半导体器件物理多元化立体式教学改革研究

杨尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志贤

[摘           要]  半导体器件物理因其理论性强、公式推导烦琐、数学要求高且实践应用不直接等特点，结合长期教研经验，立足于半导体器件物理教学中普遍性突出问题，在半导体器件物理多元和立体化、教与学有机结合以及科研实验本科教学拓展与开放等教学方式和手段方面进行深入探索与改革，在半导体器件物理教学需注重理论、实践相结合即课堂理论教学与科研训练相结合。一方面要充分利用多种教育即时通讯手段和各种平台软件以拓展教学时间和空间，以实现多元化立体教学;另一方面有效利用科研平台前沿和技术优势，合理设计与半导体器件物理现象和物理本质相关实验，同时，将科研项目实验现象和结果与半导体器件物理基础知识有效关联，综合分析科研实践结果中半导体器件物理现象与本质，实现半导体器件物理理论与实践应用、教与学有机结合和统一，进而促进半导体器件物理教学理论水平和实践应用水平提升。

[关    键   词]  半导体器件物理;多元化立体式教学;理论与实践相结合;教学改革

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2021）09-0070-02

一、前言

半导体器件物理是研究半导体器件结构、物理原理和电学特性间的相互作用和运动规律，并进一步阐明这些性质的微观本质与用途的科学[1]。它为人们提供了一种学习和掌握半导体器件基本结构、工作原理、器件光电性质等本质，进而描述和控制电子或空穴等载流子运动的理论方法。但由于其理论性强、公式推导烦琐、数学要求高，学生学习感到困难，且由于半导体器件物理理论学习与实践应用结合困难，这些均给半导体器件物理教学提出了严峻挑战[2]。

近年来，半导体器件物理学科基础地位受到了严峻挑战：一方面由于受大学总课时数限制以及实践课程学时数增加，半导体器件物理学时数渐减，受重视程度逐年降低;另一方面由于半导体器件物理中数学推导相对复杂，对数学基础要求较高，学生在学习过程中普遍感到困难，同时，半导体器件物理对学生抽象理解能力要求较高，普遍学习兴趣和动力不足。以上这些给半导体器件物理的教学带来了严重的挑战[1，3，4]。此外，由于学科基础特性，其难以在实践中被广泛应用，这会让学生造成这类课程无用的错觉。然而，随着科技发展和社会进步，半导体新材料与器件领域取得重大突破，半导体器件物理发展日新月异，新器件和新概念不断涌现[2]。因此，无论是本课程教学内容，还是教学方法、教学模式和教学评价体系等方面教学改革势在必行[5]。

二、教学中存在和面临的问题与矛盾

近年来，随着高校投入加大，高校平台获取经费剧增，在人才培养方面资源优势剧增。如何合理利用高校资源优势，使之服务于本科教学，以促进创新人才培养，现已成为高校面临的首要问题。然而，一方面在目前高校“重科研、轻教学”大环境下，教师将工作重心放在科研经费获取、研究生培养方面，本科生进入科研平台参与科研兴趣不高，认识不到位。“重科研、轻教学”考核机制与高校人才培养首要任务间的矛盾成为本科生课程教学实践开放的一大障碍。另一方面半导体器件物理作为一门专业基础课，涉及固体物理、量子力学等多学科知识，内容繁多，学时有限与繁多授课内容严重失衡，教学互动困难。此外，因学生基础匮乏，他们对很多基本概念、公式均难以理解，对半导体器件物理学习产生厌倦和排斥心理，学生学习积极性、教师授课积极性均受影响。由于半导体器件物理公式多、数学处理复杂，学生认为半导体器件物理学习枯燥、缺乏兴趣现象较为普遍，学习中存在畏难和厌学情绪，效果不佳。同时，由于半导体器件物理课程难将其与实际应用实例结合，学生学习兴趣锐减。因而半导体器件物理多元化立体式教学改革势在必行。

三、教学内容整合与优化及多元立体式教学方式

（一）教学内容整合与优化

首先，在传统教学内容方面，进行整合、优化和取舍。现有半导体器件物理传统教学内容是以后从事电子科学与技术、微电子和光电工程等专业的基础，传统教学内容基础地位不可动摇。整合和优化传统教学内容主要是教学材料整合和授课方法改变。根据本课程特点，适当扩大教学内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，减少和简化过繁教学推导。同时，部分内容采用自学与课堂考核相结合的方式，以拓宽学生专业基础理论知识、培养和锻炼学生科学思维创新能力。其次，适当、适时补充实际问题及科技前沿问题。引导学生观察、分析实际问题，上升到理性认识，实现形象思维向抽象思维过渡。最后，引导学生参与科研实践活动，增加课程实践學时，并将加强实践教学与半导体器件物理理论教学结合。使学生成为科研工作主体，实现研究过程和经历与课本专业知识贯通与统一，实现感性认识向理性认识、形象思维向抽象思维、模仿思维向独立思维过渡。

