基于理論和實踐教學(xué)協(xié)同效應(yīng)的半導(dǎo)體物理教學(xué)研究

楊尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志賢

1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 福建 350116

2.福州大學(xué)平板顯示技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，福州 福建 350116

半導(dǎo)體物理作為一門理論和實踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，已成為凝聚態(tài)物理、材料物理、電子科學(xué)與技術(shù)、光電工程、微電子以及電路與系統(tǒng)、集成電路工程等專業(yè)一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。它為人們提供了一種學(xué)習(xí)和掌握半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)和固體宏觀性質(zhì)的微觀本質(zhì)，描述和控制載流子運動的理論方法。近年來，半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)地位受到挑戰(zhàn)，首先，受大學(xué)總課時數(shù)限制以及實踐學(xué)時數(shù)增加的影響，半導(dǎo)體物理學(xué)時數(shù)漸減；其次，因半導(dǎo)體物理數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，對數(shù)學(xué)要求高，學(xué)生普遍感到困難，學(xué)習(xí)興趣和動力不足。最后，由于半導(dǎo)體物理難以直接應(yīng)用，給學(xué)生造成本課程無用論的錯覺。然而，隨著科技發(fā)展和社會進步，新型半導(dǎo)體材料與器件研究取得了重大突破，新型半導(dǎo)體材料、器件與系統(tǒng)日益涌現(xiàn)。因此，對半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式和教學(xué)評價體系等進行改革勢在必行。

一、目前本課程教學(xué)中存在的問題和矛盾

近年來，隨著國家對高校投入力度的加大，高校獲取的經(jīng)費劇增，在人才培養(yǎng)方面優(yōu)勢凸顯。然而，一方面，在目前部分高校“重科研、輕教學(xué)”的考核環(huán)境下，一些高校教師把重心放在申請書撰寫、項目申報及碩博士培養(yǎng)等方面；由于人才培養(yǎng)尤其是高素質(zhì)人才培養(yǎng)方面評價體系不健全、見效慢，部分高校教師對本科生培養(yǎng)的興趣和積極性不高，認識也不到位。因此，“重科研、輕教學(xué)”考核機制與高校人才培養(yǎng)首要任務(wù)間的矛盾成為本科生理論教學(xué)與實踐教學(xué)融合的障礙。另一方面，半導(dǎo)體物理作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計物理、量子力學(xué)等多學(xué)科，體系龐大、內(nèi)容繁多，半導(dǎo)體物理學(xué)時有限與繁多授課內(nèi)容之間失衡嚴(yán)重，教學(xué)互動困難，造成課堂信息量過大，學(xué)生跟不上，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣受影響。此外，半導(dǎo)體物理是建立在固體物理、材料學(xué)基礎(chǔ)上的，部分學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，對很多半導(dǎo)體物理概念和公式難以理解，因而對半導(dǎo)體物理產(chǎn)生厭學(xué)和排斥情緒，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和教師授課熱情受挫。傳統(tǒng)的課程教學(xué)，通常采用“課本+黑板”的授課模式，僅強調(diào)理論知識和公式嚴(yán)謹推導(dǎo)，要求學(xué)生思維嚴(yán)謹和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好，而由于半導(dǎo)體物理公式繁多、數(shù)學(xué)處理復(fù)雜，部分學(xué)生興趣不高，對課程存在著嚴(yán)重畏難和厭學(xué)情緒，學(xué)習(xí)效果不佳。同時，由于半導(dǎo)體物理專業(yè)基礎(chǔ)特性，難以實際應(yīng)用，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣銳減。因而，基于理論實踐協(xié)同效應(yīng)的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革勢在必行。

