地方院?！鞍雽w物理實驗”教學的改革實踐

張 超， 封先鋒， 李世光， 臧 源， 馬 麗

(1. 西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048 2. 西安理工大學 理學院，陜西 西安 710054)

0 引言

集成電路產業(yè)是信息技術產業(yè)的核心，是支撐社會經濟發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)。集成電路的基石即半導體相關技術已經成為制約我國進一步發(fā)展的“卡脖子問題”。對集成電路相關半導體技術人才的教育和培養(yǎng)，是保證集成電路產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

“半導體物理”是電子科學與技術、微電子科學與工程、集成電路設計與集成系統(tǒng)等電子信息類專業(yè)的核心課程，內容涵蓋半導體物質結構和能帶結構、半導體載流子及其輸運性質、非熱平衡狀態(tài)下的半導體，pn結，金屬和半導體接觸，半導體表面與MIS結構,異質結與納米結構。該課程涉及理論知識面廣，基本概念繁多，公式推導復雜，學生在學習過程中往往只能機械記憶而難以理解各項參數的物理含義，難以將理論知識應用到具體的半導體專業(yè)實踐中去。因此，各高校都開設了不同層次不同形式的半導體物理實驗，通過實驗使學生深入理解理論知識，培養(yǎng)學生解決本領域復雜工程問題的能力。目前，各高校開設半導體物理實驗的形式內容都有所差異，特別是地方院校，限于教學經費與師資，存在一些不同程度的問題。因此，為了提高實驗教學效果，加強人才培養(yǎng)質量，本文針對目前半導體物理實驗的現(xiàn)狀進行了總結，從實驗教師隊伍、實驗設備、實驗教學內容、實驗教學方法、實驗考核方式、實驗安全等多個方面進行了改革實踐。

1 地方院校開設“半導體物理實驗”存在的困難

“半導體物理實驗”是面向電子信息類專業(yè)針對半導體物理的專業(yè)實驗課程，其內容涵蓋了半導體材料及器件相關特性參數的測量與表征。目前大部分院校的半導體物理實驗為獨立設課實驗，少部分院校將其設置為課內實驗。

近年來，多所高校針對“半導體物理實驗”教學進行了探索與改革。陳平等人將半導體物理實驗與工藝實習相結合，旨在培養(yǎng)學生的動手能力，但其課程銜接不適用于其他高校[1]。盛威等人提出了用半導體材料和器件模擬平臺搭建虛擬半導體實驗室，彌補部分實踐不足，但對學生實際工程能力的培養(yǎng)還有所欠缺[2]。盛英卓等人從教學內容和教學方式上對半導體物理實驗進行改革，取得了良好的教學效果[3]。連曉娟將材料計算軟件MS引入到教學當中，為半導體物理實驗教學提供了一個新的思路[4]。段曉玲等人從多角度探討了半導體工藝檢測課程實驗存在的問題，并給出了一定的應對措施[5]。通過以上的各種教學改革研究，半導體實驗教學在近年來取得了長足的進步。但值得注意的是，以上相當一部分半導體物理實驗教學改革是在雙一流高校中開展的，對于地方本科院校，還有許多問題亟待解決。

目前，地方院校“半導體物理實驗”課程教學普遍存在教師隊伍建設不足，實驗設備落后，教學內容陳舊，教學方法老套，考核方式單一，以及實驗安全弱化等多方面問題。具體分析如下。

1.1 教師隊伍建設不足

實驗教學隊伍在高校中往往不被重視，特別在地方院校更為突出。不同于博士師資的理論課教師，大部分地方高校實驗教師依然是碩士、本科學歷，缺乏相應的培訓再教育體系。有的高校將實驗教師歸在教學輔助人員，在管理上與專任師資差別對待，打擊了實驗教師隊伍的積極性。部分地方高校甚至沒有專職實驗教師而采取理論課教師兼職帶實驗的方式。由于實驗師資配備不足，導致實驗教師無暇進行教學研究和改革，間接造成了實驗教學內容陳舊、實驗教學方法老套的問題。實驗教學隊伍平均年齡偏大，青年教師不愿意進入實驗教學崗位。對于實驗教師隊伍的建設是保證實驗教學的首要條件，提高實驗教學隊伍綜合水平是目前急需解決的問題。

