地方普通本科高?！栋雽?dǎo)體物理》雙語教學(xué)實(shí)踐與探索*

邵靜 孟維利 程宏偉

（蚌埠學(xué)院數(shù)理學(xué)院）

地方普通本科高校向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型是我國(guó)優(yōu)化高等教育結(jié)構(gòu)、促進(jìn)地方普通本科高校健康持續(xù)發(fā)展、提升本科畢業(yè)生質(zhì)量與就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重大戰(zhàn)略舉措[1]。根據(jù)教育部頒布的《關(guān)于地方普通本科高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導(dǎo)意見》，全國(guó)地方高校掀起了一場(chǎng)轉(zhuǎn)型熱潮[2-5]。為響應(yīng)《指導(dǎo)意見》的號(hào)召，蚌埠學(xué)院將對(duì)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)更新為“培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才”。理學(xué)院材料物理專業(yè)積極向這一培養(yǎng)目標(biāo)靠攏，將材料物理、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程相結(jié)合，增強(qiáng)了專業(yè)的工科屬性，也決定了材料物理專業(yè)建設(shè)的方向?；诓牧衔锢韺I(yè)新增的光電方向內(nèi)容，培養(yǎng)方案中設(shè)置了《太陽能電池基礎(chǔ)》《光電功能材料與器件》《光電顯示與光全息存儲(chǔ)》《信息功能材料學(xué)》等光電特色鮮明的課程。而《半導(dǎo)體物理》是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，它主要介紹了半導(dǎo)體材料和器件中的重要物理現(xiàn)象，闡述了半導(dǎo)體物理性質(zhì)和理論，確定了半導(dǎo)體有關(guān)物理量的實(shí)驗(yàn)方法[6]。課程的目的和任務(wù)是使學(xué)生獲得半導(dǎo)體物理方面的基本理論、基本知識(shí)和方法，為上述課程的學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。

作為材料物理專業(yè)必修課，《半導(dǎo)體物理》涉及大量的模型、概念和公式，需要較多的理論知識(shí)作為前提，涉及量子力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、電動(dòng)力學(xué)和固體物理等學(xué)科[7]。而材料物理專業(yè)學(xué)生已經(jīng)完成了這些先導(dǎo)課程，具有一定的理論基礎(chǔ)。在這一背景下，學(xué)生仍然在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)了“覺得枯燥”“課程內(nèi)容很難”等負(fù)面的學(xué)習(xí)反饋，而學(xué)期末的考核結(jié)果也表明學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握有限。為了改變這一現(xiàn)象，首先要從采用新的教學(xué)方法，提高教師個(gè)人教學(xué)能力著手。經(jīng)教研團(tuán)隊(duì)研討分析，認(rèn)為可以吸取前人經(jīng)驗(yàn)[8-10]，首先進(jìn)行相對(duì)容易開展的“雙語教學(xué)”課程改革。一方面，推動(dòng)雙語教學(xué)課程建設(shè)，探索有效的教學(xué)方法和模式，可以切實(shí)提高大學(xué)生的專業(yè)英語水平和直接使用英語從事科研的能力[11]。另一方面，我們希望通過該教學(xué)實(shí)踐，推動(dòng)任課教師重新梳理教學(xué)內(nèi)容，調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容的難度，改變教學(xué)思路，探索出能夠提升教學(xué)質(zhì)量和提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的方法，同時(shí)為其他課程教學(xué)提供參考。我們?cè)?018級(jí)材料物理和2019級(jí)材料物理的《半導(dǎo)體物理》課程教學(xué)中試行了雙語教學(xué)?，F(xiàn)在基于此淺談一下雙語課程教學(xué)的探索與實(shí)踐所得。

