卓越工程計劃下的固體物理教學(xué)改革*

王少昊施隆照魏榕山

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院福建 福州350108)

*“福州大學(xué)高等教育教學(xué)改革工程”項目資助，項目編號：036171

摘 要：福州大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)按照“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”指導(dǎo)方針的要求，在教學(xué)改革中創(chuàng)造性地開設(shè)《固體物理與半導(dǎo)體物理》專業(yè)基礎(chǔ)課程.在近4年的教學(xué)實踐中，不僅對教學(xué)內(nèi)容進行全方位整合與優(yōu)化，還通過運用互動式教學(xué)、與工程實踐相結(jié)合的教學(xué)方法、多元化考核等教學(xué)手段，使試點班培養(yǎng)的學(xué)生在減少43%課時的情況下，專業(yè)物理基礎(chǔ)基本達到了教育部的教學(xué)質(zhì)量要求.

關(guān)鍵詞：卓越計劃固體物理半導(dǎo)體物理教學(xué)改革

收稿日期：(2014-10-31)

作者簡介：王少昊(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向為光子集成電路技術(shù)、波導(dǎo)光學(xué).

1前言

2010年起，包括福州大學(xué)在內(nèi)的全國61所大學(xué)成為第一批承擔(dān) “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃” (以下簡稱“卓越計劃”)試點工作的院校. 為了達到增強學(xué)生工程實踐能力的目的，“卓越計劃”要求試點專業(yè)需通過壓縮專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時數(shù)來增加企業(yè)實踐方面的學(xué)時數(shù)[1].作為福州大學(xué)首批入選的8個專業(yè)之一，微電子學(xué)專業(yè)在教學(xué)改革中貫徹了這一要求，增加了共28學(xué)分企業(yè)課程和(企業(yè))實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對專業(yè)基礎(chǔ)課進行學(xué)時壓縮，其中就包括微電子學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中十分重要的兩門學(xué)科基礎(chǔ)課——《固體物理》和《半導(dǎo)體物理》.

自20世紀(jì)起，固體物理學(xué)的發(fā)展方興未艾，衍生出了半導(dǎo)體物理、化學(xué)物理、表面物理、材料科學(xué)等眾多子學(xué)科和交叉學(xué)科，推動了像半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)、納米材料等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，是奠定第三次科技革命的基礎(chǔ)學(xué)科之一，產(chǎn)生了眾多諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎成果.由于其重要性，自20世紀(jì)50年代起，固體物理學(xué)一直是我國物理類專業(yè)教學(xué)體系中的一門核心基礎(chǔ)課[2,3].對于微電子專業(yè)，固體物理學(xué)衍生的半導(dǎo)體物理學(xué)也是一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計、制造、封測等專業(yè)工程技能的基礎(chǔ).

本文作者自2011年起承擔(dān)包括第一批試點班在內(nèi)的4屆“卓越計劃”班的《固體物理與半導(dǎo)體物理》講授任務(wù).目前其中兩屆已經(jīng)完成企業(yè)實踐環(huán)節(jié)并順利畢業(yè).本文中，作者將結(jié)合心得和體會，針對“卓越計劃”背景下微電子科學(xué)與工程專業(yè)固體物理與半導(dǎo)體物理教學(xué)中所面臨的培養(yǎng)方案設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容取舍、教學(xué)方法應(yīng)用等諸多問題進行階段性的總結(jié)和討論.

2“卓越計劃”背景下對本門課程教學(xué)質(zhì)量的要求

根據(jù)教育部頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄(2012年)》，微電子科學(xué)與工程(編號080704，原為微電子學(xué)專業(yè))是電子信息類的基本專業(yè)之一[4].《電子信息類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)(第二輪征求意見稿)》 (以下簡稱《征求意見稿》)在“1.1.2 學(xué)科基礎(chǔ)知識”中提出,“微電子科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)包括量子力學(xué)、統(tǒng)計物理、固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子器件、微電子工藝、工程圖學(xué)等知識領(lǐng)域中至少4個知識領(lǐng)域的核心內(nèi)容.” 兄弟院校除少數(shù)頂尖高校專門開設(shè)量子力學(xué)課程外，一般選擇講授固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子器件、微電子工藝這4個核心內(nèi)容，講授順序為固體物理、半導(dǎo)體物理、微電子器件/微電子工藝.