1.2 實驗設備落后

半導體物理實驗涉及面廣，需要多套精密昂貴的專業(yè)設備，如C-V測試儀，分光光度計，霍爾效應實驗儀等。地方高校由于教學經費所限，往往難以大量購買多套半導體實驗設備。目前多數地方院校中產于上世紀七八十年代的儀器仍然還在工作，其實驗方法早已落后先進的半導體技術，精度遠不能滿足實驗要求，教學效果大打折扣。

1.3 教學內容陳舊、教學方法老套、考核方式單一

近年來半導體行業(yè)飛速發(fā)展，半導體技術不斷更新，涌現(xiàn)了許多與半導體實驗相關的新內容。而目前的半導體物理實驗內容因循守舊，與先進技術差距較大，與行業(yè)實際應用脫節(jié)。對于半導體實驗內容的更新勢在必行。實驗教學方法方面，傳統(tǒng)的實驗教學大多為教師現(xiàn)場演示，由于設備場地限制，實驗分組人數較多，導致學生參與度不高，無法有效掌握實驗操作技能及實驗原理。實驗考核方式上，部分高校采取實驗報告平均成績加權得到最終實驗成績的方式，忽略了學生的操作技能及對實驗原理的理解與掌握，存在部分學生實驗報告互相抄襲的情況。因此，為保障良好的教學效果，培養(yǎng)高素質復合型人才，對于半導體物理實驗教學內容、實驗教學方法以及實驗考核方式都應該進行深入的改革。

1.4 實驗安全弱化

目前，多數高校在半導體物理實驗教學中，基本沒有涉及到對學生實驗安全的培訓。而半導體物理實驗涉及到多個危險源，如對硅單晶樣品進行缺陷觀察時，需要用到酸堿等危險化學品；在進行激光反射法及X射線衍射法測量單晶硅晶向使會有強激光及X射線產生；在汞探針法測量時，會用到有毒金屬汞。因此，對于學生實驗安全的教育是進行實驗教學的前提。

2 我校在“半導體物理實驗”中所采取的舉措

“半導體物理實驗”旨在培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題的能力，使學生在知識應用和基本實驗技能方面得到系統(tǒng)地訓練。我校結合自身地方高校特點，通過調研大量高校半導體物理實驗開設情況，采取多方面舉措，進行“半導體物理實驗”教學改革，以期提高實驗教學水平，培養(yǎng)具有解決復雜工程問題能力、符合現(xiàn)代社會及行業(yè)需求的復合型人才。

2.1 成立課程教學小組

實驗教師隊伍建設是實驗教學的基礎，針對實驗教學隊伍弱化，綜合實力不足等問題，我們成立了半導體物理實驗課程小組，定期進行課程小組教學研討會，對半導體實驗相關的新理論、新技術、新方法進行學習。加強同其他高校半導體實驗相關專家之間的交流學習。重視實驗教師隊伍的進修，選派實驗教師攻讀博士學位。通過以上舉措，可以較好的提升實驗教師隊伍綜合水平，為實驗教學提供有力保障。

2.2 更新實驗設備

實驗設備是實驗教學的平臺，良好的實驗設備是保證實驗教學效果的必要條件。由于地方高校教學經費所限，無法進行大批量先進設備的購置。因此，我們首先通過改變實驗授課方式，在半導體物體實驗室中同時開設不同實驗，每個實驗只需保證至少兩臺套的實驗設備即可正常運轉。在這種授課方式下，我們對實驗設備進行了分批次更新，購置了新型C-V測試儀、霍爾效應實驗儀、汞探針臺等設備。由于每種設備只購置兩套，且分批次進行，有效的解決了教學經費緊張的問題。這種模式下的實驗設備利用率得到了極大的提高。

