基于STEM教育理念的《半導(dǎo)體物理》跨學(xué)科課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

陳顯平 陳紫薇 陶璐琪

摘 ?要：《半導(dǎo)體物理》是固體物理學(xué)的一個(gè)重要分支，是微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)。作者將STEM教育理念融入到《半導(dǎo)體物理》的教學(xué)中，通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)思維，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力，改變考核評(píng)價(jià)方式，將理論學(xué)習(xí)與科研有效結(jié)合，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)專業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：STEM教育;半導(dǎo)體物理;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2020）22-0126-03

Abstract： "Semiconductor Physics" is an important branch of solid state physics and the theoretical basis of microelectronics.The author integrates stem education concept into the teaching of "Semiconductor Physics". By cultivating students' interdisciplinary learning thinking， enhancing students' practical and innovative ability， effectively combining theoretical learning with scientific research， improving students' scientific literacy， technical literacy， engineering literacy and mathematical literacy， students' enthusiasm for independent learning can be aroused and professional quality can be strengthened.

Keywords： STEM education; Semiconductor Physics; transformation of education

一、概述

《半導(dǎo)體物理》是研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)、電子狀態(tài)以及半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一門學(xué)科，是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，也是發(fā)展半導(dǎo)體技術(shù)的重要基礎(chǔ)。由于這門課學(xué)科交叉性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)繁多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，物理概念抽象，覆蓋知識(shí)面廣，涉及到很多固體物理、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)等其它基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)《半導(dǎo)體物理》課程時(shí)都存在著一定的困難[1]?！鞍雽?dǎo)體物理”是光電工程學(xué)院本科生一門非常重要的專業(yè)必修核心課程，其教學(xué)效果與學(xué)生未來(lái)就業(yè)發(fā)展緊密相關(guān)。因此，進(jìn)行相關(guān)課程教學(xué)方法和教學(xué)策略的改革尤為迫切。“半導(dǎo)體物理”傳統(tǒng)教學(xué)方法方式單一，難以取得良好的教學(xué)效果。STEM是一種強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合來(lái)解決問(wèn)題的一種教育理念。將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）融入到《半導(dǎo)體物理》的教學(xué)中，培養(yǎng)具有卓越創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

二、半導(dǎo)體物理教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）知識(shí)點(diǎn)多、知識(shí)面廣

《半導(dǎo)體物理》是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，物理概念抽象，公式推導(dǎo)復(fù)雜，涵蓋知識(shí)面廣，需要量子力學(xué)、固體物理、材料化學(xué)等眾多先修學(xué)科的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往注重理論計(jì)算與公式推導(dǎo)，課程內(nèi)容抽象，教學(xué)方法也缺乏吸引力。因此學(xué)生學(xué)起來(lái)感覺(jué)繁瑣吃力，難以理解，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性不高，從而缺乏自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。此外，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅速，新的科研成果不斷出現(xiàn)，學(xué)科交叉更加深入，教師難以在短時(shí)間內(nèi)覆蓋所有的知識(shí)內(nèi)容，更需要學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)探索相關(guān)知識(shí)。因此如何激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，形成跨學(xué)科思維模式顯得尤為重要。

（二）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱

由于課程時(shí)間安排有限，“半導(dǎo)體物理”教學(xué)往往只注重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)于這門課程，學(xué)生實(shí)際上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)或日常實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)非常少，脫離了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，缺乏實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理過(guò)程，學(xué)生對(duì)抽象的物理概念理解不深刻。缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬訓(xùn)練的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)也導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法把理論知識(shí)運(yùn)用到后來(lái)的科研實(shí)踐當(dāng)中。動(dòng)手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理論知識(shí)也不利用學(xué)生提高自主創(chuàng)新能力[2]。學(xué)生往往只注重半導(dǎo)體物理理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而動(dòng)手能力差。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的缺乏，不能把理論與實(shí)際有效結(jié)合，使理論知識(shí)與實(shí)踐操作相背離。

