2018年江蘇科技大學(xué)還在部分教室安裝了互動式教學(xué)黑板，該智能系統(tǒng)能與之前的智慧課堂手機APP系統(tǒng)相聯(lián)用，對于增強師生聯(lián)系，提高課堂互動性有很大的幫助?；谛碌亩嗝襟w技術(shù)，半導(dǎo)體物理的課堂簽到、師生交流、課后作業(yè)逐步實現(xiàn)無紙化和信息化。此外，我們注意到新能源材料與器件專業(yè)是新興專業(yè)，該專業(yè)緊跟現(xiàn)代科技發(fā)展的最前沿領(lǐng)域，因此將專題講座適當(dāng)?shù)匾氲秸n堂中，讓學(xué)生了解專業(yè)的前沿領(lǐng)域與半導(dǎo)體物理課程之間的知識體系關(guān)聯(lián)，對于學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有著很關(guān)鍵的作用。半導(dǎo)體物理課程開設(shè)在大三上半學(xué)期，同一時間很多學(xué)生參與了學(xué)校的本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽活動，專題講座可以引領(lǐng)學(xué)生初步接觸相關(guān)科研領(lǐng)域，對于學(xué)生確立自身研究興趣和未來的就業(yè)方向有著非常重要的指引性作用。但要注意，因為是針對本科生的教學(xué)，所以專題講座的內(nèi)容應(yīng)該注重科普性與專業(yè)性相結(jié)合，前沿性與基礎(chǔ)性相結(jié)合，同時要注重與本門課程教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

三、結(jié)合應(yīng)用需求，改革教學(xué)考核方式

新能源材料與器件專業(yè)的畢業(yè)生在太陽能薄膜光伏器件、化學(xué)能源以及新型儲能材料等領(lǐng)域都有著廣闊的就業(yè)前景，可以服務(wù)于航空航天、通信、新能源汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域。半導(dǎo)體作為21世紀(jì)信息化和智能化的載體，涉及諸多新興關(guān)鍵前沿領(lǐng)域，因此學(xué)生對半導(dǎo)體知識的掌握應(yīng)更好地結(jié)合實際的應(yīng)用需求，因此對學(xué)生的考核方式應(yīng)該多元化，不能一考定音。通過改革教學(xué)考核方式，讓整體教學(xué)評價體系更加注重學(xué)生整體的科學(xué)素養(yǎng)和實際能力，而不僅僅局限于紙面上，避免學(xué)生陷入眼高手低，能力素質(zhì)脫離社會需求的情況。在傳統(tǒng)的期末考試成績和平時成績的基礎(chǔ)上，基于所開設(shè)的專題講座，引領(lǐng)學(xué)生自己調(diào)研，拓展知識面，將學(xué)生分為幾個小組，以小組形成提交新能源領(lǐng)域半導(dǎo)體的應(yīng)用調(diào)研報告，并納入最終的教學(xué)成績考核中。通過上述手段，一方面教師了解了學(xué)生對本學(xué)科知識的掌握程度，達到考核學(xué)生的目的；另一方面更重要的是提升了學(xué)生對課程的了解，尤其是本學(xué)科的現(xiàn)狀和發(fā)展方向的認識，為學(xué)生今后對本課程學(xué)以致用奠定了基礎(chǔ)。