基于STEM教育理念的《半导体物理》跨学科课程教学改革研究与实践

陈显平 陈紫薇 陶璐琪

摘  要：《半导体物理》是固体物理学的一个重要分支，是微电子技术的理论基础。作者将STEM教育理念融入到《半导体物理》的教学中，通过培养学生跨学科学习思维，增强学生动手和创新能力，改变考核评价方式，将理论学习与科研有效结合，提升学生科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，激发学生自主学习热情，加强专业素质。

关键词：STEM教育;半导体物理;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）22-0126-03

Abstract： "Semiconductor Physics" is an important branch of solid state physics and the theoretical basis of microelectronics.The author integrates stem education concept into the teaching of "Semiconductor Physics". By cultivating students' interdisciplinary learning thinking， enhancing students' practical and innovative ability， effectively combining theoretical learning with scientific research， improving students' scientific literacy， technical literacy， engineering literacy and mathematical literacy， students' enthusiasm for independent learning can be aroused and professional quality can be strengthened.

Keywords： STEM education; Semiconductor Physics; transformation of education

一、概述

《半导体物理》是研究半导体原子状态、电子状态以及半导体器件内部电子运动过程的一门学科，是半导体科学的理论基础，也是发展半导体技术的重要基础。由于这门课学科交叉性强，知识点繁多，公式推导复杂，物理概念抽象，覆盖知识面广，涉及到很多固体物理、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学等其它基础课程的内容，大部分学生在学习《半导体物理》课程时都存在着一定的困难[1]。“半导体物理”是光电工程学院本科生一门非常重要的专业必修核心课程，其教学效果与学生未来就业发展紧密相关。因此，进行相关课程教学方法和教学策略的改革尤为迫切。“半导体物理”传统教学方法方式单一，难以取得良好的教学效果。STEM是一种强调多学科融合来解决问题的一种教育理念。将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和數学（Mathematics）融入到《半导体物理》的教学中，培养具有卓越创新能力的复合型人才。

二、半导体物理教学现状分析

（一）知识点多、知识面广

《半导体物理》是一门理论性很强的学科，物理概念抽象，公式推导复杂，涵盖知识面广，需要量子力学、固体物理、材料化学等众多先修学科的理论基础。传统教学中，教师往往注重理论计算与公式推导，课程内容抽象，教学方法也缺乏吸引力。因此学生学起来感觉繁琐吃力，难以理解，进而导致学生主动学习积极性不高，从而缺乏自主学习的动力。此外，半导体技术发展迅速，新的科研成果不断出现，学科交叉更加深入，教师难以在短时间内覆盖所有的知识内容，更需要学生主动学习探索相关知识。因此如何激发学生主动学习的积极性，形成跨学科思维模式显得尤为重要。

（二）实验环节薄弱

由于课程时间安排有限，“半导体物理”教学往往只注重于理论知识的学习，对于这门课程，学生实际上进行相关实验或日常实践操作的机会非常少，脱离了实验环节，缺乏实验来验证物理过程，学生对抽象的物理概念理解不深刻。缺乏实验验证和模拟训练的基础环节也导致学生无法把理论知识运用到后来的科研实践当中。动手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理论知识也不利用学生提高自主创新能力[2]。学生往往只注重半导体物理理论知识的学习，而动手能力差。实验环节的缺乏，不能把理论与实际有效结合，使理论知识与实践操作相背离。

（三）学生考核评价方式单一

传统教学中，教师是学生成绩评定的唯一主体。这种评定方式局限于站在教师角度去评价学生，较为片面。对于学生的评价，教师普遍采取传统的“一考定全局”的评定方式。然而这种评价方式存在一定的偶然性，并不能很好的反映出学生对知识整体的掌握程度以及创新实践的综合能力。“考试”这一传统的考核方式，仅仅能反映出学生应对考试能力以及对书本内容的掌握程度，而不能很好地反映出学生对书本内容以外知识的掌握程度以及自主创新实践能力。

（四）教学方法传统局限、缺乏创新

目前《半导体物理》教学仍然采用的是传统的教学模式，即“教师讲学生听”，由于该课程内容繁多复杂，这种单一的教学模式使学生感到枯燥乏味，对老师产生“依赖感”。此外，由于教学资源有限，学生难以对抽象的物理概念例如半导体器件内部电子运动进行深入理解，不少学生出现读死书甚至背题的现象。这种缺乏师生之间、学生与学生之间交流互动的传统教学模式，磨灭了学生学习的主动性，有碍于发展学生的探索精神，不利于半导体领域创新型人才的培养[3]。

