面向新工科人才培養(yǎng)的半導(dǎo)體物理課程改革探討

曾凡焱，俞 挺，謝美蘭，屈耀輝

（1.南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江西 南昌 330063；2．江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022）

目前，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、新材料、新能源等新科技正快速改變著全球經(jīng)濟(jì)格局和工業(yè)發(fā)展模式，這些變化對(duì)現(xiàn)代工程技術(shù)人才的知識(shí)、能力、職業(yè)素質(zhì)和視野都提出了新要求。為培養(yǎng)新型工程創(chuàng)新人才，支撐和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)，2017年，教育部正式推出“新工科”計(jì)劃，并先后形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等指導(dǎo)性內(nèi)容，推動(dòng)工程教育界開展新一輪的教育教學(xué)改革，轉(zhuǎn)變工科教育范式。新工科教育范式提出，在專業(yè)課程教學(xué)中，要根據(jù)工程教育新模式的需要，積極創(chuàng)新教學(xué)方法和手段；要根據(jù)當(dāng)前科技發(fā)展，及時(shí)更新課程教學(xué)內(nèi)容[1]。

半導(dǎo)體物理是一門研究半導(dǎo)體的原子狀態(tài)、電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的課程，眾多高校工科專業(yè)，包括電子科學(xué)與技術(shù)、微電子等傳統(tǒng)專業(yè)以及新能源、新材料等戰(zhàn)略新興專業(yè)，均將其作為核心專業(yè)基礎(chǔ)課。中國是全球第一大半導(dǎo)體市場，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是支撐當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，也是我國新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，又與綠色低碳領(lǐng)域和生物領(lǐng)域的發(fā)展有著千絲萬縷的聯(lián)系。因此，半導(dǎo)體物理課程是工程教育課程體系中對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求的重要突破口之一。

2018年10月，《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》明確指出：“通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，積極推廣小班化教學(xué)、混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂，大力推進(jìn)智慧教室建設(shè)，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式”[2]。隨著教育信息化的持續(xù)深入，各高等院校相繼探索混合式教學(xué)模式，眾多基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，為高?；旌鲜浇虒W(xué)提供了良好的技術(shù)支持，極大地豐富了慕課、微課等在線學(xué)習(xí)資源。因此，為加快建設(shè)高水平工科教育，有必要借助混合式教學(xué)模式，積極推進(jìn)信息技術(shù)與工科專業(yè)課程深度融合的課程教學(xué)改革。

1 半導(dǎo)體物理課程教學(xué)現(xiàn)狀

半導(dǎo)體物理是固體物理的一門分支學(xué)科，其教學(xué)內(nèi)容主要分為半導(dǎo)體材料屬性和半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)兩大部分。半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)包括半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)知識(shí)、載流子模型、載流子輸運(yùn)等；半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)部分包括PN結(jié)機(jī)理與特性、PN結(jié)二極管、雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管等。由于課程內(nèi)容側(cè)重于抽象的微觀物理結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，其中涉及大量繁雜的知識(shí)點(diǎn)與復(fù)雜的公式推導(dǎo)，容易導(dǎo)致學(xué)生感到枯燥無味，難以理解，進(jìn)而產(chǎn)生消極的心態(tài)，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高[3]。

近年來，隨著電子信息、新材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)更新迭代迅速，新的科研成果不斷產(chǎn)生，而現(xiàn)有教材對(duì)學(xué)科研究前沿進(jìn)展涉及不多，與新科技新產(chǎn)業(yè)脫節(jié)嚴(yán)重。部分教師局限于課本內(nèi)容和有限的課時(shí)，僅關(guān)注理論知識(shí)的傳授而不重視課外的拓展，未能將課程教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使得學(xué)生過于依賴死記硬背的學(xué)習(xí)方式，不能深刻理解教學(xué)內(nèi)容并靈活運(yùn)用[4]。

對(duì)于這種理論性強(qiáng)的課程，如果使用單一的教師講、學(xué)生聽的教學(xué)模式，缺乏必要的師生互動(dòng)，不利于學(xué)生參與到課堂中來，也難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。新的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)明確提出“解決復(fù)雜工程問題的能力”，注重理論聯(lián)系實(shí)踐、解決實(shí)際問題已成為工科專業(yè)課程目標(biāo)定位的指導(dǎo)性要求[5]。半導(dǎo)體物理雖然是一門不包含實(shí)踐環(huán)節(jié)的理論課程，但如果能讓學(xué)生在課余時(shí)間有機(jī)會(huì)接觸相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，甚至利用所學(xué)知識(shí)主動(dòng)參與到課外科技活動(dòng)中來，對(duì)新工科人才的培養(yǎng)也十分重要。傳統(tǒng)教學(xué)模式已不能適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，半導(dǎo)體物理任課教師應(yīng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，將信息技術(shù)融入課堂教學(xué)中，豐富教學(xué)資源，更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)模式和方法，優(yōu)化評(píng)價(jià)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探究精神，促進(jìn)高階思維能力和工程應(yīng)用能力的提升，從而適應(yīng)國家和地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)工程科技人才的要求。