（三）學(xué)生考核評(píng)價(jià)方式單一

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師是學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定的唯一主體。這種評(píng)定方式局限于站在教師角度去評(píng)價(jià)學(xué)生，較為片面。對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)，教師普遍采取傳統(tǒng)的“一考定全局”的評(píng)定方式。然而這種評(píng)價(jià)方式存在一定的偶然性，并不能很好的反映出學(xué)生對(duì)知識(shí)整體的掌握程度以及創(chuàng)新實(shí)踐的綜合能力。“考試”這一傳統(tǒng)的考核方式，僅僅能反映出學(xué)生應(yīng)對(duì)考試能力以及對(duì)書本內(nèi)容的掌握程度，而不能很好地反映出學(xué)生對(duì)書本內(nèi)容以外知識(shí)的掌握程度以及自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（四）教學(xué)方法傳統(tǒng)局限、缺乏創(chuàng)新

目前《半導(dǎo)體物理》教學(xué)仍然采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即“教師講學(xué)生聽(tīng)”，由于該課程內(nèi)容繁多復(fù)雜，這種單一的教學(xué)模式使學(xué)生感到枯燥乏味，對(duì)老師產(chǎn)生“依賴感”。此外，由于教學(xué)資源有限，學(xué)生難以對(duì)抽象的物理概念例如半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入理解，不少學(xué)生出現(xiàn)讀死書甚至背題的現(xiàn)象。這種缺乏師生之間、學(xué)生與學(xué)生之間交流互動(dòng)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，磨滅了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，有礙于發(fā)展學(xué)生的探索精神，不利于半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[3]。

三、“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革與實(shí)踐

（一）采用STEM教育理念的教學(xué)模式

在《半導(dǎo)體物理》的教學(xué)中，教師需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念。將“教師灌輸式的講授，學(xué)生被動(dòng)地接受”這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體，教師引導(dǎo)的新型教學(xué)模式，將STEM理念融合到教學(xué)當(dāng)中。將科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)四門學(xué)科融入到《半導(dǎo)體物理》中，培養(yǎng)學(xué)生形成跨學(xué)科學(xué)習(xí)的思維方式，將被動(dòng)式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈骄康慕虒W(xué)模式。將學(xué)生分為小組，課堂上提出問(wèn)題，小組圍繞跨學(xué)科前沿科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行開(kāi)放式討論，由此激發(fā)學(xué)生求知欲。例如，以光電、電氣、微電子等多學(xué)科為背景，在教學(xué)過(guò)程中提出怎樣制備各種半導(dǎo)體器件，怎樣測(cè)試半導(dǎo)體材料禁帶寬度等問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科交流討論。這種教學(xué)模式以課堂提出問(wèn)題-學(xué)生課后查閱資料-分組討論-學(xué)生課堂講解-教師點(diǎn)評(píng)為主線，旨在提高師生參與熱情，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思考方式，樹立創(chuàng)新意識(shí)，培育具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。教師亦可在課堂上提出相關(guān)課題，例如半導(dǎo)體前沿工藝調(diào)查、半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展等，讓學(xué)生自行選擇參與，在課堂上與大家分享成果，進(jìn)一步提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力[4]。還可以通過(guò)定期舉辦半導(dǎo)體知識(shí)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，鼓勵(lì)全校學(xué)生參加以“半導(dǎo)體物理講壇”為龍頭的學(xué)術(shù)科技報(bào)告活動(dòng)，普及半導(dǎo)體科技創(chuàng)新知識(shí)，追蹤學(xué)術(shù)前沿動(dòng)態(tài)。

