微电子半导体物理课程教学改革初探

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摘要：半导体物理学为电子信息类专业一门重要的基础理论课程，具有内容抽象、教学模式单一、学生参与度不高等特征，本论文系统分析了半导体物理课程教学中存在的一些典型问题，并以微电子专业为例，结合其专业特色，提出了在教学中引入前沿热点案例分析、互动教学、双语教学等相应改革措施，为高校特色专业建设提供了一条新思路。

关键词：微电子专业；半导体物理；课程教学改革

“半导体物理学”是电子科学与技术、微电子科学与工程、集成电路设计等专业的一门重要基础课程，对培养学生今后从事光伏、LED、锂电池等先进电子材料及器件领域以及集成电路设计及制造等相关领域的研究及工作具有重要意义[1,2]。作为微电子专业最重要的课程之一，虽然不少高校充分认识到了“半导体物理学”对于相关学科发展以及学生专业素质培养的重要性[3,4]，但由于这门课程存在内容抽象、教学模式单一、学生参与度不高等特点，导致其实际教学效果往往并不理想。因此，本论文系统分析了半导体物理课程教学中存在的一些典型问题，并以微电子专业为例，结合其专业特色，提出了在教学中引入前沿热点案例分析、互动教学等相应改革措施，希望为高校特色专业建设提供一条新思路。

一“半导体物理学”课程教学中存在的若干典型性问题

重庆邮电大学“半导体物理学”课程所用教材为刘恩科、朱秉升、罗晋生等人编著的《半导体物理学（第七版）》（电子工业出版社，2011年3月第2版），该教材属于普通高等教育“十一五”国家级规划教材，电子科学与技术类专业精品教材。结合该教材的内容设置以及本人所在微电子系部教研室的相关教学实践，我们发现该门课程存在以下典型问题：（一）内容抽象。根据重庆邮电大学微电子系的教学大纲，“半导体物理学”可分为两大部分[5]，其中第一部分主要介绍半导体的相关基础知识，包括半导体中的载流子状态及能带结构、杂质及缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性及非平衡载流子。第二部分主要介绍与半导体器件结构相关的界面效应，包括pn结、金属和半导体的接触、MIS结构、半导体异质结等。该课程教学过程中涉及知识面广，需要学生在选修该门课程之前具有扎实的高等数学、固体物理、量子力学等课程基础，单纯依赖教师的讲解无法在规定学时内达到预期教学效果。同时，本门课程物理概念多、易混淆知识点多、物理模型推导过程繁琐，因此，学生在学习过程中经常感到内容抽象、知识点衔接困难，进而失去学习动力。另外，本门课程为基础理论课，较难通过实物演示让学生明白其中的物理过程，这也给不少学生理解相关知识点带来了困难。（二）教学模式单一。与大部分高校类似，重庆邮电大学“半导体物理学”课程的讲授方式也是课堂板书加多媒体技术的教学方式。这种单一的教学模式一方面会使得教师无法合理规划教学进度。由于这种传统授课模式主要依赖于教师的讲解，而本门课程的内容较多，难度较大，但仅设置了64学时，使得不少教师的授课重点集中于概念的讲解及相关模型公式的推导，而极少有时间详细讲解相关概念及模型的来龙去脉、相互关联以及应用实例，这样使得教师虽然付出了大量的心血，但实际教学效果并不理想。另一方面，单一的教学模式会让学生感觉内容枯燥，缺乏学习兴趣，进而导致其对相关的知识点理解不够透彻，逐渐对课程学习感到吃力，以至于出现厌学的情况。（三）学生参与度不高。根据我们多年的教学实践发现，不少大学生对“半导体物理学”课程的参与度比较低，具体表现在以下几个方面：（1）认知方面：大部分学生课后不会对所学知识加以归纳，没有课前预习课后复习的习惯，不会利用图书馆的资源学习，课后作业经常出现抄袭现象，在课程考试前夕只能通过传统方式进行死记硬背，造成学习效率低下，并且对知识的理解与运用不够。（2）兴趣方面：在教学实践过程中，学校过于注重学生的卷面成绩，忽视了学生的兴趣培养，从而导致在教学过程中，十分注重知识点的记忆，这样一来，课堂必然缺乏活跃氛围，长此以往，学生将会对“半导体物理学”课程学习产生抵触心理。（3）行为方面：虽然出于提高学生注意力的考虑，不少大学已经禁止学生在课堂上使用电子产品，但不少学生在课堂上仍然表现得非常沉默，不愿与教师交流，没有自己的想法，同时在课外很少主动学习相关知识，尤其是实验动手能力较弱。