（二）提倡引导性和多元立体教学方法，实现教学与实践相统一

首先，采用引导教学代替传统灌输教学，重视教学互动，注重创新意识培养，提高学生的学习主动性。在半导体器件物理讲授过程中，倡导引导性教学方法，改变传统灌输教学，提高学生的学习主动性，培养学生的创新意识，实现教与学统一、学与用融合。其次，采用“多元化立体化”教学方式，实现教学科研深度融合。引导学生科学分析现象，将科研项目所遇到的问题带入半导体器件物理教学中，同时将课程教学理论知识应用到科研项目设计、实验现象及其实验测试中，采用即时交流软件和网络课程论坛等将教师课堂讲授的内容以及实践中所遇到问题采用“学生提问—集体讨论—教师回答”方式，进行广泛交流和讨论，拓宽课程教学空间。最后，积极引导学生思考，让学生融入项目科研中，实现教学科研真正统一与融合。

（三）采用动画等新方式，培养学生的学习兴趣，增强其逻辑思维能力。

一方面通过科研项目所研制器件结构和性能与课程中典型器件的关联性，加深学生对各种典型器件结构和特性的理解;另一方面将具有代表性器件结构利用半导体模拟软件演示给学生，加深其对典型器件和新型器件结构性能的理解[6，7]。例如，在MOS及其MOSFET章节中，可利用集成电路辅助设计工具和软件，模拟不同设计条件和结构参数MOS及其MOSFET器件性能，消除学生对芯片系统和系统集成的畏惧感，并进一步理解半导体器件物理学习的重要性，以激发学生想象和思考，并培养学生的学习兴趣。通过动画等将半导体器件物理复杂问题、知识简单化、形象化，极大地拓宽学生的认识视野，激发学生运用基础理论实现科技创新的勇气和欲望。通过学生进行科研项目实践，引导和激发其对半导体器件物理现象的理解和领悟。

（四）建立和完善课程实践教学科研平台运行机制和体制

基于半导体器件物理实践教学新方式，拓展实践性项目教学，让学生真正融入科研平台，进一步完善半导体器件物理实践教学科研平台运行机制和体制。

首先，建立本科生导师制。本科生在进入福州大学后通过选拔考核与双向选择，确定导师。本科生导师也是本科生半导体器件物理实践课程及其毕业设计的指导教师，在一体化培养模式下实时发现本科生的兴趣和特长，并协助确定发展方向与目标制定。

其次，建立科研创新实践基地。通过与企业建立基于半导体器件物理实践课程的科研创新实践实验基地，让本科生自主选择实践基地实习，了解企业文化，为自己将来快速融入企业提前做好准备，并将所学半导体器件物理理论知识、专业知识与企业实践应用有效衔接起来，做到学以致用。

再次，完善本科生科研团队。基于本科生导师制，鼓励学有余力的本科生建立科研团队，由具有半导体器件物理理论和实践应用等不同方面特长的本科生组成针对某个科研目标的科研团队，直接瞄准目前社会和生产所需，进行自主创新。

最后，设立科研平台本科生科研专项基金。设立依托科研平臺的本科生科研专项基金，安排专人管理，资助学生立项。本科生科研专项基金主要用作外协加工、材料购买等。

四、结语

经过多年半导体器件物理教学实践，直面半导体器件物理教学实践中存在的问题和矛盾，从半导体器件物理教学内容优化和调整、多元立体化教学模式、建立和完善面向本科生半导体器件物理课程科研平台管理机制以及平台管理办法等进行探索性改革，并取得了一些成绩。通过整合教学内容、创新性地开启多元立体化教学模式，加大半导体器件物理教学一线科研人员和教师实践性课程和研究性课程学时比例、开设针对半导体器件物理实践课程等实践教学模式，并通过“建立本科生导师制”“建立科研创新实践基地”“完善本科生科研团队”和“设立科研平台本科生科研专项基金”等系列手段，实现半导体器件物理教学质量和教学效果显著提高。但实行多元化、立体化半导体器件物理教学改革和实践是一项复杂工程，涉及诸多方面，课程计划和课程评价标准制定、课程实践应用教学体系和运行机制等本身就是一个系统工程，因此，要培养出合格的高素质半导体器件物理方面创新人才，仍需做更多开创性工作。

参考文献：

[1]高清运.“半导体器件物理”课程教学研究与探索[J].电气电子教学学报，2014，36（6）：20-21.

[2]林青，李文尧.高等学校《半导体器件物理》的MOOC建设[J].课程教育研究，2016（4）：251.

[3]王聪，唐玲，杨舰.“半导体器件物理”课程的高职教育现状及教学改革探究[J].高教学刊，2017（15）：174-176.

[4]肖丙刚，王秀敏，赵吉祥.半导体器件物理课程教学实践探索[J].科技信息，2009（30）：14.

[5]肖功利，杨宏艳.工科院校双语教学课程问题与建议：以《半导体器件物理》为例[J].教育教学论坛，2012（S5）：131-132.

[6]向兵，程秀英.基于MatlabGUI的《半导体器件物理》教学仿真平台开发[J].实验科学与技术，2014，12（3）：47-48，206.

[7]李青龙.高校学生“主动性”与“创新能力”素质的研究：“半导体器件物理与工艺”课程教育中的思考与改革[J].常州工学院学报，2012，25（1）：87-89.

编辑 郑晓燕

①本文受“福州大学一流本科教育教学改革研究项目”重点项目（No.036050010843）;福建省本科高校教育教学改革研究项目（FBJG20190263）资助。

作者简介：杨尊先（1973—），男，湖北应城人，微电子与固体电子学博士，福州大学教授/博士生导师，主要研究方向：纳米材料制备及其光电、电化学应用研究。