一、梳理教學(xué)內(nèi)容，調(diào)節(jié)雙語課程內(nèi)容難度和廣度

半導(dǎo)體物理教材涉及的知識(shí)點(diǎn)范圍廣，部分內(nèi)容難度較大。經(jīng)典的中文教程（劉恩科版[12]）包括半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)和半導(dǎo)體的性質(zhì)三部分，而經(jīng)典的英文教程（尼曼版）[13]囊括了半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)和半導(dǎo)體基本器件三部分。受工科專業(yè)培養(yǎng)方向?qū)蛴绊?，本理論課程僅設(shè)置了48課時(shí)教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，難以覆蓋所有教材內(nèi)容。通過評(píng)估蚌埠學(xué)院學(xué)生一般水平，本課程教學(xué)內(nèi)容以半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)為主，并將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于半導(dǎo)體器件，前者包括量子力學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)、非平衡載流子、載流子輸運(yùn)章節(jié)，后者包括半導(dǎo)體pn結(jié)，金屬-半導(dǎo)體的接觸和場(chǎng)效應(yīng)晶體管章節(jié)。為了增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的目的性，有必要建立一條章節(jié)脈絡(luò)，幫助學(xué)生理清課程學(xué)習(xí)思路。如圖1所示，在課程緒論部分就可以以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例向?qū)W生介紹半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。作為半導(dǎo)體物理課程中涉及的主要器件類型，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）結(jié)構(gòu)明確，工作原理容易描述，非常適合為尚未接觸半導(dǎo)體物理的學(xué)生作基礎(chǔ)講解。MOSFET的結(jié)構(gòu)涉及三種基本結(jié)構(gòu)單元—MOS capacitor（金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器），MS junction（金屬-半導(dǎo)體結(jié)）和pn junction（pn結(jié)），想要獲得MOSFET的工作曲線（characteristics）則需要了解這三種結(jié)構(gòu)在外加電場(chǎng)作用下的電流密度-電壓關(guān)系（J-V），而作為組成這三種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)單元，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與半導(dǎo)體中載流子密度n有關(guān)，n又取決于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)（E～k）。采用這種倒敘的方法可以向?qū)W生清晰地展示課程學(xué)習(xí)順序，在之后的課程學(xué)習(xí)中，隨時(shí)可以調(diào)出該“脈絡(luò)”，以幫助學(xué)生明確章節(jié)學(xué)習(xí)目的。

圖1 課程學(xué)習(xí)脈絡(luò)

除了建立一條較為明確的學(xué)習(xí)脈絡(luò)，還需要考慮教學(xué)所涉章節(jié)過多，因此有必要對(duì)每章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行篩選，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的難度和廣度。如量子力學(xué)基礎(chǔ)部分時(shí)僅需要介紹單電子模型（一維無限深勢(shì)阱）到半導(dǎo)體內(nèi)的電子模型（理想單晶的周期性勢(shì)場(chǎng)）的衍變對(duì)電子能態(tài)的影響，半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)部分以半導(dǎo)體的E～k關(guān)系為主，不再介紹k空間等能面相關(guān)的內(nèi)容，非平衡載流子部分刪除載流子間接復(fù)合的內(nèi)容，pn結(jié)部分省略J-V關(guān)系的具體推導(dǎo)過程，主要介紹理想物理模型和實(shí)際情況下J-V曲線的偏離，MS結(jié)部分略過實(shí)際肖特基勢(shì)壘相關(guān)內(nèi)容，場(chǎng)效應(yīng)晶體管只介紹晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理，不再介紹晶體管傳輸或轉(zhuǎn)移特性曲線的偏移。簡(jiǎn)言之，盡量減少?gòu)?fù)雜計(jì)算推導(dǎo)在授課過程中的比例，降低學(xué)生的畏難情緒。

