半導(dǎo)體器件物理多元化立體式教學(xué)改革研究

楊尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志賢

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?半導(dǎo)體器件物理因其理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)煩瑣、數(shù)學(xué)要求高且實(shí)踐應(yīng)用不直接等特點(diǎn)，結(jié)合長(zhǎng)期教研經(jīng)驗(yàn)，立足于半導(dǎo)體器件物理教學(xué)中普遍性突出問(wèn)題，在半導(dǎo)體器件物理多元和立體化、教與學(xué)有機(jī)結(jié)合以及科研實(shí)驗(yàn)本科教學(xué)拓展與開(kāi)放等教學(xué)方式和手段方面進(jìn)行深入探索與改革，在半導(dǎo)體器件物理教學(xué)需注重理論、實(shí)踐相結(jié)合即課堂理論教學(xué)與科研訓(xùn)練相結(jié)合。一方面要充分利用多種教育即時(shí)通訊手段和各種平臺(tái)軟件以拓展教學(xué)時(shí)間和空間，以實(shí)現(xiàn)多元化立體教學(xué);另一方面有效利用科研平臺(tái)前沿和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，合理設(shè)計(jì)與半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)象和物理本質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，將科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果與半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)知識(shí)有效關(guān)聯(lián)，綜合分析科研實(shí)踐結(jié)果中半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)象與本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件物理理論與實(shí)踐應(yīng)用、教與學(xué)有機(jī)結(jié)合和統(tǒng)一，進(jìn)而促進(jìn)半導(dǎo)體器件物理教學(xué)理論水平和實(shí)踐應(yīng)用水平提升。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?半導(dǎo)體器件物理;多元化立體式教學(xué);理論與實(shí)踐相結(jié)合;教學(xué)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2021）09-0070-02

一、前言

半導(dǎo)體器件物理是研究半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)、物理原理和電學(xué)特性間的相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)一步闡明這些性質(zhì)的微觀本質(zhì)與用途的科學(xué)[1]。它為人們提供了一種學(xué)習(xí)和掌握半導(dǎo)體器件基本結(jié)構(gòu)、工作原理、器件光電性質(zhì)等本質(zhì)，進(jìn)而描述和控制電子或空穴等載流子運(yùn)動(dòng)的理論方法。但由于其理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)煩瑣、數(shù)學(xué)要求高，學(xué)生學(xué)習(xí)感到困難，且由于半導(dǎo)體器件物理理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合困難，這些均給半導(dǎo)體器件物理教學(xué)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

近年來(lái)，半導(dǎo)體器件物理學(xué)科基礎(chǔ)地位受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一方面由于受大學(xué)總課時(shí)數(shù)限制以及實(shí)踐課程學(xué)時(shí)數(shù)增加，半導(dǎo)體器件物理學(xué)時(shí)數(shù)漸減，受重視程度逐年降低;另一方面由于半導(dǎo)體器件物理中數(shù)學(xué)推導(dǎo)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感到困難，同時(shí)，半導(dǎo)體器件物理對(duì)學(xué)生抽象理解能力要求較高，普遍學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力不足。以上這些給半導(dǎo)體器件物理的教學(xué)帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1，3，4]。此外，由于學(xué)科基礎(chǔ)特性，其難以在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，這會(huì)讓學(xué)生造成這類(lèi)課程無(wú)用的錯(cuò)覺(jué)。然而，隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，半導(dǎo)體新材料與器件領(lǐng)域取得重大突破，半導(dǎo)體器件物理發(fā)展日新月異，新器件和新概念不斷涌現(xiàn)[2]。因此，無(wú)論是本課程教學(xué)內(nèi)容，還是教學(xué)方法、教學(xué)模式和教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面教學(xué)改革勢(shì)在必行[5]。

二、教學(xué)中存在和面臨的問(wèn)題與矛盾

近年來(lái)，隨著高校投入加大，高校平臺(tái)獲取經(jīng)費(fèi)劇增，在人才培養(yǎng)方面資源優(yōu)勢(shì)劇增。如何合理利用高校資源優(yōu)勢(shì)，使之服務(wù)于本科教學(xué)，以促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，現(xiàn)已成為高校面臨的首要問(wèn)題。然而，一方面在目前高?！爸乜蒲?、輕教學(xué)”大環(huán)境下，教師將工作重心放在科研經(jīng)費(fèi)獲取、研究生培養(yǎng)方面，本科生進(jìn)入科研平臺(tái)參與科研興趣不高，認(rèn)識(shí)不到位?！爸乜蒲?、輕教學(xué)”考核機(jī)制與高校人才培養(yǎng)首要任務(wù)間的矛盾成為本科生課程教學(xué)實(shí)踐開(kāi)放的一大障礙。另一方面半導(dǎo)體器件物理作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，涉及固體物理、量子力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，內(nèi)容繁多，學(xué)時(shí)有限與繁多授課內(nèi)容嚴(yán)重失衡，教學(xué)互動(dòng)困難。此外，因?qū)W生基礎(chǔ)匱乏，他們對(duì)很多基本概念、公式均難以理解，對(duì)半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦和排斥心理，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、教師授課積極性均受影響。由于半導(dǎo)體器件物理公式多、數(shù)學(xué)處理復(fù)雜，學(xué)生認(rèn)為半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)枯燥、缺乏興趣現(xiàn)象較為普遍，學(xué)習(xí)中存在畏難和厭學(xué)情緒，效果不佳。同時(shí)，由于半導(dǎo)體器件物理課程難將其與實(shí)際應(yīng)用實(shí)例結(jié)合，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣銳減。因而半導(dǎo)體器件物理多元化立體式教學(xué)改革勢(shì)在必行。

