半导体物理混合式教学探讨

李琳

摘  要：半导体物理是电子科学与技术专业的核心基础课之一，是学习半导体器件物理以及半导体集成电路的基础。本文介绍了半导体物理课程的教学内容，课程任务等基本情况，探讨了如何借助在线教育资源平台和直播会议平台等线上授课方式结合课堂教学实现混合式教学，以及问题导向的教学模式在半导体物理教学过程中的应用。新的教学模式不仅激发了学生学习主动性，也提高了学生应用理论知识解决实际问题的能力。

关键词：半导体物理  线上教学  问题导向  理论教学

中图分类号：G642                             文献标识码：A                    文章编号：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

半導体物理是电子科学与技术专业本科生必修的专业基础课程，主要研究半导体原子状态、电子状态以及各种半导体器件内部的电子过程。该课程是一门理论性较强的课程，包含知识点比较多，内容涉及面较广，理论推导复杂，对学生的专业知识基础要求较高：在学习半导体物理课程之前需要先修量子力学，固体物理等课程内容。同时，这是一门连接基础理论和实际应用的课程，为学生后续学习半导体器件、微电子器件和集成电路等方面的知识奠定理论基础。因此，半导体物理这门基础性理论课程，起到了承上启下的作用，是培养学生应用理论知识，提高实践创新能力的开端。

1  半导体物理课程简介

本门面向电子科学与技术专业本科生开设的半导体物理课程设置2学分，32学时。该课程采用的教材为刘恩科等人编著的《半导体物理学》（第7版，电子工业出版社，2017年），该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，电子科学与技术类专业精品教材[1]。根据设置的学时，在授课过程中教师主要讲授其中前八章内容：半导体物理的基本物理理论，物理概念及基本物理性质（第一章 半导体中的电子状态），半导体中的载流子（电子、空穴）及其运动状态（第二章 半导体中杂质和缺陷能级，第三章 半导体中载流子的统计分布，第四章 半导体的导电性，第五章 非平衡载流子）和器件物理基础（第六章 p-n结，第七章 金属和半导体的接触，第八章 半导体表面与MIS结构）等。

半导体物理课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理。课程内容以典型的半导体材料硅、锗、砷化镓等为讨论对象，重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，半导体中载流子的输运理论及相关规律，载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象以及半导体的基本结构及其表面、界面问题。通过学习本课程，学生掌握半导体物理中的基本概念，基本物理理论和基本规律，培养分析和应用理论知识解决实际问题的能力，同时为后续课程的学习打下基础。

（1）熟练掌握半导体晶体结构和能带结构，以及载流子和导电性的计算方法等，能够运用基本理论解决问题;

（2）掌握p-n结，金属-半导体接触，半导体表面与MIS结构等的性质，培养学生根据应用需求处理半导体器件和集成电路中物理问题的能力;

（3）综合运用半导体物理的基本理论及解决半导体器件和集成电路中问题的科学思维和工程观念;

（4）根据所处理的半导体物理材料及器件进行有关手册、参考书和文献资料的查阅及整理，提出问题解决方案的能力。

半导体物理课程以往的授课形式主要采用课堂授课，偏重于理论知识学习。传统的教学特点是教学形式比较单一，学生很大程度都是被动接受知识，缺少主动思考，科学分析总结的过程和工程实践能力的培养。同时该课程一般安排在本科大三下学期或者大四上学期进行，学生面临着考研和找工作的压力，学习精力难免有所分散。在实际教学过程中经常出现老师难教，学生难学的现象[2]。因此，在传统教学模式基础上引入多种教学模式非常必要[3]。