二“半导体物理学”教学改革探索

微电子专业为重庆邮电大学重点发展学科之一，拥有重庆市微电子工程重点实验室、中央与地方共建的微电子工程中心、“微电子专业实验中心”重庆市高校实验教学示范中心等多个教学及科研基地。微电子专业采取国际化的办学思路，力求培养具有国际视野、面向工程应用、面向市场需求，致力培养涵盖微电子器件研发、集成电路及系统设计、集成电路工艺研发、芯片封装测试等高端理论研究和实践应用型专业人才。为实施教育教学改革和人才培养创新办学模式，该专业采用与国际接轨的先进教学理念和“1+2+1”培养模式培育学生，即第1年以外教为主强化英语教学，培养国际化基础能力；第2-3年聘请国内外专家学者到校教学，着重学生的专业基础和技能培养；第4年为学生提供到境内外知名集成电路企业实习、到境内外知名大学学习及攻读硕士学位等个性化培养方案。针对第一部分提到的若干典型问题，我们以重庆邮电大学微电子专业为例，结合其面向工程应用、面向市场需求、国际化教学等专业特色，提出了在教学中引入前沿热点案例分析、互动教学、双语教学等一系列改革措施，希望为高校特色专业建设提供一条新思路。（一）前沿热点案例分析。由于“半导体物理学”的内容抽象，长时间的理论讲解会使学生感到枯燥乏味，因此我们有必要结合当前的热点科技问题讲解本门课程相关知识点在生产实践中的具体应用，以激发学生的学习兴趣，同时提高学生分析问题，解决问题的能力。当今微电子技术的发展日新月异，与材料科学与工程、自动化、机械工程、生物工程、计算机科学等领域的交叉及渗透越来越强，不断涌现出许多新问题、新概念、新理论及新方法[6-8]。这些前沿科技成果的理论基础正是“半导体物理学”，对相关前沿热点进行案例分析，是该门课程教学改革的突破口。在保持课程知识结构的完整性与系统性的同时，合理安排教学内容，在教学中适当增加新的知识，并简要介绍微电子行业未来发展趋势，有利于提高学生的专业素养及创新思维能力。例如，我们在讲授二极管、三极管相关内容时，除了讲解传统的结构，还可以结合量子力学的最近成果，简要介绍自旋场效应晶体管、单电子晶体管等新概念器件。还可以结合手机发展史，说明每一代半导体材料及电子元器件对通讯技术变革的深刻影响。通过对这些前沿热点进行案例分析，可以激发学生的学习热情以及参加相关科技活动的积极性，同时也会使学生意识到“半导体物理学”既有趣又有用，不仅对他们后续专业课程的学有裨益，也对其今后的学习深造及工作影响深远。（二）互动教学。由于每个学生的基础并不一样，因此在教学过程中要注意因材施教，引导学生进行思考，化被动为主动，让学生自己发现问题并尝试解决问题。这种模式需要学生与教师在课堂中有充分的互动交流，而不仅仅是教师的独角戏，这样会有利于学生后期的国际化培养。这种互动教学模式一般分为三个步骤：首先是确定教学目标。教师在每节课程结束时通过相关问题引出下次课的教学目标及主要内容，让学生带着问题去预习。例如在讲解电子有效质量的概念时，可以先让学生思考如何描述半导体中电子的运动状态？运动的电子与自由电子有什么不一样？如何处理半导体晶格中原子及其他电子的影响?这样学生需要复习固体物理中与自由电子模型相关的内容，再结合对教材相关章节的预习，学生就会对电子有效质量有更深刻的认识。然后是头脑风暴。在新课之前，给学生一些时间对上次提出的问题进行小范围的讨论，最后教师对学生的回答进行点评，这样可以促使学生参与课堂学习，避免一些学生因为听不懂问题而逐渐对本课程失去兴趣，同时也可以加深学生对相关知识点的理解。最后是分组讨论。教师在讲解新内容时可以通过提问-讨论-分析-总结的方法让学生全程参与互动学习。这样学生不仅能够掌握新的知识，还能锻炼其思维能力及表达能力，增进课堂学习氛围。同时这种互动教学模式也可以提高参与讨论学生的成就感，改变他们对“半导体物理学”的固有观念，提高自我学习能力。（三）双语教学。为支撑本专业学生的国际化培养，我们与必要在讲授“半导体物理学”时，对相关的专业英语知识进行简要介绍，这样才能提升学生的国际化视野。目前，许多学生在阅读英文科技文献时最大的障碍是专业词汇贫乏。其实，不少专业词汇学生们并不陌生，只是不了解其不同语境中的含义以及用法，例如“空穴”用英文表达为hole，“载流子”用英文表达为carrier，其含义与“孔洞”、“运输工具”等常见意义相去甚远，教师在课堂上结合相关知识点予以说明后学生便非常容易掌握和记忆。我们在实际教学中，除了在讲述相关重要的概念时会进行英文注释，还会在每个章节的开头及小结部分介绍知识网络图时用中英文说明，而在讲解某些技术前沿进展时，我们也会采用英文课件。通过这样长期的熏陶，学生会逐渐习惯相关知识点的英文表达方式，这对学生后期的国际化培养至关重要。

