微电子科学与工程专业半导体器件探讨

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【摘要】随着通信技术的发展，教学模式已由传统的面对面教学发展到线上教学。线上教学可以保障学习不受时间、空间的限制，只要具备网络条件，学生便可以进行课程知识的学习。以中南大学微电子科学与工程专业半导体器件物理课程的线上教学实施为例，分析课程的课堂签到情况、听课情况、作业完成情况等，提出优化教学内容、引入课程思政元素、加强课堂互动等改进方式，以提升教学质量，培养适应现代化建设和科技发展的高素质微电子领域人才。

【关键词】线上教学;微电子科学与工程专业;半导体器件物理课程

受肺炎疫情的影响，人们的工作、沟通和学习方式等都发生了重大变化。［1，2］其中，学校教育的工作模式由传统的面对面教学转变为线上教学。［3］线上教学主要分为两种方式，即直播教学和利用线上资源开展教学。直播教学模式基本复制了传统的教学方法，易于被教师和学生接受。而利用线上资源开展教学，则是一种新型的教学方式，对于教师和学生而言，他们在思想和能力上仍存在一定的适应困难。对于教师来说，开展线上教学需要教师具备创新教育理念，熟悉现代信息科技产品的使用方法。对于学生来说，参与线上学习需要学生具备必要的学习硬件设施，具有较强的自我管理能力，能够主动识别网络不良信息。线上教学打破了传统教学的局限性，资源更为丰富，能够拓宽学生的知识面，实现对问题的深入探究。更重要的是通过现有的大数据技术，可以追踪学生学习的全过程，通过对学生学习过程进行分析，可以精确诊断学生在学习中存在的问题，对学生提出定制化的指导建议，也有利于教师发现教学中存在的问题，便于教师改进教学方案，提升教学质量。［4］在肺炎疫情影响下，中南大学将2019～2020年度下学期的课程全部调整为线上教学课程。其中，半导体器件物理课程是中南大学微电子科学与工程专业二年级学生的专业必修课，该课程于2019年开始实施线上线下混合式教学改革，在2020年初开始录制线上课程资源，主要采用“讲授课件+录屏”的方式开展教学。课程于2020年3月通过超星教学平台开展线上教学，目前已对一个班级开展授课，学生为24人。本文对半导体器件物理课程的课堂签到情况、听课情况、作业完成情况等展开分析，并根据半导体器件物理课程基础理论要求高、内容抽象等特点，［5］对后期教学的改进提出建议。

一课堂情况

课堂授课作为教学过程中的重要环节，汇集了课程的教学内容、教师的教学组织、学生的知识学习过程，对课堂签到、反刍比、任务完成、课后作业及期末成绩等多项指标进行统计，分析学生的时间观念、学习态度和自我管理等多维度信息。1.签到情况半导体器件物理课程的授课时间为每周一下午第7～8节课和周三晚上第9～10节课，选取其中10次课堂的签到情况进行数据统计。签到表现分为4种情况，早签、正常签、迟签和不签。其中，早签定义为上课当天中午12点前签到，正常签指12点以后至下课前签到。24名学生的实际签到统计情况如图1所示，其中，不签率仅为2.1%，反映出学生的签到意识较强，但迟签率较高，为30.4%，早签率相对较低，仅为13.8%，说明学生的时间观念有待加强。为便于数据分析，对早签、正常签、迟签和不签4种情况定义不同权重系数，分别为20、10、5和0，根据总权重对24位同学进行排序分析，如图1折线所示，由左至右权重逐渐增加。根据签到权重分，可将学生分为签到优秀(≥105分)、合格(85～100分)和不合格(≤80分)三类，在图1中用虚线将三类人员分开，人数分别为7、11和6，优秀和不合格人数分别占比29%和25%，结果呈正态分布。其中，早签的63.6%为签到优秀学生，不签的80%发生在签到不合格的学生中。签到加权分数最低的1号同学的签到情况非常特殊，他没有一次不签，但也没有一次正常签，全部为迟签，可见1号同学的时间观念和自我管理意识不强。2.听课情况对学生观看课程视频的反刍比数据进行分析，如图2所示。反刍比的平均值为105.74%，签到优秀、合格和不合格学生反刍比的平均值分别为71.44%、110.60%和127.56%。反刍比低于70%的共有6名学生，其中67%为签到不合格学生;反刍比高于130%的有6名学生，其中67%为签到优秀学生。由此可以得出，签到情况与学生的听课主动性、认真程度有较强的相关性。此外，1号同学的反刍比接均水平，说明1号同学具有较强的求知欲和学习兴趣。课程讲授方式包括线上学习和翻转课堂两种，半导体器件物理课程以线上学习为主，共计42学时，21次课时。将教学视频、课件及课外拓展资源均上传至教学平台，平台上的浏览次数可以反映学生的学习积极性。调取学生浏览次数的统计数据，结果如图3所示，浏览次数最高为432次，是最低次数80次的5.4倍。浏览次数排名最靠前的3名学生有两名是签到优秀学生，而浏览次数排名最末尾的3名学生均为签到不合格学生，这反映出学生的签到情况与学习积极性具有较强的正相关性。如果以每学时有一次浏览来计算，预计浏览总次数应达到1008次，而实际浏览次数共计5555次，人均浏览231次。其中，签到优秀、合格和不合格学生的平均浏览次数分别为293次、236次和151次，这反映出近80%的学生具有较强的学习积极性。此外，本课程共布置网上任务92次，学生任务完成次数如图3所示，75%的学生完成了全部任务，在没有完成全部任务的学生中，有84%的学生为签到不合格学生。图3课程浏览次数和任务完成次数统计3.作业完成情况在网上建立课后小测验的试题库，要求学生在学习完对应章节后，完成作业并提交，由网上自动批改系统进行批改，再反馈给学生，这不仅减少了老师的工作量，而且大大提高了信息反馈速度，有利于调动学生的学习主动性。图4作业平均分和期末成绩统计作业平均分统计如图4所示，作业平均分为86.5分。其中，签到优秀、合格和不合格学生的作业平均分分别为90.03分、91.15分和73.86分，签到合格学生的作业平均分略高于签到优秀的学生，但差距不大，而作业平均分排名靠后的25%的学生中，有83.3%为签到不合格的学生。由此可见，学生对知识的理解不仅与自身的学习主动性有关，还与学生的认真程度、理解能力及知识基础等多方面因素有关。4.学习效果对学生的学习效果进行评价时，需综合考虑学生的课堂参与度、课后作业和期末考试三方面的情况。为了减少人为因素，便于数字化评判，仅对期末考试成绩进行分析。本次考试为网上开卷考试，成绩如图4所示，平均期末成绩为78.33分。其中，签到优秀、合格和不合格学生的平均期末考试成绩分别为81.57分、75.9分和79分。期末考试成绩低于平均分的学生共有11人，其中，签到优秀、合格和不合格学生的人数分别为2人、5人和3人。期末成绩高于85分的学生共有8人，其中2人为签到优秀，5人为签到合格，1人为签到不合格。由于期末考试的综合性与难度较高，签到优秀与签到合格的学生之间的分差较大，对比这部分学生的作业平均分与期末成绩可以看出，二者具有较高的相关性，相比之下，学生的作业平均分、期末成绩与签到、反刍比等其他学习过程参数的相关性较弱。平时签到率低的学生在期末考试中成绩波动性较签到率高的学生更大，平时签到率低的学生平均期末考试成绩超过签到合格的学生，但略低于签到优秀的学生，说明期末考试成绩受学生的重视程度影响较大。尽管半导体器件物理课程的理论性较强，但在网络视频教学资源的支撑下，学生可以根据自己的需要学习课程内容，经过短时间的强化学习，仍然可以在期末考试中取得较好的成绩。这种学习方法虽然能够在短时间内提升期末考试成绩，但从知识积累上看，这种方式获取的知识被遗忘的时间周期也较短，不利于知识的有效积累。

