材料專業(yè)《半導體物理學》課程教學改革探索

毛啟楠，李紅霞，季振國

(杭州電子科技大學 材料與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

1 引言

半導體作為一類重要的功能材料，其已在信息、通訊、能源、照明顯示等領域起著至關重要的作用。半導體產(chǎn)業(yè)已成為支撐國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全保障的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產(chǎn)業(yè)。國家相繼出臺一系列政策和文件，并持續(xù)投入大量資金來支持我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A見，在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的時代背景下，我國的半導體產(chǎn)業(yè)將進入黃金發(fā)展期[1]。產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展必將對人才產(chǎn)生巨大的需求。

高校作為高素質(zhì)優(yōu)秀人才的“蓄水池”，在新時代下的人才培養(yǎng)需緊密結合國家重大戰(zhàn)略需求，主動適應新經(jīng)濟變化。針對半導體方向，我校在材料專業(yè)開設了一系列相關的本科生課程。其中，《半導體物理學》為該方向的核心課程，主要介紹半導體材料的電、光、磁、熱等物理性質(zhì)并討論半導體中的微觀粒子狀態(tài)、微觀結構與宏觀物理性質(zhì)之間的聯(lián)系。這門課程既為后續(xù)相關課程的學習奠定理論基礎，也為深入開展半導體科學研究和技術專業(yè)工作提供理論支撐。因此，《半導體物理學》課程的重要性得到了各高校相關專業(yè)的教學工作者的普遍認同[2]。然而，該課程的知識點涉及廣，內(nèi)容抽象，理論難度高[3]。這對課程的教與學都提出了較高的要求，傳統(tǒng)的教學模式往往難以獲得理想的教學效果。本文針對課程教學現(xiàn)狀、專業(yè)特點、科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，結合筆者教學實踐的心得體會，提出了該課程教學改革的思路和對策。

2 課程教學現(xiàn)狀及所存在的問題

《半導體物理學》涉及多個學科：半導體相關的基礎理論主要來源于固體物理學、量子力學和材料學，半導體材料的應用又與電子學、光學、信息科學等學科緊密聯(lián)系。而學生普遍存在高等數(shù)學和大學物理基礎不扎實，關聯(lián)學科知識缺乏的問題。教師為了講透一個知識點，常常需要引入大量的前導知識。學生在課堂時間內(nèi)無法消化如此大量信息，導致難以充分掌握相關知識點。課程部分內(nèi)容較為抽象，通常描述微觀層面的物理狀態(tài)和物理運動。而學生在接觸該課程之前，基本上僅學習過經(jīng)典物理中的宏觀知識，難以直觀理解一些基本概念和物理模型。半導體物理學發(fā)展得較為成熟，已形成了較為完整的理論體系，知識點既包含了物理概念、物理過程和物理機理，又包含了公式推導和物理量計算。而大部分學生對基礎性知識的認識就存在一定的困難，更談不上了解公式推導過程和運用公式計算。因此，從《半導體物理學》課程本身來說，材料學生在學習該課程的過程中，存在較大的挑戰(zhàn)。在此情況下，如果教師不對課程的教學方式方法上進行一些改變，仍按照傳統(tǒng)的教學模式，進行常規(guī)性的概念引出、理論講解、公式推導為主的講授式教學，往往會使學生覺得內(nèi)容過于枯燥，難以保持專心聽講。課堂學習效果差導致學生對教學內(nèi)容一知半解或認識偏差。隨著課程的深入，學生越來越難以理解新的知識點，非常容易產(chǎn)生厭學心理。在課程難度較大，學習積極性不高的情況下，學生面對考核壓力，往往采用死記硬背的方法進行學習。修完課程后，學生僅僅是聽說過或?qū)W習過相關知識點，而不是掌握了知識點，更無法靈活應用知識來解釋實驗現(xiàn)象和分析實際問題。這不利于學生進行后續(xù)相關課程的學習，更無法幫助學生的解決問題能力得到提升。

3 課程教學改革與實踐

3.1 優(yōu)化課程內(nèi)容、抓住教學重點

盡管現(xiàn)有國內(nèi)外多套經(jīng)典的《半導體物理學》教材可供選擇，但這些教科書主要針對物理類和電子類專業(yè)所編，不是非常適合于我校材料專業(yè)學生。根據(jù)材料專業(yè)的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)計劃，我們對授課內(nèi)容進行了優(yōu)化，分為三大部分。第一部分為量子力學初步，主要補足學生在量子力學方面的知識點，使他們在后續(xù)課程中能更好地理解半導體物理學涉及的一些基本概念和物理模型。第二部分為經(jīng)典的半導體物理，包括半導體電學、光學和磁學等物理特性方面的內(nèi)容。為讓學生更全面地了解半導體材料及其應用，我們增加了一定的課時來講解半導體的光學和磁學相關知識點。第三部分為低維半導體物理，讓學生接觸前沿的科學研究成果和了解半導體材料與器件在納米維度上所顯現(xiàn)的物理現(xiàn)象。以上三部分內(nèi)容能夠構成較為完整的半導體物理知識體系。但是，考慮到課時所限，教師無法對三大部分課程內(nèi)容進行面面俱到地講解。筆者的授課注重基本概念和物理模型，相對弱化公式推導；注重半導體材料部分，相對弱化半導體器件部分。目的是使每一位學生在相對有限的課時內(nèi)學懂和學透課程中最基本、最核心的內(nèi)容。實際教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，學生無法較好地達到學習目標的原因在于未能正確地理解基礎性的知識點，導致學習無法進一步深入。而掌握了最基本、最核心的內(nèi)容后，學生更容易通過自學的方式補足延伸性的知識，從而構建起半導體物理學的知識網(wǎng)絡。