二、融合中英文教材優(yōu)點(diǎn)，定量計(jì)算和定性理解相結(jié)合

中文教材內(nèi)容更傾向于通過公式來解釋相應(yīng)的現(xiàn)象和規(guī)律，因此物理模型涉及的推導(dǎo)過程更加嚴(yán)謹(jǐn)，定量計(jì)算占比較大，知識(shí)點(diǎn)較為發(fā)散，總體難度較大。而地方高校學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往對(duì)教材依賴過重，容易對(duì)課程產(chǎn)生一種“難度大”的初印象，從而陷入畏難情緒。英文教材對(duì)物理模型的推導(dǎo)多采用類比或直接套用既有結(jié)論的方式，描述方式更加生動(dòng)形象，理解起來相對(duì)簡(jiǎn)單。以有效質(zhì)量為例，英文教材中直接對(duì)微觀電子使用牛頓第二定律，引出有效質(zhì)量的概念（1），而關(guān)于電子有效質(zhì)量表達(dá)式的推導(dǎo)，英文教材中直接代入微觀粒子動(dòng)量和能量的關(guān)系，對(duì)此公式兩側(cè)求導(dǎo)變形可得到有效質(zhì)量的表達(dá)式（2）；而中文教材中首先采用泰勒級(jí)數(shù)展開的方式求得能帶極值附近的電子的有效質(zhì)量表達(dá)式（3），再通過有效質(zhì)量表達(dá)微觀電子的速度和加速度（4），最后圍繞這幾個(gè)公式解釋有效質(zhì)量的概念和意義。英文教材中類比的方式雖然能夠簡(jiǎn)化公式推導(dǎo)過程，但這種方式有時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分概念不夠清晰。如非平衡半導(dǎo)體中過剩載流子的雙極輸運(yùn)問題，英文教材提出了雙極輸運(yùn)的概念，簡(jiǎn)單推導(dǎo)了雙極輸運(yùn)方程，但是并沒有對(duì)雙極輸運(yùn)現(xiàn)象的成因給出明確的解釋，學(xué)生很難理解“過剩電子和過剩空穴能夠以共同的遷移率和擴(kuò)散速度共同運(yùn)動(dòng)”的成因。而中文教材淡化了雙極輸運(yùn)的概念，通過丹倍效應(yīng)解釋了附加電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)連續(xù)性方程的影響。因此在雙語教學(xué)過程中，雖然以英文教材為主，但可以在教授某些知識(shí)點(diǎn)時(shí)吸取更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹形乃季S的特點(diǎn)，通過定量計(jì)算和定性理解相結(jié)合的方式，使學(xué)生更容易接受和理解課程內(nèi)容。

此外，中英文教材對(duì)每章節(jié)前言部分的處理也不同。中文教材每一章前言主要概述本章重點(diǎn)內(nèi)容，而英文教材每章前沿部分包含對(duì)前一章內(nèi)容的簡(jiǎn)單總結(jié)和對(duì)本章內(nèi)容的概述，起到了承上啟下的作用，建立了課程學(xué)習(xí)過程中章節(jié)間的聯(lián)系，對(duì)于學(xué)生把握整體學(xué)習(xí)框架更為有利。

三、靈活調(diào)整中英文授課比例

雙語課程教學(xué)過程中必然需要使用中、英兩種語言進(jìn)行授課，但中、英文的比例需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分配。地方高校學(xué)生英語水平普遍不是很高，雙語學(xué)習(xí)的經(jīng)歷也較少，對(duì)全英文教學(xué)的接受能力很低。使用少量英文詞匯授課時(shí)更能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生聽課積極性，但英文使用比例過高時(shí)，反而可能使學(xué)生滋生畏難心理。因此，有必要隨時(shí)根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)調(diào)整授課過程中教學(xué)課件和講解中的中英文比例。筆者在教學(xué)過程中，開始時(shí)使用中/英（7/3）口語+全英文課件進(jìn)行緒論部分授課，后調(diào)整為中文口語+中/英文（3/7）課件，而涉及器件物理部分調(diào)整為中文口語+中/英（1/1）課件。本質(zhì)上，雙語教學(xué)是一種教學(xué)改革方法，而教學(xué)改革的目的是提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生聽課質(zhì)量。雖然使用雙語教學(xué)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，克服學(xué)生對(duì)繼續(xù)深造的畏難情緒，但使學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容才是根本。雙語教學(xué)應(yīng)切忌本末倒置。