2  线上线下相结合的混合教学

今年经历了非常特殊的时期，在新冠肺炎疫情期间大多数课程采用线上教学模式代替了传统的课堂授课模式。大规模的在线教学实践极大程度上改变了教育的形态与模式。高校教育借助这次线上教学，充分探索了多种教学资源平台、翻转课堂平台和直播会议平台应用于课堂的可能性，并根据新的教学方式探讨与之相应的教学模式[4，5]。以笔者为例，本学期授课借助了北京化工大学在线教育综合平台，结合多种线上直播会议平台（企业微信、腾讯会议、腾讯课堂等）最终实现了线上教学。教师在上课前将课程简介、教学大纲、教学日历以及课件、视频等课程相关资料上传至在线教育综合平台，学生在课前可以通过在线教育综合平台自行下载这些资料，清晰地了解课堂内容和进度，对课程进行预习。同时课堂上由于课时限制未能完全展开的知识点或者相关课外知识也可以在在线教育綜合平台上分享给学生。线上授课采用企业微信会议或者腾讯课堂直播，将文档通过屏幕演示同步给学生，同时可以随着课程进度展示标注、板书，基本达到了与课堂教学相同的效果。通过直播软件还可以实现课堂签到、讨论和提问答疑，最大限度还原线下课堂的教学体验。在直播授课过程中对直播课程进行全程录播，使得学生可以在课后也可以多次回看复习。此外，还可以在在线平台中设置问卷调查、课堂小测试、课堂活动等，及时掌握学生课堂情况。在课后，提供更多的学习支持，比如建立课程群组，发布课程活动，网络答疑等。还可以通过论坛讨论，意见反馈等形式实现课下互动，收集学生对各个教学环节的感受和反馈意见。此外，教师每周定时在平台更新本周学习内容，课堂作业等，设定学生提交作业时间。通过平台上的批阅功能来完成，课堂作业和课堂小测验的批阅评分等教学过程，学生也可随时查看批阅后的作业。对老师来说，利用平台的大数据分析功能，更加直观准确地了解学生学习情况。

总结本学期线上教学经验，在后续半导体物理课程教学过程中充分发挥教学资源平台和直播平台的优势，有效应用于教学的全过程，使线上教学成为课堂授课的有力支撑。在线教育综合平台和直播平台的应用，为半导体物理课程提供了改变教学模式的契机。传统教学模式需要随着教学手段的丰富而改变来达到更好的教学效果。

在线上线下混合式教学的过程中，学生在课前预习课堂内容，查阅大量资料文献，在课堂上就可以实现以教师为主转变为以学生为主。在以后的授课过程中，我们还将采用小班教学。教师整合理论知识，调整教学内容，更多地采用问题导向的教学模式开展课堂：在每章节开始时设置相应的问题，引导学生思考、讨论，教师在授课过程中总结梳理前面学过的知识，着重强调物理图像，淡化繁琐的推导过程，使学生在学习过程中形成系统化的知识框架。针对课程内容抽象难懂，物理图像不易理解的状况，教师在理论教学时采用多媒体手段将原子、分子尺度的微观结构和知识生动展示出来，同时结合学生电路实验、学生创新实验等方式的实践教学，灵活运用于半导体物理不同的授课环节中，使学生切实感受半导体物理理论所描述的环境，在头脑中形成完整的物理环境，达到较好地理解理论知识的目的。课堂中鼓励学生发问，表达不同的观点，充分深入地讨论课程重点内容。充分调动学生的学习积极性，引导学生参与课堂，在课堂内消化吸收知识。在问题导向的教学模式基础上，进一步设置专题教学，将一部分内容设置为专题讨论的方式进行，充分调动学生参与的积极性。围绕重要的知识内容设置科学问题，学生在广泛分析调研的基础上展开讨论。

新的教学模式需要老师投入极大的精力。首先如何调动每一位学生积极性，而不是只有少数学生参与。在具体的授课过程中，需要针对学生的不同情况进行处理，使课堂氛围更加开放包容：对于基础较好的学生，提高问题深度与广度，激发学生更加深入完备的思考;对于基础比较差的学生，要多给予正面的反馈，发现他们有价值的观点进行鼓励，帮助他们完善自己的表达。其次，如何设置问题能够激发学生讨论和解决的兴趣，提供给学生较大的探索空间。一方面是需要对知识融会贯通，发掘知识点之间的联系，以点带面，让学生体会知识点之间的紧密连接，另一方面要结合实际，对于重要知识点和理论设置与半导体工艺和器件紧密联系的科学问题，引导学生在思考过程中分析主要问题，解决主要矛盾，掌握知识的基础上用理论知识指导实践。在课程结束后，教师还应及时总结并根据课堂情况调整课程内容和教学方式。在学生为主的课堂学习中，老师需要比讲授知识投入更多的思考，引导学生探索并主动建立起知识体系。

