“半導(dǎo)體材料與器件”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)建設(shè)研究

黃妞 孫盼盼 倪世兵 呂曉偉

[摘 要] “半導(dǎo)體材料與器件”是半導(dǎo)體科學(xué)的基礎(chǔ)課程，主要教授半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中雜質(zhì)、半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計(jì)和運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體器件（PN結(jié)、金半結(jié)和晶體管）的基本結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和工作原理。考慮到材料背景或化學(xué)背景的研究生在本科階段大部分未接觸“量子力學(xué)”和“固體物理”，需加增量子力學(xué)初步、晶體結(jié)構(gòu)和能帶理論方面的基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊。結(jié)合所在學(xué)院各個(gè)團(tuán)隊(duì)研究方向中與半導(dǎo)體相關(guān)的內(nèi)容，“半導(dǎo)體材料與器件”課程也探究和講授相關(guān)科學(xué)問題和科學(xué)前沿，從而促進(jìn)研究生的科研工作。將以上內(nèi)容擬成十大專題，指導(dǎo)學(xué)習(xí)小組選題、預(yù)習(xí)、準(zhǔn)備組織PPT并講解，再通過集體答疑和分組討論，最后提交思維導(dǎo)圖作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，翻轉(zhuǎn)課堂取得了比傳統(tǒng)課堂更優(yōu)的學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)鍵詞] 半導(dǎo)體材料;半導(dǎo)體器件;課程教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂

[基金項(xiàng)目] 2019—2020年度三峽大學(xué)頒布的“‘半導(dǎo)體材料與器件研究生課程建設(shè)研究”（SDKC201909）;2019—2021年度國家自然科學(xué)基金委頒布的“石墨相氮化碳電極制備及光電化學(xué)分解水性能調(diào)控研究”（21902084）;2020—2021年度國家實(shí)驗(yàn)室開放基金頒布的“二硫化鉬/硫化鈷復(fù)合陣列電極的析氫性能研究”（2020-KF-11）

[作者簡介] 黃 妞（1986—），女，湖北荊門人，博士，三峽大學(xué)材料與化工學(xué)院副教授，主要從事新能源材料與器件研究。

[中圖分類號(hào)] G642.4? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）25-0149-04? ?[收稿日期] 2021-05-08

一、“半導(dǎo)體材料與器件”課程內(nèi)容和課程目標(biāo)

“半導(dǎo)體材料與器件”是三峽大學(xué)材料與化工學(xué)院材料工程、化學(xué)、材料科學(xué)與工程三個(gè)碩士點(diǎn)的專業(yè)課程，自2013年開設(shè)該課程?！鞍雽?dǎo)體材料與器件”主要介紹半導(dǎo)體材料的基本知識(shí)和基礎(chǔ)理論，包括半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中淺/深雜質(zhì)和其分別對(duì)載流子濃度/壽命的影響、載流子漂移運(yùn)動(dòng)/擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、半導(dǎo)體材料的光吸收;半導(dǎo)體器件的基本知識(shí)和基礎(chǔ)理論包括PN結(jié)、金屬-半導(dǎo)體結(jié)、三極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本材料結(jié)構(gòu)組成、能帶結(jié)構(gòu)和工作原理[1] （P20）。該課程是連接半導(dǎo)體材料性質(zhì)和器件應(yīng)用的橋梁學(xué)科，在以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的新型光電、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)（如光/電催化、太陽能電池、鋰電池、LED、傳感器等）應(yīng)用技術(shù)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)中具有重要基礎(chǔ)地位[2，3]。

二、傳統(tǒng)教授式模式介紹和其考核及成績?cè)u(píng)定方式

傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及學(xué)時(shí)分配情況如表1所示[4，5]。

傳統(tǒng)考核評(píng)定為開卷筆試，成績占70%;平時(shí)成績占30%（到勤、課上活躍度）。

三、以問卷調(diào)查學(xué)生專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)鋪墊情況

由于授課對(duì)象來自不同本科院校不同專業(yè)，需以問卷調(diào)查形式了解他們的專業(yè)知識(shí)鋪墊情況。根據(jù)問卷結(jié)果，確定講授內(nèi)容范圍、課后習(xí)題形式、學(xué)習(xí)小組等。