二、課程改革策略

（一）課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化與調(diào)整

首先，對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，依照重要性適當(dāng)整合和取舍。半導(dǎo)體物理傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容是以后從事半導(dǎo)體專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、微電子和光電信息工程行業(yè)的基礎(chǔ)，是必須掌握的基本知識，其地位不可動搖。整合和優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容是指教學(xué)材料整合和授課方式改變。根據(jù)半導(dǎo)體物理課程的特點，擴大教學(xué)內(nèi)容中定性和半定量描述的比重，著重講授器件工作原理及其電流電壓模型，減少過繁的教學(xué)推導(dǎo)。同時，增加學(xué)生自學(xué)內(nèi)容的比例，以夯實學(xué)生基礎(chǔ)理論知識、培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生科學(xué)思維與創(chuàng)造性思維。其次，適當(dāng)補充生活工作中的實際問題及科技前沿問題。理論聯(lián)系實際，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析生活中的半導(dǎo)體物理現(xiàn)象，幫助學(xué)生實現(xiàn)理性認識，將基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代、理論與應(yīng)用有機結(jié)合。既要強調(diào)本課程的專業(yè)基礎(chǔ)性，又要注重時代性、前沿性及其應(yīng)用性；既要深入揭示半導(dǎo)體物理規(guī)律內(nèi)涵，又要適當(dāng)拓展它在高新技術(shù)中的應(yīng)用。最后，引導(dǎo)學(xué)生參與科研實踐，增加課程實踐學(xué)時，并增強實踐實驗教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合和協(xié)同效應(yīng)。在教學(xué)中鼓勵學(xué)生進入實驗室、參與項目實驗設(shè)計、分析總結(jié)問題；引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生獨立承擔(dān)項目子課題，成為科研主體，將實驗研究與理論專業(yè)知識貫通，實現(xiàn)感性認識到理性認識、形象思維向抽象思維、模仿思維向獨立思維的過渡，使學(xué)生對半導(dǎo)體物理課程學(xué)習(xí)重要性有充分認識，并提高對該課程的學(xué)習(xí)興趣。

（二）提倡引導(dǎo)性和多元化教學(xué)方法，發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合

首先，提倡引導(dǎo)性教學(xué),重視教學(xué)互動,培養(yǎng)創(chuàng)新意識,提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。在半導(dǎo)體物理講授中，提倡采用引導(dǎo)性教學(xué)方法,改變傳統(tǒng)灌輸教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，讓學(xué)生從接受知識的主體變成知識傳授中的平等共同體，實現(xiàn)教與學(xué)統(tǒng)一、學(xué)與用深度融合。同時，要有意識地穿插思考題,培養(yǎng)學(xué)生勤學(xué)好問、深入鉆研的好習(xí)慣。其次，采取多元化教學(xué)方法，實現(xiàn)理論與實踐融合協(xié)同、教學(xué)與科研深度融合。采取靈活的教學(xué)方式，開展啟發(fā)式教學(xué)，做到循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分析現(xiàn)象，總結(jié)半導(dǎo)體物理規(guī)律，并在分析中自行修正錯誤觀念或觀點，形成科學(xué)思維，讓學(xué)生將科研實踐中所遇到問題帶入課程教學(xué)中，同時將課程教學(xué)理論應(yīng)用到科研項目設(shè)計、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果測試分析中，利用即時交流軟件和網(wǎng)絡(luò)論壇，以“學(xué)生提問—集體討論—教師回答”形式將課堂講授內(nèi)容及實踐中遇到的問題進行廣泛交流和討論，加深學(xué)生對理論知識及實踐問題的理解，拓展課堂教學(xué)空間和時間，創(chuàng)造性地將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合。要加強與學(xué)生的情感交流，面對科研項目科學(xué)問題、實驗現(xiàn)象及其分析測試結(jié)果，鼓勵學(xué)生勤思考，敢于做獨立判斷，引導(dǎo)學(xué)生用不同方式思考問題；教師要對學(xué)生思維過程進行引導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)其中的典型錯誤，引導(dǎo)學(xué)生分析錯誤所導(dǎo)致的后果，幫助他們回到思考的正確軌道上，逐步培養(yǎng)學(xué)生從單一思維向綜合思維發(fā)展，讓學(xué)生真正體驗獨立思考的重要性和成就感，在理論教學(xué)與平臺實踐相融合的教學(xué)中體驗學(xué)習(xí)樂趣，進一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的興趣。