四、理論與實(shí)踐相結(jié)合，注重基礎(chǔ)理論的應(yīng)用

《半導(dǎo)體物理》課程教學(xué)中基礎(chǔ)理論部分占據(jù)約80%的內(nèi)容，雖然教學(xué)中基于物理模型的適量的推導(dǎo)不可缺少，但公式推導(dǎo)過程不是重點(diǎn)，結(jié)合物理模型增強(qiáng)學(xué)生對(duì)公式的理解，掌握其應(yīng)用才是核心。在教學(xué)過程中將所學(xué)的理論或公式與具體應(yīng)用聯(lián)系起來，也可以避免漫長(zhǎng)的理論學(xué)習(xí)過于空泛。如在介紹半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能時(shí)，以石墨烯透明電極的研究為例，分析本征石墨烯和摻雜石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別，了解本征石墨烯載流子遷移率高但電導(dǎo)率較低的特點(diǎn)，理解摻雜在提升石墨烯導(dǎo)電性能中的作用；在講解pn結(jié)的結(jié)構(gòu)時(shí)，以太陽能電池和發(fā)光二極管為例，介紹內(nèi)建電場(chǎng)的作用，前者使電子-空穴對(duì)分離，后者在正向偏壓下形成一薄層，成為電子-空穴復(fù)合薄層，從而實(shí)現(xiàn)輻射復(fù)合。我們同學(xué)期還開設(shè)了《光電功能材料與器件》實(shí)驗(yàn)課程，課程中設(shè)置了硅基光電池性能，LED二極管發(fā)光性能等實(shí)驗(yàn)，與半導(dǎo)體物理課程內(nèi)容一致，能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。此外，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，還可以適量的摘選相關(guān)英文文獻(xiàn)進(jìn)行解讀，使學(xué)生了解如何應(yīng)用所學(xué)半導(dǎo)體物理知識(shí)分析和解決實(shí)際問題。

五、豐富教學(xué)素材和教學(xué)方法

為了使教學(xué)過程更加生動(dòng)形象，任課教師應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，豐富教學(xué)課件的演示形式。而根據(jù)不同的演示方式的需要，教師也應(yīng)靈活采用與之相適應(yīng)的教學(xué)方法。應(yīng)該重點(diǎn)標(biāo)出需要掌握的核心結(jié)論或公式，并圍繞該結(jié)論或公式進(jìn)行針對(duì)性練習(xí)，每章節(jié)結(jié)束后應(yīng)對(duì)本章重要結(jié)論或公式進(jìn)行歸納總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)加深印象。對(duì)于涉及復(fù)雜計(jì)算的知識(shí)點(diǎn)，可以采用圖解法幫助學(xué)生更加迅速地了解公式推導(dǎo)過程，如半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)（E～k關(guān)系）的推導(dǎo)。采用對(duì)比法也可以幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，如通過圖示對(duì)比可以將正向偏壓、零偏壓和反向偏壓下pn結(jié)結(jié)區(qū)電場(chǎng)變化與結(jié)區(qū)電勢(shì)/能級(jí)變化和結(jié)區(qū)寬度變化對(duì)應(yīng)起來。此外，靈活插入演示視頻可以直觀地向?qū)W生展示相關(guān)的物理過程或現(xiàn)象。如介紹MOSFET的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用時(shí)，可以插入介紹芯片加工過程或晶體管之于芯片的短視頻[14，15]。靈活多樣的教學(xué)方法可以改變枯燥乏味的被動(dòng)式學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

綜上所述，筆者重新梳理了《半導(dǎo)體物理》雙語課程的教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)刪減了教學(xué)內(nèi)容并降低了教學(xué)內(nèi)容的難度，使之適用于我院學(xué)生；在教學(xué)過程中吸取了中英文教材的優(yōu)點(diǎn)，抽象思維與具象思維并行，理論與實(shí)踐相結(jié)合，并采用靈活多變的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生理解相關(guān)理論知識(shí)，并鍛煉了其應(yīng)用理論知識(shí)分析并解決實(shí)際問題的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩屆雙語課程實(shí)踐確實(shí)產(chǎn)生了一定的教學(xué)效果。本課程期末考核通過率提升了約15%，而畢業(yè)生中選擇半導(dǎo)體物理相關(guān)方向就業(yè)或繼續(xù)深造的比例也增加至35%。雖然導(dǎo)致該結(jié)果的因素較為復(fù)雜，但我們確實(shí)從此次雙語教學(xué)實(shí)踐中看到了提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的可能。本課程雙語教學(xué)過程所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)也為蚌埠學(xué)院材料物理專業(yè)其他課程改革提供了參考。