根據(jù)《征求意見稿》 “1.1.3專業(yè)知識”一節(jié)提及的10個專業(yè)知識領(lǐng)域中，以固體物理和半導(dǎo)體物理為基礎(chǔ)的是集成電路原理與設(shè)計、半導(dǎo)體材料、電力電子器件、光電器件、微波器件與電路、微電子機械系統(tǒng)、射頻集成電路、專用集成電路等.由此可見固體物理和半導(dǎo)體物理在整個微電子科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)體系中的重要性.

《征求意見稿》還根據(jù)不同的情況，給出微電子科學(xué)與工程專業(yè)核心課程體系的3個建議示例(如表1所示).

表1　征求意見稿中微電子科學(xué)與工程專業(yè)核心課程體系建議與本校該專業(yè)普通班、試點班體系比較

示例一是針對類似“卓越計劃”的情況給出的調(diào)整方案.該方案明顯弱化了專業(yè)基礎(chǔ)課，取消《固體物理學(xué)》課程，將其作為基礎(chǔ)知識并入《半導(dǎo)體物理學(xué)》中.據(jù)我們了解，試點 “卓越計劃”微電子科學(xué)與工程專業(yè)的兄弟院校最初采用這一方案的不在少數(shù). 但在實施過程中，該方案容易造成學(xué)生專業(yè)物理基礎(chǔ)薄弱的情況發(fā)生，不利于科研型學(xué)生的培養(yǎng)，同時也減弱工程型學(xué)生在日后發(fā)展中適應(yīng)技術(shù)變化的能力以及在企業(yè)中的發(fā)展后勁.

示例二是面向微電子科學(xué)與工程專業(yè)普通班的課程設(shè)置建議，與福州大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)普通班的十分接近.

示例三則減少了專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時，增加了半導(dǎo)體光電方向課程.

盡管微電子科學(xué)與工程專業(yè)“卓越計劃”試點高校面臨著“卓越計劃”的工程導(dǎo)向型要求和專業(yè)從理科到工科的轉(zhuǎn)變，但我們認(rèn)為作為985,211計劃中的高水平院校，不應(yīng)當(dāng)弱化甚至是放棄對專業(yè)固體物理基礎(chǔ)的要求. 課程改革的方向應(yīng)當(dāng)是在“卓越計劃”下，在有限的學(xué)時內(nèi)努力地提高專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量，打牢學(xué)生的專業(yè)物理基礎(chǔ)來滿足國家對專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量的要求.只有這樣才能避免高水平院校“卓越計劃”工程教育“?？苹焙汀奥殬I(yè)化”現(xiàn)象的出現(xiàn).

基于上述考慮，福州大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)在培養(yǎng)計劃中大膽地將《固體物理》與《半導(dǎo)體物理》這兩門學(xué)科基礎(chǔ)課結(jié)合在一起，創(chuàng)造性地開設(shè)《固體物理與半導(dǎo)體物理》課程.與《征求意見稿》示例一相比，該課程在不改變學(xué)時數(shù)的前提下大幅增加固體物理學(xué)內(nèi)容，從而保證有充足的學(xué)時向?qū)W生講授固體物理基礎(chǔ)知識.

而在具體課程大綱的制定中，任課教師面臨著諸如總學(xué)時數(shù)大幅減少43%(由原來的112學(xué)時減少為64學(xué)時)、前期沒有開設(shè)《量子力學(xué)》等具體困難.教學(xué)內(nèi)容的取舍、教學(xué)方法的采用等方面都對該課程的順利完成提出了諸多挑戰(zhàn).

