半導(dǎo)體物理混合式教學(xué)探討

李琳

摘? 要：半導(dǎo)體物理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課之一，是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理以及半導(dǎo)體集成電路的基礎(chǔ)。本文介紹了半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容，課程任務(wù)等基本情況，探討了如何借助在線教育資源平臺和直播會議平臺等線上授課方式結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)，以及問題導(dǎo)向的教學(xué)模式在半導(dǎo)體物理教學(xué)過程中的應(yīng)用。新的教學(xué)模式不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，也提高了學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理? 線上教學(xué)? 問題導(dǎo)向? 理論教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0219-04

Abstract： Semiconductor physics is one of the core basic courses for undergraduate students majoring in electronic science and technology. This course is the basis for semiconductor device physics and semiconductor integrated circuits. This paper introduces the teaching contents and tasks of semiconductor physics. It presents how to realize mixed teaching by means of traditional classroom teaching combined with online education resource platform， live conferences and other online teaching methods. The application of problem-oriented teaching mode in the teaching process of semiconductor physics is also discussed. This new teaching mode not only stimulates students' learning initiative， but also improves their ability to solve practical problems.

Key Words： Semiconductor physics; Online teaching; Problem-oriented; Theoretical teaching

半導(dǎo)體物理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)、電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部的電子過程。該課程是一門理論性較強(qiáng)的課程，包含知識點(diǎn)比較多，內(nèi)容涉及面較廣，理論推導(dǎo)復(fù)雜，對學(xué)生的專業(yè)知識基礎(chǔ)要求較高：在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理課程之前需要先修量子力學(xué)，固體物理等課程內(nèi)容。同時，這是一門連接基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的課程，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件、微電子器件和集成電路等方面的知識奠定理論基礎(chǔ)。因此，半導(dǎo)體物理這門基礎(chǔ)性理論課程，起到了承上啟下的作用，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力的開端。

1? 半導(dǎo)體物理課程簡介

本門面向電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)的半導(dǎo)體物理課程設(shè)置2學(xué)分，32學(xué)時。該課程采用的教材為劉恩科等人編著的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第7版，電子工業(yè)出版社，2017年），該教材為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材[1]。根據(jù)設(shè)置的學(xué)時，在授課過程中教師主要講授其中前八章內(nèi)容：半導(dǎo)體物理的基本物理理論，物理概念及基本物理性質(zhì)（第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)），半導(dǎo)體中的載流子（電子、空穴）及其運(yùn)動狀態(tài)（第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級，第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布，第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，第五章 非平衡載流子）和器件物理基礎(chǔ)（第六章 p-n結(jié)，第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸，第八章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)）等。

半導(dǎo)體物理課程的任務(wù)是從微觀上解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的宏觀物理現(xiàn)象，研究并揭示微觀機(jī)理。課程內(nèi)容以典型的半導(dǎo)體材料硅、鍺、砷化鎵等為討論對象，重點(diǎn)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)及載流子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)理論及相關(guān)規(guī)律，載流子在輸運(yùn)過程中所發(fā)生的宏觀物理現(xiàn)象以及半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)及其表面、界面問題。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理中的基本概念，基本物理理論和基本規(guī)律，培養(yǎng)分析和應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，同時為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（1）熟練掌握半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，以及載流子和導(dǎo)電性的計(jì)算方法等，能夠運(yùn)用基本理論解決問題;

（2）掌握p-n結(jié)，金屬-半導(dǎo)體接觸，半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)等的性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)應(yīng)用需求處理半導(dǎo)體器件和集成電路中物理問題的能力;

（3）綜合運(yùn)用半導(dǎo)體物理的基本理論及解決半導(dǎo)體器件和集成電路中問題的科學(xué)思維和工程觀念;

