新工科背景下應(yīng)用型本科院校《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)改革的研究

王 彬 王宇薇 孫小飛

（1.渤海大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.錦州師范高等?？茖W(xué)校環(huán)境科學(xué)學(xué)院，遼寧 錦州 121000；3.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

近年來(lái)，我國(guó)高等教育迅猛發(fā)展，高等院校招生人數(shù)不斷增加，普及本科教育的時(shí)代即將來(lái)臨。但是，在高等教育發(fā)展的同時(shí)，也存在著用人單位招人困難和大學(xué)生擇業(yè)困難的問(wèn)題，這與高等教育的快速發(fā)展相互矛盾，其根源在于過(guò)快發(fā)展的高等教育與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不匹配。目前我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)正處在向電子化、信息化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，高等教育的發(fā)展應(yīng)該結(jié)合經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型需求，實(shí)現(xiàn)兩者共同進(jìn)步與轉(zhuǎn)型以推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面發(fā)展。國(guó)務(wù)院在2014 年2 月召開(kāi)了常務(wù)會(huì)議，會(huì)議明確提出了“引導(dǎo)一批地方本科院校向應(yīng)用技術(shù)型高校轉(zhuǎn)型”，加快發(fā)展職業(yè)教育以促進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的新的教育戰(zhàn)略部署，這代表著國(guó)家決定鼓勵(lì)一部分地方本科院校轉(zhuǎn)型為應(yīng)用技術(shù)型高校。2014 年6 月，全國(guó)178 所高等學(xué)校的代表共同參加了產(chǎn)教融合發(fā)展戰(zhàn)略國(guó)際論壇，并且擬定了《駐馬店共識(shí)》。178 所高校的代表在《駐馬店共識(shí)》中指出，愿意作為先行者和探索者落實(shí)國(guó)務(wù)院做出的“部分地方本科高校轉(zhuǎn)型為應(yīng)用技術(shù)型高校”的戰(zhàn)略部署，共同探討部分地方本科院校產(chǎn)教融合發(fā)展的轉(zhuǎn)型建設(shè)之路。為了積極配合國(guó)務(wù)院高校轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略部署，國(guó)家及地方相關(guān)部門相繼出臺(tái)了一系列有利于地方本科院校轉(zhuǎn)型的政策，以鼓勵(lì)地方本科院校的轉(zhuǎn)型。地方本科院校的成功轉(zhuǎn)型具有重要意義，不僅能夠優(yōu)化我國(guó)高等教育的教育結(jié)構(gòu)，有利于培養(yǎng)以地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向的高層次應(yīng)用型人才，也更好地促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)。同時(shí)，為了迎接新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的到來(lái)，更好地促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的順利轉(zhuǎn)型，教育部在2017 年2 月發(fā)布了《高等教育司關(guān)于開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》，對(duì)高校培養(yǎng)工科專業(yè)的高層次應(yīng)用型人才提出了全新的要求，隨后在新工科研討會(huì)上形成的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，標(biāo)志著我國(guó)新工科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)開(kāi)啟了全新的模式[1-2]。

《半導(dǎo)體物理與器件》是新能源材料與器件專業(yè)重要的必修課，該課程講授的半導(dǎo)體的專業(yè)知識(shí)實(shí)用性極強(qiáng)，是半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)、分析材料性能重要的理論基礎(chǔ)。因此，對(duì)這門課程的掌握程度是新能源材料與器件專業(yè)學(xué)生是否滿足半導(dǎo)體行業(yè)需求的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著部分地方院校的轉(zhuǎn)型和新工科教育戰(zhàn)略的部署，各個(gè)高校不斷進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革，傳統(tǒng)老套的教學(xué)方法和陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)要求。為了培養(yǎng)滿足經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型所需的理論基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新思維活躍、創(chuàng)新能力強(qiáng)的應(yīng)用型新工科人才，本文提出了《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)改革的研究方案。

1 更新教學(xué)內(nèi)容

《半導(dǎo)體物理與器件》的培養(yǎng)目標(biāo)重在專業(yè)應(yīng)用，由于半導(dǎo)體行業(yè)無(wú)論是新材料的研發(fā)，還是半導(dǎo)體器件的創(chuàng)新，發(fā)展都非常迅速，而傳統(tǒng)的課程內(nèi)容過(guò)于陳舊，大部分已經(jīng)與現(xiàn)代工程實(shí)際脫軌，無(wú)法滿足現(xiàn)代化半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)需求。例如，以往在介紹半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，只注重了硅和氧化鋅等幾十年前的材料，而沒(méi)有涉及現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的大多數(shù)復(fù)合型半導(dǎo)體材料，教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。因此，我們?cè)凇栋雽?dǎo)體物理與器件》教學(xué)內(nèi)容的改革中，加入了一些現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的新材料（如石墨烯[3]，一些具備半導(dǎo)體性質(zhì)的金屬氧化物/碳化物等）的結(jié)構(gòu)和性能介紹；在介紹晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性理論時(shí)，從原來(lái)簡(jiǎn)單地介紹平移對(duì)稱性和點(diǎn)群對(duì)稱性，擴(kuò)展到“n 重旋轉(zhuǎn)軸”“鏡像反射面”“反演中心”以及“n 重旋轉(zhuǎn)反射軸”的詳細(xì)講解，補(bǔ)充這些新內(nèi)容，能夠促進(jìn)并加深學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后面研究生階段相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，我們也對(duì)《半導(dǎo)體物理與器件》在專業(yè)實(shí)際應(yīng)用中涉及較少的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了刪除，例如，刪除了與《固體物理》重復(fù)的“倒格子與周期性函數(shù)的傅里葉展開(kāi)”等內(nèi)容，既能夠合理分配課程內(nèi)容教學(xué)學(xué)時(shí)，又能夠減少學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