2 面向新工科人才培養(yǎng)的半導(dǎo)體物理課程改革策略

2.1 融入前沿進(jìn)展，更新課程知識(shí)體系

由于半導(dǎo)體物理涉及的知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容廣，學(xué)生難以抓住重點(diǎn)，容易導(dǎo)致較低的學(xué)習(xí)效能感，而教師也無法在有限的課時(shí)內(nèi)對(duì)所有知識(shí)進(jìn)行面面俱到的講解。因此，教師應(yīng)結(jié)合本專業(yè)培養(yǎng)方案，把握本課程與先修和后續(xù)課程之間的聯(lián)系，對(duì)先修課程中已經(jīng)涉及的內(nèi)容進(jìn)行簡化，一般只講其整體框架及其和后期所學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)或運(yùn)用；對(duì)與實(shí)際應(yīng)用關(guān)系密切的知識(shí)，比如PN結(jié)、雙極型晶體管，則設(shè)為重點(diǎn)講解內(nèi)容，并盡量引入工程應(yīng)用的實(shí)踐案例以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，教師可將半導(dǎo)體行業(yè)的最新技術(shù)成果有效整合在課程內(nèi)容中，突出前沿?zé)狳c(diǎn)問題，還可結(jié)合國家、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和學(xué)科優(yōu)勢有側(cè)重地進(jìn)行介紹。如在近兩年的新冠疫情背景下，各國科學(xué)家開始使用半導(dǎo)體技術(shù)研制快速檢測新冠病毒的傳感器，這種生物傳感器將半導(dǎo)體與核酸適配體相結(jié)合，使用諸如場效應(yīng)晶體管之類的器件，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。又如我國油氣資源較為匱乏，急需開發(fā)可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。以太陽能電池為代表的半導(dǎo)體光伏發(fā)電技術(shù)在綠色能源領(lǐng)域的應(yīng)用，在我國能源發(fā)展規(guī)劃中具有戰(zhàn)略地位，有助于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”遠(yuǎn)景目標(biāo)，而這與本課程中半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)密切相關(guān)。

此外，還有半導(dǎo)體芯片、半導(dǎo)體LED照明等應(yīng)用案例，均對(duì)國家科技發(fā)展有著重大意義，這些學(xué)科前沿知識(shí)的結(jié)合在豐富補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，還能使學(xué)生認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體物理對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大意義。

2.2 指向創(chuàng)新思維，開展研究性教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)社會(huì)對(duì)新工科人才的需求，專業(yè)課程教學(xué)中需要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、提高創(chuàng)新思維能力，因此不應(yīng)局限于課堂講授的教學(xué)方法。在半導(dǎo)體物理的課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，為落實(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新精神和素質(zhì)的培養(yǎng)，教師引入研究性教學(xué)策略，對(duì)整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行重構(gòu)，使學(xué)生在獨(dú)立的探索、思考、實(shí)踐的研究學(xué)習(xí)過程中，吸收內(nèi)化知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)分析并解決問題，獲得綜合素質(zhì)的全面提升。

①研究性課題的確定。研究性課題的確定可采用教師推薦和學(xué)生自選兩種方式。在更新教學(xué)內(nèi)容體系的基礎(chǔ)上，教師分析半導(dǎo)體學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的前沿?zé)狳c(diǎn)問題，結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)，精心構(gòu)思若干適合學(xué)生討論學(xué)習(xí)、能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生探究興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的課題；同時(shí)，學(xué)生也可通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料，結(jié)合課程內(nèi)容中的興趣點(diǎn)，自主提出待研究的選題與教師討論，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行修正。

②研究性教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。研究性教學(xué)活動(dòng)的一般程序?yàn)榻處熢趧?chuàng)設(shè)問題情境，引出研究性課題，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)下發(fā)課題名稱和相關(guān)學(xué)習(xí)資料；學(xué)生分為4-6人的小組，分工協(xié)作，搜集文獻(xiàn)，通過調(diào)研、討論、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)等學(xué)習(xí)活動(dòng)尋求解決問題的方法和途徑；經(jīng)過階段性的自主研討，組織各組學(xué)生在課堂上交流初步得到的成果或結(jié)論，對(duì)尚未解決的問題進(jìn)行深入討論，制訂后續(xù)的修改或探究計(jì)劃；最后，學(xué)生根據(jù)探究的問題和討論結(jié)果，對(duì)合作學(xué)習(xí)過程中獲得的成果加以歸納整理，完成最終的書面報(bào)告，使知識(shí)系統(tǒng)化、條理化。