（三）加強學(xué)生對概念、器件工作原理的理解，增強學(xué)生邏輯思維能力

首先，將科研項目中所研制的器件結(jié)構(gòu)和性能，與半導(dǎo)體物理中的經(jīng)典器件相關(guān)聯(lián)，以加深學(xué)生對各種經(jīng)典器件結(jié)構(gòu)和特性的理解。其次，可通過繪制具有代表性的器件結(jié)構(gòu)，并用半導(dǎo)體模擬軟件向?qū)W生演示，加深其對典型器件及新型器件結(jié)構(gòu)和性能的理解，激發(fā)學(xué)生求知欲，吸引學(xué)生參與課堂和實踐教學(xué)。例如在學(xué)習(xí)MOS及其MOSFET 章節(jié)時，利用集成電路輔助設(shè)計工具和軟件，獲取并列舉不同設(shè)計條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)的MOS及MOSFET 器件性能，讓學(xué)生消除對芯片及系統(tǒng)集成的畏懼感，進一步領(lǐng)悟和感受半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)的重要性?？稍俅位谲浖M動畫結(jié)果，讓學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。通過動畫等將復(fù)雜半導(dǎo)體物理問題與知識簡單化、形象化，能極大地拓寬學(xué)生視野，增強學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論實現(xiàn)科技創(chuàng)新的勇氣和欲望。最后，可引導(dǎo)學(xué)生進行科研實踐，能激發(fā)他們對半導(dǎo)體物理現(xiàn)象的理解和領(lǐng)悟，進一步激發(fā)其學(xué)習(xí)課程的興趣和勇氣。

（四）完善基于實踐教學(xué)科研平臺的運行機制和體制

基于半導(dǎo)體物理實踐教學(xué)新方法，應(yīng)適當(dāng)加大半導(dǎo)體物理教學(xué)中一線科研人員和教師的實踐性課程、研究性課程的學(xué)時比重，拓展本課程實踐性項目教學(xué)，讓學(xué)生有機會、全身心融入科研平臺，還需要進一步完善本課程實踐教學(xué)科研平臺運行機制，搭建課程實踐教學(xué)自主研究平臺，支持教師開展課程理論和應(yīng)用相關(guān)科技立項，參與平臺承擔(dān)的科研項目，并積極帶領(lǐng)學(xué)生參加各類科技競賽。

首先，建立具有實效性的本科生導(dǎo)師制。本科生在進入大學(xué)后即通過選拔考核與雙向選擇，確定本科生的導(dǎo)師。本科生導(dǎo)師也是其半導(dǎo)體物理實踐課程及其后續(xù)畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)教師，在一體化培養(yǎng)模式下，實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生興趣和特長，并協(xié)助學(xué)生確立發(fā)展方向與目標(biāo)等。

其次，建立本科生實踐課程科研創(chuàng)新實踐基地。本科生正處于思維逐漸走向成熟、可塑性極高的創(chuàng)新旺盛期，他們在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識后，因網(wǎng)絡(luò)時代知識學(xué)習(xí)途徑多元化，他們在交叉學(xué)科、實驗實踐等方面有獨特的優(yōu)勢?？赏ㄟ^與企業(yè)建立與本科生實踐課程相關(guān)的科研創(chuàng)新實踐實驗基地，讓本科生自主選擇實踐基地實習(xí)，了解企業(yè)文化，為自己將來就業(yè)并快速融入企業(yè)提前做好準(zhǔn)備，同時也將自己所學(xué)理論知識、專業(yè)知識與企業(yè)實際應(yīng)用有效銜接和融合?？梢?guī)定基地每年面向本科生開放儀器設(shè)備機時和提供實驗技術(shù)人員指導(dǎo)時間，對實踐基地予以考核和補貼。