（4）根據(jù)所處理的半導(dǎo)體物理材料及器件進(jìn)行有關(guān)手冊、參考書和文獻(xiàn)資料的查閱及整理，提出問題解決方案的能力。

半導(dǎo)體物理課程以往的授課形式主要采用課堂授課，偏重于理論知識學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)是教學(xué)形式比較單一，學(xué)生很大程度都是被動接受知識，缺少主動思考，科學(xué)分析總結(jié)的過程和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。同時該課程一般安排在本科大三下學(xué)期或者大四上學(xué)期進(jìn)行，學(xué)生面臨著考研和找工作的壓力，學(xué)習(xí)精力難免有所分散。在實(shí)際教學(xué)過程中經(jīng)常出現(xiàn)老師難教，學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象[2]。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上引入多種教學(xué)模式非常必要[3]。

2? 線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)

今年經(jīng)歷了非常特殊的時期，在新冠肺炎疫情期間大多數(shù)課程采用線上教學(xué)模式代替了傳統(tǒng)的課堂授課模式。大規(guī)模的在線教學(xué)實(shí)踐極大程度上改變了教育的形態(tài)與模式。高校教育借助這次線上教學(xué)，充分探索了多種教學(xué)資源平臺、翻轉(zhuǎn)課堂平臺和直播會議平臺應(yīng)用于課堂的可能性，并根據(jù)新的教學(xué)方式探討與之相應(yīng)的教學(xué)模式[4，5]。以筆者為例，本學(xué)期授課借助了北京化工大學(xué)在線教育綜合平臺，結(jié)合多種線上直播會議平臺（企業(yè)微信、騰訊會議、騰訊課堂等）最終實(shí)現(xiàn)了線上教學(xué)。教師在上課前將課程簡介、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷以及課件、視頻等課程相關(guān)資料上傳至在線教育綜合平臺，學(xué)生在課前可以通過在線教育綜合平臺自行下載這些資料，清晰地了解課堂內(nèi)容和進(jìn)度，對課程進(jìn)行預(yù)習(xí)。同時課堂上由于課時限制未能完全展開的知識點(diǎn)或者相關(guān)課外知識也可以在在線教育綜合平臺上分享給學(xué)生。線上授課采用企業(yè)微信會議或者騰訊課堂直播，將文檔通過屏幕演示同步給學(xué)生，同時可以隨著課程進(jìn)度展示標(biāo)注、板書，基本達(dá)到了與課堂教學(xué)相同的效果。通過直播軟件還可以實(shí)現(xiàn)課堂簽到、討論和提問答疑，最大限度還原線下課堂的教學(xué)體驗(yàn)。在直播授課過程中對直播課程進(jìn)行全程錄播，使得學(xué)生可以在課后也可以多次回看復(fù)習(xí)。此外，還可以在在線平臺中設(shè)置問卷調(diào)查、課堂小測試、課堂活動等，及時掌握學(xué)生課堂情況。在課后，提供更多的學(xué)習(xí)支持，比如建立課程群組，發(fā)布課程活動，網(wǎng)絡(luò)答疑等。還可以通過論壇討論，意見反饋等形式實(shí)現(xiàn)課下互動，收集學(xué)生對各個教學(xué)環(huán)節(jié)的感受和反饋意見。此外，教師每周定時在平臺更新本周學(xué)習(xí)內(nèi)容，課堂作業(yè)等，設(shè)定學(xué)生提交作業(yè)時間。通過平臺上的批閱功能來完成，課堂作業(yè)和課堂小測驗(yàn)的批閱評分等教學(xué)過程，學(xué)生也可隨時查看批閱后的作業(yè)。對老師來說，利用平臺的大數(shù)據(jù)分析功能，更加直觀準(zhǔn)確地了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

總結(jié)本學(xué)期線上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)過程中充分發(fā)揮教學(xué)資源平臺和直播平臺的優(yōu)勢，有效應(yīng)用于教學(xué)的全過程，使線上教學(xué)成為課堂授課的有力支撐。在線教育綜合平臺和直播平臺的應(yīng)用，為半導(dǎo)體物理課程提供了改變教學(xué)模式的契機(jī)。傳統(tǒng)教學(xué)模式需要隨著教學(xué)手段的豐富而改變來達(dá)到更好的教學(xué)效果。