3教學(xué)內(nèi)容整合與優(yōu)化

由于總學(xué)時數(shù)壓縮到64學(xué)時，我們在《固體物理與半導(dǎo)體物理》課程保留了《固體物理》中“晶體結(jié)構(gòu)”等7個章節(jié)的內(nèi)容(30學(xué)時)，《半導(dǎo)體物理》中的5個章節(jié)(28學(xué)時)，及《量子力學(xué)初步》背景介紹(6學(xué)時，但不作為考點)，詳見表2.

表2福州大學(xué)“卓越計劃”微電子專業(yè)《固體物理與半導(dǎo)體物理》教學(xué)大綱中的章節(jié)安排

章節(jié)章節(jié)內(nèi)容原課程學(xué)時/學(xué)時1晶體結(jié)構(gòu)2晶體的X射線衍射3晶體的結(jié)合4晶格振動5晶體的熱學(xué)性質(zhì)固體物理學(xué)644446量子力學(xué)初步量子力學(xué)67金屬電子氣8能帶固體物理學(xué)449半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)10半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級11半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布12半導(dǎo)體的導(dǎo)電性13非平衡載流子半導(dǎo)體物理學(xué)53758

3.1《固體物理》與《半導(dǎo)體物理》的結(jié)合方案

《固體物理》是《半導(dǎo)體物理》的基礎(chǔ)，二者在教學(xué)內(nèi)容中存在幾個重疊的部分，因此我們制定的結(jié)合方案如下.

(1)將《半導(dǎo)體物理》第一章中“磁場中的電子運動”內(nèi)容整合在《固體物理》第六章中講述，而在講授半導(dǎo)體物理時只捎帶提及.這樣做的好處是保證了學(xué)生掌握電子在晶體中運動的知識的完整性.

(2)將原《固體物理》第八章、第九章的E(k) -k關(guān)系、有效質(zhì)量、等能面、半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)等知識點統(tǒng)歸到《半導(dǎo)體物理》第一章內(nèi)(即表2中的第9章)講授.這樣做的好處是在提高學(xué)時數(shù)利用效率的同時，兼顧了知識點的完整性和前后內(nèi)容的銜接.

3.2初步將《量子力學(xué)》基本內(nèi)容嵌入到該課程中

最初制定的《固體物理與半導(dǎo)體物理》教學(xué)計劃中并不包含量子力學(xué)內(nèi)容.但隨著教學(xué)實踐活動的開展，我們發(fā)現(xiàn)《固體物理》第六章中的“一維情況下自由電子費米氣”內(nèi)容需要介紹一維周期勢阱和一維諧振子勢場，而這一部分內(nèi)容對于沒有量子力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生是難于理解的.為了解決這一問題，本專業(yè)與物理教學(xué)督導(dǎo)組和兄弟專業(yè)開設(shè)《固體物理》的教師進行了研討并在其建議之下在《固體物理與半導(dǎo)體物理》教學(xué)內(nèi)容中加入6學(xué)時的《量子力學(xué)初步》內(nèi)容.這部分內(nèi)容主要涵蓋經(jīng)典物理學(xué)的困難、光的波粒二象性、德布羅意假設(shè)——微粒的波粒二象性、波函數(shù)的統(tǒng)計解釋、態(tài)疊加原理、薛定諤方程、一維無限深勢阱、線性諧振子這8個知識點.在講授過程中，我們結(jié)合量子力學(xué)的發(fā)展歷史，運用多媒體手段，采用生動的方式講授量子力學(xué)的歷史沿革、基本思想和基礎(chǔ)概念.對量子力學(xué)知識的講授，不僅有助于學(xué)生掌握后續(xù)教學(xué)內(nèi)容，還為其打開了解量子力學(xué)的大門.

3.3與后續(xù)課程銜接方案

由于總學(xué)時數(shù)有限，《固體物理與半導(dǎo)體物理》的固體物理部分只能講授主干的知識點.而半導(dǎo)體物理的28學(xué)時中并不涉及“PN結(jié)”及以后的內(nèi)容.這部分的內(nèi)容則由后續(xù)的《半導(dǎo)體器件原理》課程講授.這樣做的好處是能夠有效地減少課程內(nèi)容的重疊，但同時也對前后課程的銜接提出了較高的要求.