二教学改进方向

通过对上述网上教学数据的分析与思考，得知多数学生都具有较好的自我管理能力和学习主动性。为了提升线上教学质量，半导体器件物理课程还需要从教学内容的设计与呈现、学生学习兴趣的调动、学生综合素质能力的培养等多个方面进行优化。由于半导体器件物理课程是微电子相关专业的必修课，理论知识枯燥乏味、深奥抽象、难以理解，学习起来难度较大，这就需要教师结合中南大学微电子科学与工程专业培养封装制造领域优秀人才的目标和工程应用特点，优化教学内容，构建一套完整的知识体系，进一步拓展器件工程应用与设计的联系，适当增加教学难度，设置一些高阶知识点，需要学生“跳一跳才”能“摘”得到，提升学生的学习成就感，激发学生的学习兴趣。在教学内容呈现上，引入课程思政元素，如开展老一辈科技工作者在艰苦条件下取得的微电子领域卓越科研成果案例教学，培养学生自强不息的奋斗精神，提升课程教学效果。同时，可以在教学过程中增加课前回顾和课后小结环节，及时对教学中的重点内容进行全面分析、总结，帮助学生快速抓住课程重点。在教学过程中加强课堂互动，尤其是学生之间的互动，引导学生培养探究性学习习惯，加强自我表达和人际沟通能力的培养。完善试题库建设，增加开放性问题的设置比例，培养学生的发散性思维，加强基础知识的学习，培养学生的创新能力。此外，充分利用网络资源，开展互动反馈教学，促进师生互动、生生互动，形成闭环正反馈系统，不断完善网络课程建设。

三结论

线上教学模式是新技术与教育发展需求相结合的有效育人模式，能够为教育资源共享、提升教学质量、应对突发灾害等提供有效的解决路径。教师在教学过程中，可以根据学生的课堂签到率、作业完成情况和反刍比等了解学生的学习情况，对学生进行个性化综合评判。同时，还需要从优化教学内容、引入课程思政元素、加强课堂互动等多维度进行教学优化，以提升线上教学质量，培养学生的创新能力，提高学生的综合素质。

参考文献

［1］湛新星．浅析后疫情时期高校线上教育的发展［J］．科技视界，2020(23)

［2］曾文辉．线上教育之思［J］．广东教育(综合版)，2020(6)

［3］吴玲玲．线上教育中“教”的变化［J］．各界，2020(16)

［4］马祥，廖春生．高校网络课程建设及教学评价研究［J］．教育教学论坛，2020(11)

［5］马奎．关于半导体器件物理课程教学方法改革的几点考虑［J］．教育教学论坛，2020(22)

作者：孙小燕 胡友旺 单位：中南大学机电工程学院