产学研结合背景下的“半导体物理”教学改革

陈显平 陶璐琪

[摘 要] 近年来，随着人工智能、大数据、物联网，以及5G通信技术的逐步普及与商业化，全球半导体产业迎来又一轮快速发展的机遇期。随着半导体行业的迅速发展，对相关人才的培养提出了更高的要求。在重庆大学教改项目的支持下，拟对“半导体物理”课程进行一系列教学改革。此次改革侧重于培养学生的动手能力及创新思维，通过产业、教学、研究相结合的方式，追踪行业发展前沿，采用探讨式教学法，有效地提高了学生的积极性和教学质量。

[关键词] 半导体物理;产学研结合;仿真;工程导向

[基金项目] 2019年度重庆大学“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”（2019Y21）;2019年度重庆大学光电工程学院“基于科研项目导向与兴趣驱动的光电工程本科生创新实践能力培养研究”（2019J01）

[作者简介] 陈显平（1979—），男，重庆人，博士，重庆大学光电工程学院教授，主要从事先进传感器与感知技术和功率半导体器件设计、封装及可靠性研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0061-04   [收稿日期] 2020-10-23

一、引言

近年來，随着人工智能、大数据、物联网，以及5G通信技术的逐步普及与商业化，全球半导体产业迎来又一轮快速发展的机遇期。当前，集成电路产品已成为我国最大宗进口产品，2018年我国集成电路贸易逆差突破2000亿美元大关，并且仍在扩大。中国芯片自给率目前不足30%，与美、日、韩等国家仍存在较大差距。我国政府一直以来高度重视本土半导体产业的发展，特别是自2018年中美贸易摩擦以来，政府对半导体产业的扶持力度明显加大，正在从过去的科研经费扶持方式向以国际并购、股权投资、产业链整合为主的时代过渡，本土企业在关键技术及先进工艺方面的竞争力有所增强。

产业发展，人才先行。人才、设备、资金是目前半导体产业发展的重中之重。特别是作为人才密集型产业，半导体行业对高端人才有着巨大的需求。目前产业相关人才仍存在较大缺口，这就对我国的高等教育特别是微电子相关专业的发展提出了更高的要求。作为国内微电子相关专业的核心课程，“半导体物理”更需要保证教学质量。

二、“半导体物理”教学现状及面临的困难

“半导体物理”是微电子学、电子科学与技术等专业中一门承前启后的课程，也是基础类课程与专业课程之间的纽带。其先修课程包括高等数学、线性代数、数理统计、量子力学、固体物理等。“半导体物理”一般开设时间为大三上学期，学生已基本修完前期课程。因该课程的特殊性，在实际教学过程中仍存在较多问题。“半导体物理”是研究半导体电子状态、原子状态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。由于这门课的学科交叉性强、公式推导复杂、知识点繁多、覆盖知识面广、物理概念抽象，涉及固体物理、热力学与统计物理学、量子力学、材料科学等其他基础课程的内容，导致大部分学生在学习“半导体物理”课程时存在一定程度的困难。“半导体物理”是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，迫切需要对相关课程的教学方法和策略进行改革。

（一）理论性较强，内容较为抽象

“半导体物理”是一门理论性很强的学科，其物理概念抽象、公式推导复杂、涵盖知识面广，需要量子力学、固体物理、材料化学等先修学科的理论知识储备。[1]此外，相关专业所学课程较多，而一些课程的学时较少，导致学生没有足够的时间去消化吸收，教师也没有足够的时间去详细地展开讲授，这也加大了“半导体物理”教学的难度。[2]在传统教学中，教师往往侧重理论计算与公式推导，课程内容抽象，教学缺乏吸引力，因此部分学生感觉学习吃力，难以理解，进而导致学习态度消极，缺乏自主学习的动力。此外，半导体技术更新迅速，新的科研成果不断涌现，导致学科交叉更加深入，而教师难以在课上时间覆盖所有的知识内容，需要学生在课下主动学习、探索相关的知识。因此，如何激发学生主动学习的积极性就显得尤为重要。[3]

（二）教学方式单一，学生缺乏积极性

“半导体物理”因其课程特性，目前绝大多数高校仍采用传统的教学方式，即以教师讲授为主，学生在课堂上的参与度不高，形式上仍以“填鸭式”为主。这种教学方式既不利于教师的教，也不利于学生的学。教师在上课过程中得不到反馈，学生也缺乏参与感，容易产生抵触心理，最终导致教学效果较差。而且在现行考核模式下，教师没有改变教学方式的动力，学生更多关注的是成绩及绩点。[4]

（三）教材的选择不够合理

目前国内多数高校采用的《半导体物理》教材是刘恩科、罗晋生主编的，该教材较为全面地论述了半导体物理的相关基础理论，包括半导体的晶体结构、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布及运动规律、p-n结、异质结、表面态等问题。但该教材对于基础薄弱的学生来说，难度较高，部分重难点内容难以理解吸收。[5]而国外教材虽然相对来说更为适用，但因学生英语水平参差不齐，对英文原版教材的接受度不高，反而会增加学生学习的难度，进一步降低学生的积极性。[6]

（四）教学与科研、工程应用缺乏联系

“半导体物理”教学往往侧重于理论知识的学习，学生进行相关课程实验或日常实践操作的机会非常少，缺少实验来验证物理过程的环节，导致学生对抽象物理概念的理解不深刻;缺乏实验验证和模拟训练的基础环节，导致学生无法把理论知识运用到科研实践中。“半导体物理”课程因其本身以理论分析为主的特点，学生在上课过程中较少有机会进行实验操作，而半导体物理的后续课程均与工程实际有较密切的联系，这就造成理论与工程实际脱节，不利于培养学生解决实际工程问题的能力。目前大多数高校的实验条件达不到正常教学的要求，这给“半导体物理”教学改革带来了困难。动手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理论知识，也不利于学生提高自身的创新能力。学生往往只注重对“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。