（二）注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力

為了促進(jìn)多學(xué)科交叉融合以及培養(yǎng)適應(yīng)市場(chǎng)的應(yīng)用型復(fù)合人才，圍繞培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)踐能力、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、社會(huì)適應(yīng)能力”和協(xié)調(diào)發(fā)展的主線，需要解決理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的平衡性。借助老師們手中的實(shí)踐平臺(tái)，安排學(xué)生進(jìn)入項(xiàng)目工作，充分利用各級(jí)各類科研實(shí)驗(yàn)室的人才和設(shè)備資源及科研項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)積極支持本科教學(xué)，倡導(dǎo)本科生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。一方面，增設(shè)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)如四探針?lè)y(cè)量電阻率、P-N導(dǎo)電類型鑒別、激光測(cè)定單晶硅的晶向、橢圓偏振光譜法測(cè)量單晶硅的光學(xué)常數(shù)到一些綜合性實(shí)驗(yàn)，另外可以在理論教學(xué)中，對(duì)已有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)如伏安特性實(shí)驗(yàn)、LED發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中與半導(dǎo)體物理相關(guān)原理的講解，使學(xué)生充分理解半導(dǎo)體的相關(guān)知識(shí)。另一方面，為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生綜合素質(zhì)，進(jìn)而更好地整合行業(yè)資源，集聚校企優(yōu)勢(shì)，有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)與高等教育的有機(jī)融合，尋求科研牽線搭橋，發(fā)揮高校、企業(yè)的互補(bǔ)作用，在校企雙方平衡利益的前提下，建立聯(lián)合培養(yǎng)基地進(jìn)行合作，增加學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)和企業(yè)實(shí)習(xí)，校方負(fù)責(zé)學(xué)生的理論教學(xué)，而企方負(fù)責(zé)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，共同培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，從而實(shí)現(xiàn)校方和企業(yè)合作雙贏，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合[5]。

（三）轉(zhuǎn)變?cè)u(píng)價(jià)方式，建立長(zhǎng)效激勵(lì)制度

從教師層面出發(fā)，我們實(shí)行形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的全程評(píng)價(jià)方式，在不同階段對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，如在結(jié)束“半導(dǎo)體物理”每章內(nèi)容教學(xué)后，舉行一次小測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)形式可以是考試，也可以是相關(guān)課題匯報(bào)、分組討論等形式。平時(shí)測(cè)驗(yàn)成績(jī)與期末成績(jī)按照一定比例相結(jié)合成為學(xué)生最終成績(jī)。這種方式可以減小一定偶然性，相對(duì)公平地對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行評(píng)定，也可以激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)平時(shí)每一節(jié)課，每一章內(nèi)容，而不是“臨時(shí)抱佛腳”式的考前突擊。

從學(xué)生層面出發(fā)，俗話說(shuō)“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行看個(gè)人”，學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，不僅需要教師教學(xué)方法、培養(yǎng)方案、評(píng)價(jià)方法的相應(yīng)的改變，更需要培養(yǎng)學(xué)生樹立創(chuàng)新理念，掌握科研實(shí)踐技能。我們課上開(kāi)展半導(dǎo)體相關(guān)課題的匯報(bào)活動(dòng)，根據(jù)匯報(bào)成果予以相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，課下開(kāi)展半導(dǎo)體科研項(xiàng)目相關(guān)的專題講座、網(wǎng)絡(luò)宣傳、現(xiàn)場(chǎng)參觀等活動(dòng)，學(xué)生參與后提交參與活動(dòng)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告內(nèi)容予以相應(yīng)的評(píng)價(jià)，這些措施旨在讓學(xué)生接觸、了解半導(dǎo)體領(lǐng)域的科研活動(dòng)，認(rèn)識(shí)創(chuàng)新能力培養(yǎng)對(duì)個(gè)人發(fā)展的重要性，盡早樹立創(chuàng)新理念，培養(yǎng)實(shí)踐能力，奠定創(chuàng)新基礎(chǔ)。

從學(xué)院層面出發(fā)，一來(lái)，應(yīng)建立長(zhǎng)效激勵(lì)制度，提供專項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)按照學(xué)生科研成果、參與科研活動(dòng)的熱情度來(lái)確定，從精神、物質(zhì)上鼓勵(lì)學(xué)生參與科研活動(dòng)。二來(lái)，不僅對(duì)學(xué)生的考核非常重要，學(xué)院對(duì)教師的考核也具有一定的重要性。學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)不僅需要學(xué)生自己的配合，也需要教師積極主動(dòng)地配合。完善教師考核、績(jī)效評(píng)價(jià)體系，引導(dǎo)教師參與對(duì)本科生的科研指導(dǎo)工作。通過(guò)學(xué)生、教師、學(xué)院三方面的協(xié)助、配合，大大提升了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的高效性。