三、“半导体物理”教学改革与实践

（一）采用STEM教育理念的教学模式

在《半导体物理》的教学中，教师需要转变传统的教学观念。将“教师灌输式的讲授，学生被动地接受”这种传统的教学模式转变为以学生为主体，教师引导的新型教学模式，将STEM理念融合到教学当中。将科学、技术、工程以及数学四门学科融入到《半导体物理》中，培养学生形成跨学科学习的思维方式，将被动式教学模式转变为自主探究的教学模式。将学生分为小组，课堂上提出问题，小组围绕跨学科前沿科学问题进行开放式讨论，由此激发学生求知欲。例如，以光电、电气、微电子等多学科为背景，在教学过程中提出怎样制备各种半导体器件，怎样测试半导体材料禁带宽度等问题，引导学生跨学科交流讨论。这种教学模式以课堂提出问题-学生课后查阅资料-分组讨论-学生课堂讲解-教师点评为主线，旨在提高师生参与热情，培养学生跨学科思考方式，树立创新意识，培育具有创新能力的复合型人才。教师亦可在课堂上提出相关课题，例如半导体前沿工艺调查、半导体技术发展等，让学生自行选择参与，在课堂上与大家分享成果，进一步提高学生创新实践能力[4]。还可以通过定期举办半导体知识学术报告会，鼓励全校学生参加以“半导体物理讲坛”为龙头的学术科技报告活动，普及半导体科技创新知识，追踪学术前沿动态。

（二）注重实验教学，培养工程实践能力

为了促进多学科交叉融合以及培养适应市场的应用型复合人才，围绕培养学生“实践能力、学习能力、创新创业能力、社会适应能力”和协调发展的主线，需要解决理论教学与实践教学的平衡性。借助老师们手中的实践平台，安排学生进入项目工作，充分利用各级各类科研实验室的人才和设备资源及科研项目的优势积极支持本科教学，倡导本科生进实验室。一方面，增设半导体实验环节，从基础实验如四探针法测量电阻率、P-N导电类型鉴别、激光测定单晶硅的晶向、椭圆偏振光谱法测量单晶硅的光学常数到一些综合性实验，另外可以在理论教学中，对已有的大学物理实验和专业实验如伏安特性实验、LED发光特性实验等基础实验中与半导体物理相关原理的讲解，使学生充分理解半导体的相关知识。另一方面，为了更好地提高教学质量以及学生综合素质，进而更好地整合行业资源，集聚校企优势，有效实现工业产业与高等教育的有机融合，寻求科研牵线搭桥，发挥高校、企业的互补作用，在校企双方平衡利益的前提下，建立联合培养基地进行合作，增加学生生产实习和企业实习，校方负责学生的理论教学，而企方负责学生的实践教学，共同培养创新型人才，从而实现校方和企业合作双赢，实现基础知识学习与工程实践能力培养相结合[5]。

（三）转变评价方式，建立长效激励制度

从教师层面出发，我们实行形成性评价与终结性评价相结合的全程评价方式，在不同阶段对学生进行考核，如在结束“半导体物理”每章内容教学后，举行一次小测验，测验形式可以是考试，也可以是相关课题汇报、分组讨论等形式。平时测验成绩与期末成绩按照一定比例相结合成为学生最终成绩。这种方式可以减小一定偶然性，相对公平地对学生成绩进行评定，也可以激励学生认真学习平时每一节课，每一章内容，而不是“临时抱佛脚”式的考前突击。

从学生层面出发，俗话说“师傅领进门，修行看个人”，学生创新实践能力的培养，不仅需要教师教学方法、培养方案、评价方法的相应的改变，更需要培养学生树立创新理念，掌握科研实践技能。我们课上开展半导体相关课题的汇报活动，根据汇报成果予以相应的奖励，课下开展半导体科研项目相关的专题讲座、网络宣传、现场参观等活动，学生参与后提交参与活动报告，根据报告内容予以相应的评价，这些措施旨在让学生接触、了解半导体领域的科研活动，认识创新能力培养对个人发展的重要性，尽早树立创新理念，培养实践能力，奠定创新基础。