2 開(kāi)發(fā)新型教學(xué)方法

傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)方法是以教師為中心，教師講什么，學(xué)生學(xué)什么的“填鴨式”教學(xué)模式。而《半導(dǎo)體物理與器件》課程內(nèi)容中的概念、原理和公式又特別繁多，這樣就導(dǎo)致學(xué)生只是一味地被動(dòng)接受，并不能對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行良好的消化和吸收，嚴(yán)重限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的發(fā)展。在新工科教育戰(zhàn)略的背景下，我們對(duì)《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)方法進(jìn)行了改革和創(chuàng)新。

2.1 對(duì)比教學(xué)法

《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)就是概念多、原理難、公式復(fù)雜，但是，這些概念、原理和公式之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，往往是由一個(gè)原理（公式）結(jié)合另一個(gè)原理（公式），便能夠推導(dǎo)出下一個(gè)原理（公式），因此，可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)相似的概念、原理和公式進(jìn)行對(duì)比分析，然后將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有效串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)完整的知識(shí)體系，這樣不但能夠幫助學(xué)生更好地理解和掌握復(fù)雜、抽象的概念、原理和公式，還能夠使學(xué)生充分了解《半導(dǎo)體物理與器件》的課程內(nèi)容體系，舉一反三、學(xué)以致用。例如，在“半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布”教學(xué)內(nèi)容中，理解了費(fèi)米分布函數(shù)和費(fèi)米能級(jí)的概念和意義以后，只要掌握了導(dǎo)帶電子密度的意義和密度公式的推導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)概念對(duì)比，便能夠按照同樣的邏輯思維推導(dǎo)出價(jià)帶空穴密度的公式；在“非平衡載流子”教學(xué)內(nèi)容中，理解了非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合機(jī)理之后，利用連續(xù)性方程可以解決非本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移問(wèn)題，通過(guò)將本征半導(dǎo)體和近本征半導(dǎo)體的概念進(jìn)行聯(lián)系對(duì)比，理解二者的區(qū)別，便可以利用連續(xù)性方程解決近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比教學(xué)的方法有助于學(xué)生正確理解和分析相似的概念、原理和公式，提高學(xué)習(xí)效率。

2.2 討論教學(xué)法

傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體物理與器件》課堂教學(xué)模式是教師一個(gè)人在臺(tái)上唱“獨(dú)角戲”，學(xué)生在下面聽(tīng)，教師與臺(tái)下的學(xué)生互動(dòng)性不強(qiáng)。由于《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用緊密相關(guān)，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，我們?cè)凇栋雽?dǎo)體物理與器件》的課堂教學(xué)中增加了大量的課堂討論環(huán)節(jié)。

在課堂討論環(huán)節(jié)中，我們常結(jié)合半導(dǎo)體工程應(yīng)用中的實(shí)例，提出一系列與《半導(dǎo)體物理與器件》課程內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題與學(xué)生進(jìn)行討論、分析。同時(shí)，我們也鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)切身的科學(xué)經(jīng)歷，提出與課堂內(nèi)容相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行討論。例如，在介紹新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀時(shí)，可以以石墨烯材料為討論內(nèi)容，問(wèn)題之一可以是“在什么條件下，石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其在半導(dǎo)體和半金屬之間轉(zhuǎn)換？”還可以要求學(xué)生根據(jù)已學(xué)到的晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行解釋。在這種“提出問(wèn)題——分析討論問(wèn)題”的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生結(jié)合自己掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)與同學(xué)和教師展開(kāi)討論，在討論中進(jìn)一步鞏固和理解相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，還能夠填補(bǔ)自己的知識(shí)盲區(qū)，增加學(xué)習(xí)的深度，提高知識(shí)的全面性。學(xué)生在討論教學(xué)法的過(guò)程中，從被動(dòng)聽(tīng)課轉(zhuǎn)換到積極主動(dòng)思考，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加了師生間的互動(dòng)，也能夠使教師更好地了解學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的程度，從而優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的深度和教學(xué)進(jìn)度。討論教學(xué)法緊密結(jié)合專業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，有助于培養(yǎng)了解行業(yè)發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)的優(yōu)秀的應(yīng)用型人才。