（四）引入Materials Studio計(jì)算軟件，提高科研能力

由于“半導(dǎo)體物理”教學(xué)注重概念和理論學(xué)習(xí)，學(xué)生往往無(wú)法將課堂所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際科學(xué)研究之中，造成理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作脫節(jié)。對(duì)此，應(yīng)追蹤國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體前沿技術(shù)發(fā)展，不斷補(bǔ)充完善教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生充分感受到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際科研中重要作用，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣?！鞍雽?dǎo)體物理”涉及到半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等抽象問(wèn)題。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件有限，部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。Materials Studio是一款能建立三維結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各種晶體、無(wú)定型以及高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過(guò)程進(jìn)行深入的研究的模擬計(jì)算軟件。Materials Studio軟件中CASTEP模塊可以計(jì)算半導(dǎo)體、金屬、陶瓷等晶體的諸多特性，例如表面化學(xué)、電子結(jié)構(gòu)（能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度）、光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷性質(zhì)等。引入Materials Studio軟件學(xué)習(xí)，可以更加形象化演示一些抽象的物理概念和模型，將理論學(xué)習(xí)與科學(xué)實(shí)踐有效結(jié)合。學(xué)生通過(guò)自己搭建半導(dǎo)體材料模型，計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電子局域函數(shù)等性質(zhì)，能更深刻地理解半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、價(jià)帶導(dǎo)帶、費(fèi)米能級(jí)、載流子運(yùn)動(dòng)、直接帶隙間接帶隙等問(wèn)題。例如，在學(xué)習(xí)P-N結(jié)形成過(guò)程時(shí)，通過(guò)計(jì)算在硅中摻雜不同雜質(zhì)后能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的變化，可以發(fā)現(xiàn)，摻入三價(jià)元素硼以后，隨著摻雜濃度不斷提高，費(fèi)米能級(jí)逐漸向價(jià)帶靠近，摻入五價(jià)元素磷以后，隨著摻雜濃度不斷提高，費(fèi)米能級(jí)逐漸向?qū)Э拷?。此外，學(xué)生亦可在課外對(duì)Materials Studio軟件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)探究，例如計(jì)算吸附、異質(zhì)結(jié)等問(wèn)題，為科研打下良好的基礎(chǔ)。引入Materials Studio軟件，可以有效將教學(xué)與科研相結(jié)合，將所學(xué)理論知識(shí)活學(xué)活用，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手和創(chuàng)新能力[6]。

除此以外，通過(guò)講座和示范，老師提供相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生逐步掌握文獻(xiàn)檢索、儀器使用、論文寫作等基本科研技能，從而能夠?yàn)橹蟮捻?xiàng)目進(jìn)行以及學(xué)生未來(lái)的科研道路打好基礎(chǔ)。一些表現(xiàn)優(yōu)異，做出相關(guān)成果的學(xué)生也可以以此為基礎(chǔ)，根據(jù)自己的成果撰寫相關(guān)的論文。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，老師需要對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤，及時(shí)了解學(xué)生的相關(guān)進(jìn)展，為學(xué)生科研的選題、立項(xiàng)、研究的開(kāi)展及成果申報(bào)等方面提供智力支持，幫助和督促學(xué)生執(zhí)行研究計(jì)劃?？梢酝ㄟ^(guò)定期的匯報(bào)組會(huì)，了解學(xué)生的近期工作進(jìn)行及時(shí)的指導(dǎo)或者相關(guān)的調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生參與科研的討論，交流在科研過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及相關(guān)的心得和想法。

四、結(jié)束語(yǔ)

“半導(dǎo)體物理”學(xué)科交叉性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)繁多，許多學(xué)生對(duì)此學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)起來(lái)存在一定的困難。而現(xiàn)代半導(dǎo)體物理技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才的需求不斷提高。筆者基于STEM教學(xué)理念，通過(guò)在“半導(dǎo)體物理”教學(xué)過(guò)程中將“教師講，學(xué)生聽(tīng)”這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，教師引導(dǎo)的新型教學(xué)模式，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)、轉(zhuǎn)變?cè)u(píng)價(jià)方式、建立長(zhǎng)效激勵(lì)制度以及引入Materials Studio軟件學(xué)習(xí)的四大主要措施，引導(dǎo)學(xué)生形成跨學(xué)科思維方式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力，將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到科學(xué)研究當(dāng)中。

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