再次，建立和完善本科生科研團隊制。在本科生導(dǎo)師制基礎(chǔ)上，進一步鼓勵具有半導(dǎo)體物理理論基礎(chǔ)知識和實踐應(yīng)用經(jīng)驗等不同特長的優(yōu)秀本科生組成針對某個目標(biāo)的科研團隊，針對目前社會和生產(chǎn)所需進行自主創(chuàng)新。院系根據(jù)科研團隊需要，安排科研團隊的指導(dǎo)教師。這類科研團隊的主要目標(biāo)是進行各類專業(yè)前沿知識的學(xué)習(xí)和運用，參與校級、省級及國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以競賽促進學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和動手能力培養(yǎng)，進一步提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

最后，設(shè)立基于本科生科研平臺的科研專項基金。依托科研平臺設(shè)立本科生科研專項基金，安排專人負責(zé)經(jīng)費管理，資助學(xué)生進行科技立項。學(xué)生科技立項須以科研團隊的名義進行，通過項目申請、項目答辯和專家評審方可確定資助名單，本科生科研專項基金主要用于外協(xié)加工、材料購買等。此外，學(xué)校應(yīng)對科研團隊指導(dǎo)教師和獲獎的參賽小組或競賽隊伍給予補貼和獎勵。

（五）制定和完善本科生課程科研平臺管理辦法，保障平臺正常運轉(zhuǎn)

首先，實施安全教育及提前預(yù)約制度。在進實驗室前，須對學(xué)生進行安全教育并考核，掌握安全操作、防傷害技能等。同時，實施平臺預(yù)約管理制度。要求學(xué)生必須提前預(yù)約，填寫實驗內(nèi)容，擬定實驗方案和預(yù)期實驗結(jié)果等，實驗員根據(jù)實驗室使用情況安排實驗。

其次，導(dǎo)師和指導(dǎo)教師從科研方向、總體方案制訂和實驗結(jié)果分析等方面進行管理。教師要注重培養(yǎng)本科生的實踐能力、團隊協(xié)作精神，對實驗進程、儀器操作、安全管理等方面加以引導(dǎo)和幫助。

三、結(jié)束語

基于多年半導(dǎo)體物理教學(xué)實踐經(jīng)驗，我們針對半導(dǎo)體物理教學(xué)實踐中所面臨的問題和矛盾，從優(yōu)化和調(diào)整半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容、建構(gòu)理論與實踐深度融合協(xié)同的新教學(xué)模式、完善面向本科生的半導(dǎo)體物理科研平臺運行機制以及制定半導(dǎo)體物理科研平臺管理辦法等方面進行了探索性綜合改革，取得了優(yōu)良的成績。通過優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容并創(chuàng)新性地建構(gòu)理論與實踐教學(xué)深度融合協(xié)同的新教學(xué)模式，加大半導(dǎo)體物理教學(xué)中一線科研人員和教師的實踐性、研究性課程學(xué)時的比例，開設(shè)半導(dǎo)體物理主題項目實踐教學(xué)模式，并通過“建立本科生導(dǎo)師制”“建立與本科生實踐課程相關(guān)的科研創(chuàng)新實踐基地”“建立和完善本科生科研團隊制”和“設(shè)立半導(dǎo)體物理科研平臺本科生科研專項基金”等系列手段，實現(xiàn)半導(dǎo)體物理教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果跨越式提高。但由于基于理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合協(xié)同的半導(dǎo)體物理教學(xué)改革和實踐本身是一項復(fù)雜系統(tǒng)工程，涉及課程計劃和課程評價標(biāo)準(zhǔn)制定、半導(dǎo)體物理教學(xué)實踐應(yīng)用教學(xué)體系建立和運行機制確立等諸多方面，因此要培養(yǎng)出高素質(zhì)的半導(dǎo)體物理方面創(chuàng)新人才，仍需繼續(xù)進行開創(chuàng)性工作。