三“半导体物理学”教学改革实践效果

在我校进行新工科建设、微电子特色专业建设以及工程教育专业认证的背景下，我们在2016级及2018级微电子专业本科实验班中对“半导体物理学”课程进行了试点教学改革，取得了良好的教学效果。通过引入前沿热点案例分析、互动教学等相应改革措施，学生的学习热情及自我学习能力得到了极大提高，许多学生在课后也愿意在课后到图书馆搜集资料，独立思考并解决相关学习问题，同时与其他班级对比发现，试点班级学生的卷面成绩要比对照班级平均高20%。由此可见，教学模式的改变能激发学生的学习兴趣及创造性。学生也乐于运用“半导体物理学”去解决一些实际问题，参加相关的科技活动，提升自己的综合能力。

四结语

近年来，作者一直在高校从事“半导体物理学”的教学工作，实践表明，半导体物理学为电子信息类专业一门重要的基础理论课程，具有内容抽象、教学模式单一、学生参与度不高等特征，从而导致教师往往付出了大量心血，但教学效果却经常不理想，针对这些问题，我们提出了在教学中引入前沿热点案例分析、互动教学、双语教学等相应改革措施，激发了学生自我学习的主动性，并收获了良好的教学效果。我们期待今后不断发展和完善新的教学模式，为高校特色专业建设提供一条新思路。

参考文献

[1]张静,洪学鹍,侯海虹，等,新能源专业“半导体物理”课程教学改革初探[J],科教文汇(上旬刊),2016,370:46-47.

[2]王振,王培，王巍.微电子类相关专业半导体物理教学探讨[J].读写算-素质教育论坛,2015,19:7-8.

[3]耿莉，徐友龙，张瑞智.创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究[J].电气电子教学学报,2009,31:85-88.

[4]李新宇.浅谈西部理工院校半导体物理教学[J].教育教学论坛,2017,13:167-168.

[5]刘恩科,朱秉升，罗晋生.半导体物理学（第七版）[M].电子工业出版社,中国北京,2011:1-278.

[6]王月,李雪，张经慧.“研究型学习”教学模式在半导体物理教学中的应用[J].教育现代化,2017,13:142-143.

[7]徐跃.融入研究性学习思想的半导体物理教学改革与实践[J].科技创新导报,2014,35:141-142.

[8]张铭,王如志,汪浩,等.基于研究性学习的半导体物理课程教学改革[J].科教文汇(上旬刊),2011,7:47-48.

作者:尹康 周前能 张丽 冯世娟 戚飞 张文霞 单位:重庆邮电大学