但由于《固體物理與半導(dǎo)體物理》和《半導(dǎo)體器件原理》的開設(shè)時間分別是大二下學(xué)期和大三下學(xué)期，課程間隔一個學(xué)期之久，學(xué)生對半導(dǎo)體物理的知識點難免遺忘.因此，我們要求《半導(dǎo)體器件原理》主講教師在講授內(nèi)容中強化了對半導(dǎo)體物理知識點回顧，通過適度復(fù)習(xí)背景知識為“PN結(jié)”內(nèi)容的講授做準(zhǔn)備.

4教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進

4.1教學(xué)方法的改進

“卓越計劃”要求總的教學(xué)目的是增強學(xué)生的工程實踐能力，而壓縮專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時數(shù)和增加企業(yè)實踐方面的學(xué)時數(shù)都是以此為目的的.這就要求對“卓越計劃”班的教學(xué)過程中不僅要講好專業(yè)基礎(chǔ)知識，還要將教學(xué)內(nèi)容與工程實踐緊密結(jié)合起來.

《固體物理與半導(dǎo)體物理》的知識點具有極強的邏輯相關(guān)性，可以說是環(huán)環(huán)相扣.傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)方法在有充裕學(xué)時數(shù)的前提下能夠兼顧嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓酵茖?dǎo)和全面的理論知識點覆蓋，但在“卓越計劃”壓縮專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時數(shù)的前提下是難以實現(xiàn)的.與此同時，多數(shù)學(xué)生并不具備傳統(tǒng)教學(xué)方法所要求的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ).

針對這一情況，我們借鑒光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的經(jīng)驗，采取“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的強化互動式教學(xué)方式.這樣的教學(xué)方式能有效地改變學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的畏懼心理并形成學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[3].

此外，在課程講授過程中，我們也十分注意采用將教學(xué)內(nèi)容與集成電路制造工程實踐相結(jié)合新的教學(xué)方式.例如在講述退火工藝時結(jié)合離子注入的工程實例：在硅晶中注入硼離子，需要精確控制電場來加速摻雜離子使其到達足夠的深度.硼離子在注入到指定深度后會破壞硅的晶體結(jié)構(gòu)形成非晶，其結(jié)果是形成缺陷阻礙電子的傳播，從而影響器件性能.在此拋出如何減少缺陷的問題之后，教師應(yīng)當(dāng)啟發(fā)學(xué)生如何運用高溫退火工藝來解決. 合理的解決辦法是在800～1 200℃的溫度范圍內(nèi)對硅晶進行高溫退火，使得硼離子能通過擴散進入硅晶格，從而形成有效摻雜.

4.2教學(xué)手段的改進

在教學(xué)手段上，通過承擔(dān)我?！熬W(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程建設(shè)項目”，依托我校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺，初步建立了該課程的課件講義、習(xí)題測驗和補充資料的體系.已建設(shè)完畢的內(nèi)容包括32講的網(wǎng)絡(luò)課件、12章內(nèi)容的章節(jié)講義、20套的習(xí)題集、每章的補充內(nèi)容(包括知識點補充、多媒體課件等).其中補充內(nèi)容將GIF動態(tài)圖、三維圖、視頻等多媒體技術(shù)引入到固體物理和半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)中，運用動態(tài)、直觀描述和演示晶體微觀結(jié)構(gòu)、載流子在半導(dǎo)體中的運動等物理概念和規(guī)律.

在《固體物理與半導(dǎo)體物理》教學(xué)中，我們還建立了多元化教學(xué)考核機制，特別是引入學(xué)生自主進行的小課題研究的內(nèi)容. 總成績中期末考試成績占70%，課后作業(yè)占15%，3次階段性隨堂小測占9%，另有小課題研究報告成績占6%.