3.2 打造立體化多平臺教學

《半導體物理學》作為一門專業(yè)理論課，不可否認講授法仍是最為重要的教學方法，但需要極力避免使用太過專業(yè)性的語言滿堂灌的情況。學生會感到枯燥甚至厭煩，聽了一堂課，可基本沒聽懂。筆者采用簡單平實的語言和貼近生活的類比，使課程內(nèi)容更易于理解。例如在講解引入“空穴”概念的原因時，將電子比作為水滴，而空穴比作為氣泡。降雨過程可以用水滴的運動狀態(tài)來描述。而含有氣泡的水池中，氣泡的運動狀態(tài)從另一個側面能反映水池中水的運動狀態(tài)。研究水池中的每一滴水來得到整池水的運動狀態(tài)是非常復雜的，而研究幾個氣泡的運動來得到整池水的運動狀態(tài)顯得更為簡單。這樣，學生更容易理解為什么會在半導體中提出一個非真實存在的粒子(空穴)的概念。

同時，筆者盡可能多地采用生動形象的圖片來講解物理過程和物理模型，必要時附加視頻素材來加深學生對知識點的理解。例如電子躍遷過程、p-n結中載流子的輸運、場效應晶體管的工作原理等等。除此之外，筆者還通過簡單的課堂實驗來直觀地展現(xiàn)物理現(xiàn)象。例如：一片單晶硅片、一支電烙鐵和一個萬用表就可以向?qū)W生展示利用塞貝克效應判斷半導體的導電類型。這類課堂實驗既能吸引學生的注意力又能夠讓學生更好地理解物理現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)。立體化的教學手段獲得了學生的認可，有效地提高了課堂教學質(zhì)量。

在教師向?qū)W生單向傳授知識之外，學生向教師的逆向反饋和教師與學生之間的雙向互動也十分重要。為此，課程利用網(wǎng)絡教學平臺進行課堂小作業(yè)來及時反饋學生對知識點的掌握情況，在社交平臺上建立了班級群用于課后答疑和問題討論。線上互動符合當代學生的偏好，既有利于提高他們的參與度，又能夠及時有效反饋教學情況。

3.3 加強課程與課程以及課程與科研的聯(lián)系

《半導體物理學》是一門基礎性課程，它與其它專業(yè)課程和科研密切相關。但學生受限于較少的專業(yè)學習和研究經(jīng)歷，很難自主地建立起它們之間的聯(lián)系。而教師有責任做好課程知識的延伸和拓寬學生的視野。筆者通過與相關課程的任課老師進行研討，優(yōu)化課程之間的銜接，加強課程之間的聯(lián)系，進一步幫助學生建立材料科學的知識網(wǎng)絡，實現(xiàn)專業(yè)知識的融會貫通。例如，《半導體物理學》會講授半導體的電學性能(載流子濃度、遷移率、電阻率)和光學性能(透過率、吸收率、光學帶隙)相關的概念，但僅僅停留在理論層面上。為加深對相關概念的認識，《真空與薄膜制備》實驗課程安排了ZnO:Al半導體薄膜的制備，并對該薄膜進行電學性能(載流子濃度、遷移率、電阻率)和光學性能(透過率、吸收率、光學帶隙)的表征。根據(jù)實驗結果，任課教師講解載流子濃度、遷移率和電阻率三者之間的計算，以及利用透過率數(shù)據(jù)推算光學帶隙的方法。類似這種知識點在不同的課程中的學習和鞏固，十分有助于提高學生對專業(yè)知識的認識水平，強化他們的專業(yè)素養(yǎng)。此外，筆者還在課堂教學中加入半導體領域研究前沿的內(nèi)容和安排部分學生參加科研訓練，使學生切實體會到理論與實際的緊密聯(lián)系。教學與科研的結合十分有效地增加了學生對課程學習的興趣，提高了學生分析能力和動手能力，同時也讓課程教學與時俱進。

4 結語

《半導體物理學》是材料科學與工程專業(yè)的核心課程。針對課程教學現(xiàn)狀、材料專業(yè)特點、科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，本文主要提出了優(yōu)化課程內(nèi)容、抓住教學重點，打造立體化多平臺教學，加強課程與課程以及課程與科研的聯(lián)系這三個方面的課程改革措施，以此幫助學生構建知識體系，激發(fā)學生的學習積極性，提升學生的分析問題能力和實際動手能力。筆者將在今后的教學實踐中不斷深化教學改革，以培養(yǎng)出適應新時代要求的高素質(zhì)專業(yè)人才。