例如，通過組建QQ群，利用群內(nèi)“投票”功能，要求所有選課學(xué)生投票回答下列選擇題：（1）本科修過半導(dǎo)體物理嗎，A.修過;B.沒修過。（2）修過固體物理嗎，A.修過;B.沒修過。（3）有無修過接觸過量子力學(xué)，A.修過;B.沒修但接觸過;C.沒有接觸過。（4）有無修過材料科學(xué)基礎(chǔ)且對(duì)晶體結(jié)構(gòu)有清晰印象，A.修過且對(duì)晶體結(jié)構(gòu)有清晰印象;B.修過但對(duì)晶體結(jié)構(gòu)已沒有清晰印象;C.沒修過但在其他課程學(xué)過晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容;D.都沒有。通過查看學(xué)生投票結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)絕大部分同學(xué)沒有修過量子力學(xué)和固體物理，個(gè)數(shù)同學(xué)接觸過一點(diǎn)量子力學(xué)，更個(gè)數(shù)修過半導(dǎo)體物理。材料學(xué)背景的學(xué)生修過材料科學(xué)基礎(chǔ)，但他們中小半數(shù)已對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒有清晰印象了;化學(xué)專業(yè)學(xué)生大部分沒修過材料科學(xué)基礎(chǔ)，在其他課程中學(xué)過晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容但也已模糊。我們決定補(bǔ)充晶體結(jié)構(gòu)（材料科學(xué)基礎(chǔ)中的內(nèi)容）、量子力學(xué)初步（量子力學(xué)的少部分基礎(chǔ)內(nèi)容）、能帶理論（固體物理中的內(nèi)容）作為預(yù)備鋪墊知識(shí)，根據(jù)它們的內(nèi)在邏輯并結(jié)合知識(shí)點(diǎn)難易程度安排先后順序和學(xué)時(shí)時(shí)間;正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不追求完整細(xì)致嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，不布置計(jì)算類作業(yè)而要求繪制每個(gè)內(nèi)容塊（即下文提到的九個(gè)專題塊）的思維導(dǎo)圖，建立清晰的思維脈絡(luò)，強(qiáng)化對(duì)物理概念的理解和掌握;根據(jù)學(xué)生已有專業(yè)基礎(chǔ)，交叉分組，首先將修過半導(dǎo)體物理的學(xué)生分散到不同小組，再兼具平衡分散材料背景和化學(xué)背景的學(xué)生。

四、翻轉(zhuǎn)課堂

（一）“半導(dǎo)體材料與器件”課程目標(biāo)再擬

一是知識(shí)培養(yǎng)。理解掌握量子力學(xué)、固體物理、材料科學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí);半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu);半導(dǎo)體中載流子的漂移和擴(kuò)散;半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷及對(duì)半導(dǎo)體性能的影響;非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合機(jī)理;PN結(jié)的結(jié)構(gòu)特性及其物理機(jī)理;其他半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和工作原理。二是能力素質(zhì)培養(yǎng)[6] （P98）。培養(yǎng)半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)與性能分析能力;具備半導(dǎo)體材料與器件專業(yè)的基本素質(zhì);培養(yǎng)自學(xué)、組織交流、匯報(bào)工作能力。三是結(jié)合所在學(xué)院各個(gè)團(tuán)隊(duì)研究方向中與半導(dǎo)體相關(guān)的內(nèi)容，探究和講授相關(guān)科學(xué)問題和科學(xué)前沿，從而促進(jìn)研究生的科研工作。

（二）“半導(dǎo)體材料與器件”課程內(nèi)容再擬

梳理課程內(nèi)容后擬定10個(gè)專題，具體為：（1）半導(dǎo)體的材料結(jié)構(gòu);（2）量子力學(xué)初步;（3）緊束縛模型和能帶;（4）半導(dǎo)體中的雜質(zhì);（5）半導(dǎo)體的非平衡態(tài);（6）漂移電流和擴(kuò)散電流;（7）半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)類型;（8）PN結(jié)工作原理與LED，太陽能電池;（9）金半接觸和晶體管;（10）科研相關(guān)。

（三）“半導(dǎo)體材料與器件”學(xué)習(xí)組織形式再擬

采用專題匯報(bào)+討論+思維導(dǎo)圖作業(yè)方式進(jìn)行。（1）3人小組選一個(gè)專題，該小組在教師指導(dǎo)下利用課下時(shí)間提前準(zhǔn)備PPT和其他匯報(bào)材料，課上用45～60分鐘匯報(bào)，之后用15～20分鐘教師點(diǎn)評(píng)，其他學(xué)生提問。（2）由3人小組兩兩組成的6人組分別進(jìn)行60～90分鐘小組討論，可通過PPT/文檔/視頻/圖片輔助，期間教師不定時(shí)進(jìn)入不同討論小組，幫助討論高效進(jìn)行。（3）課后每人提交每個(gè)主題的思維導(dǎo)圖，每個(gè)組每次討論學(xué)習(xí)后，評(píng)出組內(nèi)最佳提問者、最佳答疑者和最勤奮學(xué)習(xí)者，教師將其納入平時(shí)成績。疫情期間，我們采用騰訊會(huì)議，開始所有學(xué)生和教師在一個(gè)會(huì)議室聽PPT匯報(bào)并集體討論，后由6人組各自申請(qǐng)會(huì)議號(hào)在不同會(huì)議室談?wù)?，教師不定時(shí)進(jìn)入不同會(huì)議室觀察討論情況并做簡要答疑。2020年春，學(xué)生的分組情況如表2所示。