其中，小課題研究報告的實施方案是，教師從《固體物理與半導(dǎo)體物理》各個章節(jié)重點內(nèi)容或拓展內(nèi)容中選取題目形成小課題題目，每個課題一般包含概念描述、關(guān)鍵公式推導(dǎo)以及若干道應(yīng)用題，在第12教學(xué)周開始向?qū)W生公布小課題題目.學(xué)生通過自主選題自由配對，組成若干個2人研究小組對指定的小課題展開研究.該教學(xué)環(huán)節(jié)要求學(xué)生以小組為單位分工合作，自行查閱相關(guān)的文獻，最終以小課題報告的方式完成作業(yè)，讓學(xué)生明確固體物理和半導(dǎo)體物理概念，掌握相應(yīng)的理論推導(dǎo)過程，并且了解如何應(yīng)用已知理論聯(lián)系實際解決實際問題.在這一過程中，學(xué)生不但掌握了文獻查閱方法技能，了解了物理的研究方法，還能理解學(xué)習(xí)物理基礎(chǔ)知識的目的和意義.

5存在問題與思考

《固體物理與半導(dǎo)體物理》講授的知識點雖然經(jīng)過一定的取舍刪減，但數(shù)量依然較多.其中固體物理部分僅保留主干部分，知識體系前后邏輯關(guān)系嚴(yán)密且重點、難點眾多.這就要求學(xué)生在每一講中都必須及時掌握該講的主要內(nèi)容.這不僅要求學(xué)生擁有較強的數(shù)理基礎(chǔ)、對課程較高的興趣與專注度，還要求其及時做好課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí).

在實際講授過程中，盡管學(xué)生反映在課堂上能夠聽懂講授內(nèi)容，但是由于課前回顧時間有限、課后作業(yè)反饋具有一周左右的滯后等具體問題的存在，還是有部分學(xué)生出現(xiàn)中途掉隊的情況，而學(xué)生對個別知識點的掌握不夠深入的現(xiàn)象也普遍存在.

對課程整體而言，由于《固體物理》和《半導(dǎo)體物理》部分相對獨立且課程時間跨度大.學(xué)生往往在期末考試時發(fā)現(xiàn)對以前掌握的前半部分固體物理內(nèi)容比較模糊，需要花較大氣力復(fù)習(xí).這也是該課程改革中需要繼續(xù)總結(jié)改進的地方.

盡管存在一些問題，但就整體教學(xué)效果而言，已畢業(yè)的兩屆學(xué)生中繼續(xù)讀研深造的占三分之一，其

中有6人考入北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等國內(nèi)微電子專業(yè)頂尖院校攻讀研究生. 這從另一方面驗證了《固體物理與半導(dǎo)體物理》的課程改革使學(xué)生的固體物理和半導(dǎo)體物理專業(yè)基礎(chǔ)基本達到了教育部對微電子科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的要求.

6結(jié)束語

福州大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)按照“卓越計劃”指導(dǎo)方針的要求，在教學(xué)改革中創(chuàng)造性地將《固體物理》與《半導(dǎo)體物理》整合開設(shè)《固體物理與半導(dǎo)體物理》課程.

在近4年的教學(xué)實踐中，福州大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)一方面有針對性地對教學(xué)內(nèi)容進行全方位整合與優(yōu)化；另一方面積極采用互動式教學(xué)法、多元化考核的教學(xué)手段，并努力做到把教學(xué)方法與工程實踐相結(jié)合.到目前為止，該項教學(xué)改革取得了一定成效，“卓越計劃”試點班畢業(yè)學(xué)生在減少43%課時的情況下，固體物理和半導(dǎo)體物理專業(yè)基礎(chǔ)基本達到了教育部對微電子科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的要求.

參 考 文 獻

1施隆照，陸陪民.福州大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)體系的探討.中外教育研究，2011(2):20～33

2華中，宋春玲，劉研.固體物理教學(xué)改革的探索與實踐.吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004(4):26～28

3鐘佑潔，楊尊先.電子學(xué)科的固體物理教學(xué)改革初探.大學(xué)物理教學(xué)，2013(8):17～21

4電子信息類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)(第二輪征求意見稿).教育部電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會標(biāo)準(zhǔn)研制工作組，2014