在線上線下混合式教學(xué)的過程中，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)課堂內(nèi)容，查閱大量資料文獻(xiàn)，在課堂上就可以實(shí)現(xiàn)以教師為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主。在以后的授課過程中，我們還將采用小班教學(xué)。教師整合理論知識，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，更多地采用問題導(dǎo)向的教學(xué)模式開展課堂：在每章節(jié)開始時設(shè)置相應(yīng)的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，教師在授課過程中總結(jié)梳理前面學(xué)過的知識，著重強(qiáng)調(diào)物理圖像，淡化繁瑣的推導(dǎo)過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成系統(tǒng)化的知識框架。針對課程內(nèi)容抽象難懂，物理圖像不易理解的狀況，教師在理論教學(xué)時采用多媒體手段將原子、分子尺度的微觀結(jié)構(gòu)和知識生動展示出來，同時結(jié)合學(xué)生電路實(shí)驗(yàn)、學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等方式的實(shí)踐教學(xué)，靈活運(yùn)用于半導(dǎo)體物理不同的授課環(huán)節(jié)中，使學(xué)生切實(shí)感受半導(dǎo)體物理理論所描述的環(huán)境，在頭腦中形成完整的物理環(huán)境，達(dá)到較好地理解理論知識的目的。課堂中鼓勵學(xué)生發(fā)問，表達(dá)不同的觀點(diǎn)，充分深入地討論課程重點(diǎn)內(nèi)容。充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生參與課堂，在課堂內(nèi)消化吸收知識。在問題導(dǎo)向的教學(xué)模式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)置專題教學(xué)，將一部分內(nèi)容設(shè)置為專題討論的方式進(jìn)行，充分調(diào)動學(xué)生參與的積極性。圍繞重要的知識內(nèi)容設(shè)置科學(xué)問題，學(xué)生在廣泛分析調(diào)研的基礎(chǔ)上展開討論。

新的教學(xué)模式需要老師投入極大的精力。首先如何調(diào)動每一位學(xué)生積極性，而不是只有少數(shù)學(xué)生參與。在具體的授課過程中，需要針對學(xué)生的不同情況進(jìn)行處理，使課堂氛圍更加開放包容：對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，提高問題深度與廣度，激發(fā)學(xué)生更加深入完備的思考;對于基礎(chǔ)比較差的學(xué)生，要多給予正面的反饋，發(fā)現(xiàn)他們有價值的觀點(diǎn)進(jìn)行鼓勵，幫助他們完善自己的表達(dá)。其次，如何設(shè)置問題能夠激發(fā)學(xué)生討論和解決的興趣，提供給學(xué)生較大的探索空間。一方面是需要對知識融會貫通，發(fā)掘知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，以點(diǎn)帶面，讓學(xué)生體會知識點(diǎn)之間的緊密連接，另一方面要結(jié)合實(shí)際，對于重要知識點(diǎn)和理論設(shè)置與半導(dǎo)體工藝和器件緊密聯(lián)系的科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生在思考過程中分析主要問題，解決主要矛盾，掌握知識的基礎(chǔ)上用理論知識指導(dǎo)實(shí)踐。在課程結(jié)束后，教師還應(yīng)及時總結(jié)并根據(jù)課堂情況調(diào)整課程內(nèi)容和教學(xué)方式。在學(xué)生為主的課堂學(xué)習(xí)中，老師需要比講授知識投入更多的思考，引導(dǎo)學(xué)生探索并主動建立起知識體系。

將線上教學(xué)和線下教學(xué)有機(jī)結(jié)合，采用豐富多樣的教學(xué)手段，牢牢把握課前、課堂和課后三個過程，為學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的教學(xué)環(huán)境，打造個性化的教學(xué)計(jì)劃，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性。