从学院层面出发，一来，应建立长效激励制度，提供专项奖学金，评定标准按照学生科研成果、参与科研活动的热情度来确定，从精神、物质上鼓励学生参与科研活动。二来，不仅对学生的考核非常重要，学院对教师的考核也具有一定的重要性。学生创新实践能力的培养不仅需要学生自己的配合，也需要教师积极主动地配合。完善教师考核、绩效评价体系，引导教师参与对本科生的科研指导工作。通过学生、教师、学院三方面的协助、配合，大大提升了学生创新实践能力培养的高效性。

（四）引入Materials Studio计算软件，提高科研能力

由于“半导体物理”教学注重概念和理论学习，学生往往无法将课堂所学知识运用到实际科学研究之中，造成理论学习与实践操作脱节。对此，应追踪国内外半导体前沿技术发展，不斷补充完善教学内容，使学生充分感受到所学知识在实际科研中重要作用，培养学生科研兴趣。“半导体物理”涉及到半导体的晶格结构、电子状态、载流子的统计分布及运动规律等抽象问题。由于实验设备条件有限，部分实验无法开展。Materials Studio是一款能建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究的模拟计算软件。Materials Studio软件中CASTEP模块可以计算半导体、金属、陶瓷等晶体的诸多特性，例如表面化学、电子结构（能带结构及态密度）、光学性质、点缺陷性质等。引入Materials Studio软件学习，可以更加形象化演示一些抽象的物理概念和模型，将理论学习与科学实践有效结合。学生通过自己搭建半导体材料模型，计算其能带结构、态密度、电子局域函数等性质，能更深刻地理解半导体的结构、价带导带、费米能级、载流子运动、直接带隙间接带隙等问题。例如，在学习P-N结形成过程时，通过计算在硅中掺杂不同杂质后能带结构和态密度的变化，可以发现，掺入三价元素硼以后，随着掺杂浓度不断提高，费米能级逐渐向价带靠近，掺入五价元素磷以后，随着掺杂浓度不断提高，费米能级逐渐向导带靠近。此外，学生亦可在课外对Materials Studio软件进行自主学习探究，例如计算吸附、异质结等问题，为科研打下良好的基础。引入Materials Studio软件，可以有效将教学与科研相结合，将所学理论知识活学活用，激发学生自主学习兴趣，培养动手和创新能力[6]。

除此以外，通过讲座和示范，老师提供相关的基础知识以及经验，让学生逐步掌握文献检索、仪器使用、论文写作等基本科研技能，从而能够为之后的项目进行以及学生未来的科研道路打好基础。一些表现优异，做出相关成果的学生也可以以此为基础，根据自己的成果撰写相关的论文。在项目进行过程中，老师需要对项目的进展进行实时的跟踪，及时了解学生的相关进展，为学生科研的选题、立项、研究的开展及成果申报等方面提供智力支持，帮助和督促学生执行研究计划。可以通过定期的汇报组会，了解学生的近期工作进行及时的指导或者相关的调整，引导学生参与科研的讨论，交流在科研过程中遇到的问题以及相关的心得和想法。

四、结束语

“半导体物理”学科交叉性强、知识点繁多，许多学生对此学习兴趣不高，学习起来存在一定的困难。而现代半导体物理技术迅速发展，对具有创新能力的复合型人才的需求不断提高。笔者基于STEM教学理念，通过在“半导体物理”教学过程中将“教师讲，学生听”这种传统的教学模式转变为以学生为中心，教师引导的新型教学模式，注重实验教学、转变评价方式、建立长效激励制度以及引入Materials Studio软件学习的四大主要措施，引导学生形成跨学科思维方式，培养学生自主学习兴趣，增强动手实践能力，将所学知识运用到科学研究当中。

参考文献：

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

[2]张芳，任大庆，张纳.浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革[J].教育教学论坛，2019（23）：133-134.

[3]张文霞，王振，戚飞，等.融入工程教育理念的《半导体物理》教学改革与实践[J].国际公关，2019（06）：74-75.

[4]张华，李蛟，王卫伟，等.研究生课程《半导体物理》教学方法和策略的探讨[J].山东化工，2019（08）：214-215.

[5]闫丽娟，陈春雷.“半导体物理与器件”课程教学改革与探索[J].教育现代化，2019，6（31）：80-81.

[6]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.