產(chǎn)學(xué)研結(jié)合背景下的“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革

陳顯平 陶璐琪

[摘 要] 近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)，以及5G通信技術(shù)的逐步普及與商業(yè)化，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來又一輪快速發(fā)展的機(jī)遇期。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)相關(guān)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。在重慶大學(xué)教改項(xiàng)目的支持下，擬對(duì)“半導(dǎo)體物理”課程進(jìn)行一系列教學(xué)改革。此次改革側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)新思維，通過產(chǎn)業(yè)、教學(xué)、研究相結(jié)合的方式，追蹤行業(yè)發(fā)展前沿，采用探討式教學(xué)法，有效地提高了學(xué)生的積極性和教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 半導(dǎo)體物理;產(chǎn)學(xué)研結(jié)合;仿真;工程導(dǎo)向

[基金項(xiàng)目] 2019年度重慶大學(xué)“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”（2019Y21）;2019年度重慶大學(xué)光電工程學(xué)院“基于科研項(xiàng)目導(dǎo)向與興趣驅(qū)動(dòng)的光電工程本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)研究”（2019J01）

[作者簡介] 陳顯平（1979—），男，重慶人，博士，重慶大學(xué)光電工程學(xué)院教授，主要從事先進(jìn)傳感器與感知技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)、封裝及可靠性研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）21-0061-04? ?[收稿日期] 2020-10-23

一、引言

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)，以及5G通信技術(shù)的逐步普及與商業(yè)化，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來又一輪快速發(fā)展的機(jī)遇期。當(dāng)前，集成電路產(chǎn)品已成為我國最大宗進(jìn)口產(chǎn)品，2018年我國集成電路貿(mào)易逆差突破2000億美元大關(guān)，并且仍在擴(kuò)大。中國芯片自給率目前不足30%，與美、日、韓等國家仍存在較大差距。我國政府一直以來高度重視本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是自2018年中美貿(mào)易摩擦以來，政府對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的扶持力度明顯加大，正在從過去的科研經(jīng)費(fèi)扶持方式向以國際并購、股權(quán)投資、產(chǎn)業(yè)鏈整合為主的時(shí)代過渡，本土企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)及先進(jìn)工藝方面的競爭力有所增強(qiáng)。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展，人才先行。人才、設(shè)備、資金是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。特別是作為人才密集型產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)高端人才有著巨大的需求。目前產(chǎn)業(yè)相關(guān)人才仍存在較大缺口，這就對(duì)我國的高等教育特別是微電子相關(guān)專業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。作為國內(nèi)微電子相關(guān)專業(yè)的核心課程，“半導(dǎo)體物理”更需要保證教學(xué)質(zhì)量。

二、“半導(dǎo)體物理”教學(xué)現(xiàn)狀及面臨的困難

“半導(dǎo)體物理”是微電子學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)中一門承前啟后的課程，也是基礎(chǔ)類課程與專業(yè)課程之間的紐帶。其先修課程包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、量子力學(xué)、固體物理等?！鞍雽?dǎo)體物理”一般開設(shè)時(shí)間為大三上學(xué)期，學(xué)生已基本修完前期課程。因該課程的特殊性，在實(shí)際教學(xué)過程中仍存在較多問題?！鞍雽?dǎo)體物理”是研究半導(dǎo)體電子狀態(tài)、原子狀態(tài)及半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)過程的一門學(xué)科，是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)。由于這門課的學(xué)科交叉性強(qiáng)、公式推導(dǎo)復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)繁多、覆蓋知識(shí)面廣、物理概念抽象，涉及固體物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué)、材料科學(xué)等其他基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，導(dǎo)致大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理”課程時(shí)存在一定程度的困難?！鞍雽?dǎo)體物理”是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)生未來就業(yè)發(fā)展緊密相關(guān);因此，迫切需要對(duì)相關(guān)課程的教學(xué)方法和策略進(jìn)行改革。

（一）理論性較強(qiáng)，內(nèi)容較為抽象

“半導(dǎo)體物理”是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，其物理概念抽象、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)等先修學(xué)科的理論知識(shí)儲(chǔ)備。[1]此外，相關(guān)專業(yè)所學(xué)課程較多，而一些課程的學(xué)時(shí)較少，導(dǎo)致學(xué)生沒有足夠的時(shí)間去消化吸收，教師也沒有足夠的時(shí)間去詳細(xì)地展開講授，這也加大了“半導(dǎo)體物理”教學(xué)的難度。[2]在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往側(cè)重理論計(jì)算與公式推導(dǎo)，課程內(nèi)容抽象，教學(xué)缺乏吸引力，因此部分學(xué)生感覺學(xué)習(xí)吃力，難以理解，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)態(tài)度消極，缺乏自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。此外，半導(dǎo)體技術(shù)更新迅速，新的科研成果不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)科交叉更加深入，而教師難以在課上時(shí)間覆蓋所有的知識(shí)內(nèi)容，需要學(xué)生在課下主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索相關(guān)的知識(shí)。因此，如何激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性就顯得尤為重要。[3]

（二）教學(xué)方式單一，學(xué)生缺乏積極性

“半導(dǎo)體物理”因其課程特性，目前絕大多數(shù)高校仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即以教師講授為主，學(xué)生在課堂上的參與度不高，形式上仍以“填鴨式”為主。這種教學(xué)方式既不利于教師的教，也不利于學(xué)生的學(xué)。教師在上課過程中得不到反饋，學(xué)生也缺乏參與感，容易產(chǎn)生抵觸心理，最終導(dǎo)致教學(xué)效果較差。而且在現(xiàn)行考核模式下，教師沒有改變教學(xué)方式的動(dòng)力，學(xué)生更多關(guān)注的是成績及績點(diǎn)。[4]

（三）教材的選擇不夠合理

目前國內(nèi)多數(shù)高校采用的《半導(dǎo)體物理》教材是劉恩科、羅晉生主編的，該教材較為全面地論述了半導(dǎo)體物理的相關(guān)基礎(chǔ)理論，包括半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、p-n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、表面態(tài)等問題。但該教材對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，難度較高，部分重難點(diǎn)內(nèi)容難以理解吸收。[5]而國外教材雖然相對(duì)來說更為適用，但因?qū)W生英語水平參差不齊，對(duì)英文原版教材的接受度不高，反而會(huì)增加學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，進(jìn)一步降低學(xué)生的積極性。[6]

（四）教學(xué)與科研、工程應(yīng)用缺乏聯(lián)系

“半導(dǎo)體物理”教學(xué)往往側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)或日常實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)非常少，缺少實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證物理過程的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)抽象物理概念的理解不深刻;缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬訓(xùn)練的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生無法把理論知識(shí)運(yùn)用到科研實(shí)踐中。“半導(dǎo)體物理”課程因其本身以理論分析為主的特點(diǎn)，學(xué)生在上課過程中較少有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，而半導(dǎo)體物理的后續(xù)課程均與工程實(shí)際有較密切的聯(lián)系，這就造成理論與工程實(shí)際脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。目前大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)條件達(dá)不到正常教學(xué)的要求，這給“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革帶來了困難。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)，也不利于學(xué)生提高自身的創(chuàng)新能力。學(xué)生往往只注重對(duì)“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。