2.3 案例教學(xué)法

《半導(dǎo)體物理與器件》由于其含有大量的抽象概念、復(fù)雜公式，使其成為一門比較枯燥的專業(yè)課程。在傳統(tǒng)的授課方式下，課堂氣氛比較沉悶，缺乏激情，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更不能強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新意識(shí)。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，調(diào)動(dòng)課堂氣氛，教師在講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以給學(xué)生舉一些相關(guān)的專業(yè)案例，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的認(rèn)知層次[4]。例如，在講解絕緣體、金屬、和半導(dǎo)體之間區(qū)別的時(shí)候，教師可以引入超導(dǎo)體的概念，并且介紹某些材料在一定條件下能夠轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，例如，二維碳化鉬材料可以根據(jù)溫度和磁場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)不同程度的超導(dǎo)現(xiàn)象等。通過(guò)在《半導(dǎo)體物理與器件》課堂教學(xué)中引入案例教學(xué)法，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了他們的創(chuàng)新意識(shí)。

3 豐富教學(xué)手段

傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體物理與器件》課堂教學(xué)工具主要為“黑板+粉筆”，這種板書教學(xué)手段已經(jīng)不符合現(xiàn)代化教學(xué)的要求。很多教學(xué)內(nèi)容僅僅通過(guò)板書的形式是不能夠完全體現(xiàn)在學(xué)生面前的，學(xué)生僅通過(guò)板書很難理解一些抽象的概念。例如，氧化鋅的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)，共價(jià)晶體的金剛石結(jié)構(gòu)，這些抽象的概念結(jié)構(gòu)教師如果只是靠板書來(lái)進(jìn)行描繪，學(xué)生不僅不能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行區(qū)分，還容易使學(xué)生由于學(xué)不懂產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此，我們?cè)凇栋雽?dǎo)體物理與器件》的課堂教學(xué)中引入了電化教學(xué)等教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化和多元化的課堂教學(xué)手段。通過(guò)電化教學(xué)能夠使學(xué)生更直觀地觀察到3D 立體的晶體結(jié)構(gòu)模型，幫助學(xué)生理解并強(qiáng)化晶體結(jié)構(gòu)的概念和區(qū)別。我們?cè)凇栋雽?dǎo)體物理與器件》的課堂教學(xué)中還引入了虛擬仿真技術(shù)教學(xué)手段，利用這種先進(jìn)的教學(xué)手段，我們能夠?qū)雽?dǎo)體實(shí)際工藝流程利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真，使學(xué)生在課堂上就能夠體驗(yàn)和了解半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)制備過(guò)程，更好地實(shí)現(xiàn)了理論與專業(yè)實(shí)踐相結(jié)合。通過(guò)豐富教學(xué)手段，增強(qiáng)了《半導(dǎo)體物理與器件》課堂教學(xué)的直觀性，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和專注力，有利于培養(yǎng)實(shí)踐型應(yīng)用人才。

4 強(qiáng)化課下教學(xué)

在《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)中引入課下實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)結(jié)合課上的理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐拓展訓(xùn)練，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣選擇實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，可以在指導(dǎo)教師的陪同下，走進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)室，接觸半導(dǎo)體工藝流程。例如，學(xué)生可以在工藝實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)高效晶硅電池的設(shè)計(jì)，通過(guò)減反射膜和表面制絨的設(shè)計(jì)，能夠了解在晶硅電池的生產(chǎn)中，如何降低光的損耗以提高晶硅電池的功率。在《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)中引入課下實(shí)踐教學(xué)，能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高教學(xué)效果，同時(shí)也鍛煉了他們的專業(yè)實(shí)踐技能。

5 精細(xì)化課程考核體系

為了加強(qiáng)對(duì)《半導(dǎo)體物理與器件》教學(xué)質(zhì)量的管理，我們精細(xì)化了其課程考核體系。結(jié)合新能源材料與器件專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求之間的關(guān)系，我們對(duì)《半導(dǎo)體物理與器件》這門課程設(shè)置了四個(gè)課程目標(biāo)：（1）掌握課程中的基本理論和專業(yè)知識(shí)，并結(jié)合數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及工程技術(shù)知識(shí)，將其用于解決半導(dǎo)體領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問(wèn)題；（2）掌握半導(dǎo)體器件開(kāi)發(fā)全流程及其工藝設(shè)計(jì)的基本方法，能夠針對(duì)半導(dǎo)體領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，通過(guò)合理設(shè)計(jì)工藝流程、正確選材以及開(kāi)發(fā)加工技術(shù)；（3）能夠基于半導(dǎo)體器件的相關(guān)原理、工程技術(shù)及實(shí)驗(yàn)分析方法，對(duì)工程問(wèn)題中的相關(guān)現(xiàn)象、特性進(jìn)行分析；（4）能夠針對(duì)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，科學(xué)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析、解釋，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了《半導(dǎo)體物理與器件》的教學(xué)改革。通過(guò)教學(xué)改革，有助于教師合理安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，提高教學(xué)質(zhì)量；通過(guò)教學(xué)改革，更好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的專注力和創(chuàng)新意識(shí)，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力；在高校轉(zhuǎn)型和新工科教育戰(zhàn)略的背景下，有利于培養(yǎng)滿足現(xiàn)代化半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)需求的優(yōu)質(zhì)應(yīng)用型人才。