三、教學(xué)內(nèi)容整合與優(yōu)化及多元立體式教學(xué)方式

（一）教學(xué)內(nèi)容整合與優(yōu)化

首先，在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容方面，進(jìn)行整合、優(yōu)化和取舍。現(xiàn)有半導(dǎo)體器件物理傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容是以后從事電子科學(xué)與技術(shù)、微電子和光電工程等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)地位不可動(dòng)搖。整合和優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容主要是教學(xué)材料整合和授課方法改變。根據(jù)本課程特點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大教學(xué)內(nèi)容定性和半定量描述比重，加大器件工作原理及其模型理解，減少和簡(jiǎn)化過(guò)繁教學(xué)推導(dǎo)。同時(shí)，部分內(nèi)容采用自學(xué)與課堂考核相結(jié)合的方式，以拓寬學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)、培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生科學(xué)思維創(chuàng)新能力。其次，適當(dāng)、適時(shí)補(bǔ)充實(shí)際問(wèn)題及科技前沿問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實(shí)際問(wèn)題，上升到理性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)形象思維向抽象思維過(guò)渡。最后，引導(dǎo)學(xué)生參與科研實(shí)踐活動(dòng)，增加課程實(shí)踐學(xué)時(shí)，并將加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)與半導(dǎo)體器件物理理論教學(xué)結(jié)合。使學(xué)生成為科研工作主體，實(shí)現(xiàn)研究過(guò)程和經(jīng)歷與課本專(zhuān)業(yè)知識(shí)貫通與統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)、形象思維向抽象思維、模仿思維向獨(dú)立思維過(guò)渡。

（二）提倡引導(dǎo)性和多元立體教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與實(shí)踐相統(tǒng)一

首先，采用引導(dǎo)教學(xué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌輸教學(xué)，重視教學(xué)互動(dòng)，注重創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。在半導(dǎo)體器件物理講授過(guò)程中，倡導(dǎo)引導(dǎo)性教學(xué)方法，改變傳統(tǒng)灌輸教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)統(tǒng)一、學(xué)與用融合。其次，采用“多元化立體化”教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研深度融合。引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分析現(xiàn)象，將科研項(xiàng)目所遇到的問(wèn)題帶入半導(dǎo)體器件物理教學(xué)中，同時(shí)將課程教學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，采用即時(shí)交流軟件和網(wǎng)絡(luò)課程論壇等將教師課堂講授的內(nèi)容以及實(shí)踐中所遇到問(wèn)題采用“學(xué)生提問(wèn)—集體討論—教師回答”方式，進(jìn)行廣泛交流和討論，拓寬課程教學(xué)空間。最后，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生融入項(xiàng)目科研中，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研真正統(tǒng)一與融合。

（三）采用動(dòng)畫(huà)等新方式，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其邏輯思維能力。

一方面通過(guò)科研項(xiàng)目所研制器件結(jié)構(gòu)和性能與課程中典型器件的關(guān)聯(lián)性，加深學(xué)生對(duì)各種典型器件結(jié)構(gòu)和特性的理解;另一方面將具有代表性器件結(jié)構(gòu)利用半導(dǎo)體模擬軟件演示給學(xué)生，加深其對(duì)典型器件和新型器件結(jié)構(gòu)性能的理解[6，7]。例如，在MOS及其MOSFET章節(jié)中，可利用集成電路輔助設(shè)計(jì)工具和軟件，模擬不同設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)MOS及其MOSFET器件性能，消除學(xué)生對(duì)芯片系統(tǒng)和系統(tǒng)集成的畏懼感，并進(jìn)一步理解半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)的重要性，以激發(fā)學(xué)生想象和思考，并培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)動(dòng)畫(huà)等將半導(dǎo)體器件物理復(fù)雜問(wèn)題、知識(shí)簡(jiǎn)單化、形象化，極大地拓寬學(xué)生的認(rèn)識(shí)視野，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的勇氣和欲望。通過(guò)學(xué)生進(jìn)行科研項(xiàng)目實(shí)踐，引導(dǎo)和激發(fā)其對(duì)半導(dǎo)體器件物理現(xiàn)象的理解和領(lǐng)悟。