3? 思政教育融入課堂

在教學(xué)模式改變的同時，我們也將課堂思政融入到半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中來，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性。以本學(xué)期為例，學(xué)生長期在家里，學(xué)習(xí)環(huán)境和條件并不十分理想。部分學(xué)生可能會出現(xiàn)懈怠、焦慮等心理狀況。因此十分有必要在實(shí)現(xiàn)知識傳授的同時進(jìn)行價值引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合。教師時刻關(guān)注社會熱點(diǎn)和最新科研動態(tài)，將時政新聞以及半導(dǎo)體的行業(yè)新聞融入課程，結(jié)合我們國家半導(dǎo)體行業(yè)的需求以及面臨的嚴(yán)峻形勢，引導(dǎo)學(xué)生了解我們國家集成電路等行業(yè)發(fā)展過程中的卡脖子問題和國家大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的必要性。此外，半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容主要是強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性，學(xué)生對半導(dǎo)體物理前沿的新動態(tài)和研究成果不了解，不清楚理論基礎(chǔ)的重要性及其與半導(dǎo)體工程實(shí)踐的緊密聯(lián)系。因此，在授課過程中穿插介紹相關(guān)科研領(lǐng)域的最新研究成果，分析內(nèi)在的理論基礎(chǔ)，讓學(xué)生了解前沿領(lǐng)域的發(fā)展與牢固的理論基礎(chǔ)密不可分，提高學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)識，幫助學(xué)生樹立正確的價值觀，從而使學(xué)生提高學(xué)習(xí)主動性。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，更加明白專業(yè)定位和未來工作選擇。

4? 課程考核機(jī)制

除了授課過程，適當(dāng)?shù)恼n程考核機(jī)制也可以有效引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方向。很多學(xué)生在本科階段已經(jīng)通過萌芽杯、挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生創(chuàng)新大賽等方式接觸了科研，進(jìn)行過文獻(xiàn)檢索，文獻(xiàn)閱讀和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的培訓(xùn)。這為半導(dǎo)體物理課程向以學(xué)生為主的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變提供了良好的基礎(chǔ)。本課程最終成績以百分制計(jì)，采用過程考核（包括課堂表現(xiàn)及平時測驗(yàn)，習(xí)題作業(yè)，專題討論）+期末考試的方式進(jìn)行。為了推進(jìn)以教為主向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，我們將考核比例和形式做了轉(zhuǎn)變：增加過程考核比例，一部分采用課堂表現(xiàn)和課堂測驗(yàn)：課堂測驗(yàn)在每章節(jié)學(xué)習(xí)總結(jié)后進(jìn)行，采用少量重點(diǎn)題目，讓學(xué)生在課堂上完成知識的學(xué)習(xí)，另一部分采用專題討論的方式，鼓勵學(xué)生主動探索科研和實(shí)際應(yīng)用的問題，將材料計(jì)算軟件[6]和建模引入半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)中，鼓勵學(xué)生利用各種方式參與教學(xué)實(shí)踐。比如在半導(dǎo)體能帶理論專題研討中，學(xué)生需要選取某種半導(dǎo)體材料，確定影響因素，建立相關(guān)模型，查找數(shù)據(jù)并進(jìn)行科學(xué)探索，最終給出材料的能帶結(jié)構(gòu)和合理結(jié)論。這樣的過程不僅給學(xué)生提供了通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等直觀方式理解知識的途徑，加深了學(xué)生對公式原理的理解，也提高了學(xué)生應(yīng)用理論知識分析問題，獨(dú)立解決問題的能力。過程考核比例將逐步由目前的40%增加至50%。期末考試題目也全面更新，大大增加利用基礎(chǔ)知識礎(chǔ)解決實(shí)際問題部分題目的比例。在成績給分上，不僅僅以答案對錯為評分標(biāo)準(zhǔn)，更加注重思考過程。

5? 結(jié)語

總的來說，豐富的在線教學(xué)資源為學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)提供了極大的便利，也為半導(dǎo)體物理教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主，問題導(dǎo)向的教學(xué)模式提供了很好的機(jī)會。學(xué)生在新的教學(xué)模式下課堂參與度更高，對知識的掌握也更為深入。因此，采用線上線下相結(jié)合的方式進(jìn)行半導(dǎo)體物理的教學(xué)，是提高課堂效率，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性的重要途徑。

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