2.3 優(yōu)化實驗教學內容

實驗教學內容是實驗教學的核心，是培養(yǎng)人才的核心關鍵點。對于半導體物理實驗教學內容的設置，各個學校各有側重。課程小組認為，半導體物理實驗上承“固體物理”、“半導體物理”等專業(yè)基礎課程，下啟“半導體器件”、“半導體工藝”、“半導體材料”等專業(yè)核心課程，同時還要為后續(xù)的專業(yè)生產實習打好基礎。半導體物理實驗內容應涵蓋半導體材料微觀結構、物理性質、基本參數以及半導體器件工藝參數的測試。而對于半導體材料的制備、激光器的應用等實驗應該在其他相關專業(yè)課程中開設，不應占據半導體物理實驗的主要內容。課程小組基于“半導體物理”課程教學內容及其與其他課程的連貫性，設置了多層次的實驗教學內容。具體實驗項目設置如表1所示。

表1 半導體物理實驗項目設置

半導體物理實驗分為三個層次，分別包括基礎型實驗五個，提高型實驗三個，綜合設計型實驗六個。基礎型和提高型實驗全部為必修，使得學生掌握基本的測量手段，理解相應半導體物理基本概念的物理含義，學會相對大型復雜儀器的使用，并應用于半導體物理相關參數測量中。綜合設計型實驗中半導體材料的光致發(fā)光測量實驗為必修，其余五個實驗為選修，但要求學生至少選做兩個。通過綜合設計型實驗，使得學生能夠針對相應測試目標，自主設計實驗方案，分析實驗結果，完成對學生能力的培養(yǎng)。

2.4 改進實驗教學方法，優(yōu)化實驗考核方式

課程小組利用云課堂，引入線上線下教學相結合的模式。通過提前發(fā)布實驗視頻，學生自主線下進行學習，課上教師隨機提問，有效解決學生實驗參與度不高，無法有效掌握實驗操作技能的問題。

由于原有實驗考核方式太過單一，無法真實有效的評測學生的學習成果。課程組設置了四模塊的考核方式，包括預習成績、實驗操作成績、實驗報告成績、實驗考試成績。通過多樣的考核手段，對學生進行多個維度的考察，取得了良好的效果。

2.5 開展實驗安全教育

實驗安全是一切工作的前提。課程組建立了實驗室安全考試系統(tǒng)，通過學生自主網上學習并進行答題，獲得實驗室準入許可證后方可開展實驗，有效的保障了實驗的安全開展。在實驗室安全考試的過程中，加入了半導體行業(yè)工程實踐對環(huán)境所產生的影響，培養(yǎng)了學生的工程職業(yè)道德，為后續(xù)生產實習等工程實踐活動打下良好的基礎。

3 實踐成效

我校“半導體物理實驗”教學多方面的改革均取得了顯著的效果。實驗課程小組的建立提高了實驗人才隊伍的綜合實力。實驗內容以及實驗設備的優(yōu)化更新為學生接觸專業(yè)前沿、貼近工程實際提供了機會，激發(fā)了學生的學習興趣。實驗教學方法的改革使得學生打破了時空的限制，通過線上預習、線下試驗、線上復習使得學生實驗參與度極大提高，促進了學生對于學習成果的鞏固。實驗考核方式的優(yōu)化改變了以往學生只重實驗結果，輕視實驗原理和實驗內容的現(xiàn)象，讓學生在能力、知識、素養(yǎng)多方面得到鍛煉。實驗安全考試系統(tǒng)的建立保障了學生實驗安全開展，并使得學生在安全、環(huán)境、工程職業(yè)道德等方面得到了培養(yǎng)。

4 結語

“半導體物理實驗”對于學生理論知識的深入理解以及工程實踐能力的培養(yǎng)十分重要。通過從實驗師資隊伍、實驗設備、實驗教學內容、實驗教學方法、實驗考核方式、實驗安全等多個方面對半導體物理實驗進行了一系列改革，有效的促進了半導體物理實驗的教學效果，為培養(yǎng)新時代半導體相關技術人才提供了有力保障。