③研究性教學(xué)的課外拓展。經(jīng)過研究性教學(xué)活動(dòng)的初步探索，部分學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生可通過雙向選擇進(jìn)入任課教師團(tuán)隊(duì)所在的科研實(shí)驗(yàn)室，參與大學(xué)生課外科技活動(dòng)如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、挑戰(zhàn)杯等，并將研究結(jié)果撰寫成研究論文進(jìn)行發(fā)表。

2.3 整合信息技術(shù)，構(gòu)建混合式教學(xué)模式

由于研究性教學(xué)程序有別于傳統(tǒng)課堂，師生之間的互動(dòng)和交流難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成，因此多采用翻轉(zhuǎn)或半翻轉(zhuǎn)課堂模式，在具體實(shí)施上較為依賴信息化手段和平臺(tái)。因此，半導(dǎo)體物理課程的研究性教學(xué)策略的實(shí)施宜采用線下課堂教學(xué)與線上數(shù)字化學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，使用雨課堂、學(xué)習(xí)通等智慧教學(xué)工具為課程教學(xué)的開展提供強(qiáng)有力的支撐，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①前端支持。在進(jìn)入新課之前教師可使用線上平臺(tái)下發(fā)預(yù)習(xí)課件和自學(xué)資料，并通過調(diào)查問卷、課前測試等掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和預(yù)習(xí)情況。通過數(shù)據(jù)分析，可確定各個(gè)章節(jié)的教學(xué)起點(diǎn)，并將一部分學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)為線上自學(xué)，不再占用課堂時(shí)間。

②協(xié)作空間構(gòu)建。虛擬空間將小組協(xié)作的空間從課內(nèi)延伸到課外，不僅組員之能有便捷的線上交流方式，教師也可通過討論區(qū)、班級(jí)群等途徑，直接與學(xué)生對(duì)話，從資源、方法等方面進(jìn)行在線指導(dǎo)。

③教學(xué)數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)自動(dòng)收集學(xué)生分組、課堂活動(dòng)、課前課后測驗(yàn)等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，研究性學(xué)習(xí)報(bào)告的提交與批閱也可在線上完成，每堂課后都能統(tǒng)計(jì)生成詳細(xì)的課堂小結(jié)，對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)的管理帶來了極大便利。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，教師能適時(shí)調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)的有關(guān)環(huán)節(jié)，并開展科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)。

2.4 強(qiáng)調(diào)過程考核，實(shí)施多元?jiǎng)討B(tài)評(píng)價(jià)

以往半導(dǎo)體物理課程的評(píng)價(jià)主要采用終結(jié)性評(píng)價(jià)，導(dǎo)致部分學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的投入度不高，主要依靠突擊復(fù)習(xí)應(yīng)付期末考試。在新的教學(xué)模式和方法下，實(shí)行“師評(píng)、自評(píng)、互評(píng)”相結(jié)合、過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式，增加過程性評(píng)價(jià)的權(quán)重，著重考查學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)過程中的投入度，從動(dòng)態(tài)發(fā)展的角度評(píng)估學(xué)生的發(fā)展?jié)摿?。過程考核主要包括研究性學(xué)習(xí)成績、作業(yè)和隨堂測驗(yàn)等，這些成績均可借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)采集。根據(jù)學(xué)習(xí)記錄、作業(yè)、小組報(bào)告等材料，可為學(xué)生創(chuàng)建電子檔案袋。研究性學(xué)習(xí)成績由教師評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)組成，體現(xiàn)評(píng)價(jià)主體的多元性。教師制定合理的研究性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)量表，在討論課中，針對(duì)研究小組的成果和學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；學(xué)生填寫自評(píng)表和組內(nèi)互評(píng)表，對(duì)項(xiàng)目完成情況、合作學(xué)習(xí)效果和參與度進(jìn)行評(píng)定。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)實(shí)時(shí)采集和記錄的各種信息，有助于教師客觀、準(zhǔn)確地對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)做出評(píng)估。此外，通過定期發(fā)放線上問卷，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果等方面的反饋，對(duì)學(xué)習(xí)中存在的困難和教學(xué)效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷，以便教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

3 結(jié)語

在新工科建設(shè)和信息化教育全面推進(jìn)的背景下，高校工科專業(yè)課教師需要圍繞新工科核心能力培養(yǎng)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，摸索改進(jìn)教學(xué)方法，建立科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)體系，以課程教學(xué)改革支撐工程類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。在半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革中，以技術(shù)發(fā)展為切入點(diǎn)更新教學(xué)內(nèi)容，以研究性教學(xué)為突破點(diǎn)培養(yǎng)核心能力，以信息技術(shù)為手段優(yōu)化教學(xué)模式。這樣既激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的關(guān)鍵能力，又解決了師生互動(dòng)不順暢、數(shù)據(jù)收集不完整的問題，落實(shí)了“以學(xué)生為中心”的培養(yǎng)理念，最終助力新工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。