将线上教学和线下教学有机结合，采用丰富多样的教学手段，牢牢把握课前、课堂和课后三个过程，为学生学习创造了良好的教学环境，打造个性化的教学计划，有效提高学生学习积极性和主动性。

3  思政教育融入课堂

在教学模式改变的同时，我们也将课堂思政融入到半导体物理课程教学中来，从而提高学生学习积极性和主动性。以本学期为例，学生长期在家里，学习环境和条件并不十分理想。部分学生可能会出现懈怠、焦虑等心理状况。因此十分有必要在实现知识传授的同时进行价值引领，实现二者的有机结合。教师时刻关注社会热点和最新科研动态，将时政新闻以及半导体的行业新闻融入课程，结合我们国家半导体行业的需求以及面临的严峻形势，引导学生了解我们国家集成电路等行业发展过程中的卡脖子问题和国家大力发展半导体产业的必要性。此外，半导体物理教学内容主要是强调基础性，学生对半导体物理前沿的新动态和研究成果不了解，不清楚理论基础的重要性及其与半导体工程实践的紧密联系。因此，在授课过程中穿插介绍相关科研领域的最新研究成果，分析内在的理论基础，让学生了解前沿领域的发展与牢固的理论基础密不可分，提高学生对本专业的认识，帮助学生树立正确的价值观，从而使学生提高学习主动性。学生在学习理论知识的同时，更加明白专业定位和未来工作选择。

4  课程考核机制

除了授课过程，适当的课程考核机制也可以有效引导学生的学习方向。很多学生在本科阶段已经通过萌芽杯、挑战杯、大学生创新大赛等方式接触了科研，进行过文献检索，文献阅读和科学实验研究的培训。这为半导体物理课程向以学生为主的学习方式转变提供了良好的基础。本课程最终成绩以百分制计，采用过程考核（包括课堂表现及平时测验，习题作业，专题讨论）+期末考试的方式进行。为了推进以教为主向以学为主转变，我们将考核比例和形式做了转变：增加过程考核比例，一部分采用课堂表现和课堂测验：课堂测验在每章节学习总结后进行，采用少量重点题目，让学生在课堂上完成知识的学习，另一部分采用专题讨论的方式，鼓励学生主动探索科研和实际应用的问题，将材料计算软件[6]和建模引入半导体物理学习中，鼓励学生利用各种方式参与教学实践。比如在半导体能带理论专题研讨中，学生需要选取某种半导体材料，确定影响因素，建立相关模型，查找数据并进行科学探索，最终给出材料的能带结构和合理结论。这样的过程不仅给学生提供了通过实验和数值计算等直观方式理解知识的途径，加深了学生对公式原理的理解，也提高了学生应用理论知识分析问题，独立解决问题的能力。过程考核比例将逐步由目前的40%增加至50%。期末考试题目也全面更新，大大增加利用基础知识础解决实际问题部分题目的比例。在成绩给分上，不仅仅以答案对错为评分标准，更加注重思考过程。

5  结语

总的来说，丰富的在线教学资源为学生实现自主学习提供了极大的便利，也为半导体物理教学转变为以学生为主，问题导向的教学模式提供了很好的机会。学生在新的教学模式下课堂参与度更高，对知识的掌握也更为深入。因此，采用线上线下相结合的方式进行半导体物理的教学，是提高课堂效率，激发学习积极性的重要途径。

参考文献

[1] 刘恩科，朱秉生，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2017.

[2] 徐跃.融入工程教育思路的半导体物理教学改革与实践[J].当代教育实践与教学研究，2018（10）：188-189.

[3] 张志强，宫照军.“半导体物理基础”课程研究型教学模式的设计与实施——以D大学为例[J].煤炭高等教育，2017，35（6）：113-117.

[4] 赵颖，颜霏.疫情期间大规模线上教学实践后的思考[J/OL].中国医学教育技术：1-3[2020-7-1].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1317.G4.20200628.0857.002.html.

[5] 钟绍春.人工智能如何推动教育革命[J/OL].中国电化教育，2020（3）：17-24[2020-07-01].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3792.G4.20200310.1628.006.html.

[6] 连晓娟.“半导体物理”教学改革与实践初探[J].教育现代化，2019，6（18）：49-50.