（四）建立和完善課程實(shí)踐教學(xué)科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制和體制

基于半導(dǎo)體器件物理實(shí)踐教學(xué)新方式，拓展實(shí)踐性項(xiàng)目教學(xué)，讓學(xué)生真正融入科研平臺(tái)，進(jìn)一步完善半導(dǎo)體器件物理實(shí)踐教學(xué)科研平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制和體制。

首先，建立本科生導(dǎo)師制。本科生在進(jìn)入福州大學(xué)后通過(guò)選拔考核與雙向選擇，確定導(dǎo)師。本科生導(dǎo)師也是本科生半導(dǎo)體器件物理實(shí)踐課程及其畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師，在一體化培養(yǎng)模式下實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)本科生的興趣和特長(zhǎng)，并協(xié)助確定發(fā)展方向與目標(biāo)制定。

其次，建立科研創(chuàng)新實(shí)踐基地。通過(guò)與企業(yè)建立基于半導(dǎo)體器件物理實(shí)踐課程的科研創(chuàng)新實(shí)踐實(shí)驗(yàn)基地，讓本科生自主選擇實(shí)踐基地實(shí)習(xí)，了解企業(yè)文化，為自己將來(lái)快速融入企業(yè)提前做好準(zhǔn)備，并將所學(xué)半導(dǎo)體器件物理理論知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)與企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用有效銜接起來(lái)，做到學(xué)以致用。

再次，完善本科生科研團(tuán)隊(duì)。基于本科生導(dǎo)師制，鼓勵(lì)學(xué)有余力的本科生建立科研團(tuán)隊(duì)，由具有半導(dǎo)體器件物理理論和實(shí)踐應(yīng)用等不同方面特長(zhǎng)的本科生組成針對(duì)某個(gè)科研目標(biāo)的科研團(tuán)隊(duì)，直接瞄準(zhǔn)目前社會(huì)和生產(chǎn)所需，進(jìn)行自主創(chuàng)新。

最后，設(shè)立科研平臺(tái)本科生科研專(zhuān)項(xiàng)基金。設(shè)立依托科研平臺(tái)的本科生科研專(zhuān)項(xiàng)基金，安排專(zhuān)人管理，資助學(xué)生立項(xiàng)。本科生科研專(zhuān)項(xiàng)基金主要用作外協(xié)加工、材料購(gòu)買(mǎi)等。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年半導(dǎo)體器件物理教學(xué)實(shí)踐，直面半導(dǎo)體器件物理教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題和矛盾，從半導(dǎo)體器件物理教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和調(diào)整、多元立體化教學(xué)模式、建立和完善面向本科生半導(dǎo)體器件物理課程科研平臺(tái)管理機(jī)制以及平臺(tái)管理辦法等進(jìn)行探索性改革，并取得了一些成績(jī)。通過(guò)整合教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新性地開(kāi)啟多元立體化教學(xué)模式，加大半導(dǎo)體器件物理教學(xué)一線(xiàn)科研人員和教師實(shí)踐性課程和研究性課程學(xué)時(shí)比例、開(kāi)設(shè)針對(duì)半導(dǎo)體器件物理實(shí)踐課程等實(shí)踐教學(xué)模式，并通過(guò)“建立本科生導(dǎo)師制”“建立科研創(chuàng)新實(shí)踐基地”“完善本科生科研團(tuán)隊(duì)”和“設(shè)立科研平臺(tái)本科生科研專(zhuān)項(xiàng)基金”等系列手段，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件物理教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果顯著提高。但實(shí)行多元化、立體化半導(dǎo)體器件物理教學(xué)改革和實(shí)踐是一項(xiàng)復(fù)雜工程，涉及諸多方面，課程計(jì)劃和課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定、課程實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)體系和運(yùn)行機(jī)制等本身就是一個(gè)系統(tǒng)工程，因此，要培養(yǎng)出合格的高素質(zhì)半導(dǎo)體器件物理方面創(chuàng)新人才，仍需做更多開(kāi)創(chuàng)性工作。

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編輯 鄭曉燕

①本文受“福州大學(xué)一流本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目”重點(diǎn)項(xiàng)目（No.036050010843）;福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（FBJG20190263）資助。

作者簡(jiǎn)介：楊尊先（1973—），男，湖北應(yīng)城人，微電子與固體電子學(xué)博士，福州大學(xué)教授/博士生導(dǎo)師，主要研究方向：納米材料制備及其光電、電化學(xué)應(yīng)用研究。