“半导体材料与器件”翻转课堂教学建设研究

黄妞 孙盼盼 倪世兵 吕晓伟

[摘 要] “半导体材料与器件”是半导体科学的基础课程，主要教授半导体的能带结构、半导体中杂质、半导体中载流子统计和运动，半导体器件（PN结、金半结和晶体管）的基本结构、能带结构和工作原理。考虑到材料背景或化学背景的研究生在本科阶段大部分未接触“量子力学”和“固体物理”，需加增量子力学初步、晶体结构和能带理论方面的基础知识铺垫。结合所在学院各个团队研究方向中与半导体相关的内容，“半导体材料与器件”课程也探究和讲授相关科学问题和科学前沿，从而促进研究生的科研工作。将以上内容拟成十大专题，指导学习小组选题、预习、准备组织PPT并讲解，再通过集体答疑和分组讨论，最后提交思维导图作业，实现了学生自主学习，翻转课堂取得了比传统课堂更优的学习效果。

[关键词] 半导体材料;半导体器件;课程教学;翻转课堂

[基金项目] 2019—2020年度三峡大学颁布的“‘半导体材料与器件研究生课程建设研究”（SDKC201909）;2019—2021年度国家自然科学基金委颁布的“石墨相氮化碳电极制备及光电化学分解水性能调控研究”（21902084）;2020—2021年度国家实验室开放基金颁布的“二硫化钼/硫化钴复合阵列电极的析氢性能研究”（2020-KF-11）

[作者简介] 黄 妞（1986—），女，湖北荆门人，博士，三峡大学材料与化工学院副教授，主要从事新能源材料与器件研究。

[中图分类号] G642.4   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）25-0149-04   [收稿日期] 2021-05-08

一、“半导体材料与器件”课程内容和课程目标

“半导体材料与器件”是三峡大学材料与化工学院材料工程、化学、材料科学与工程三个硕士点的专业课程，自2013年开设该课程。“半导体材料与器件”主要介绍半导体材料的基本知识和基础理论，包括半导体的能带结构、半导体中浅/深杂质和其分别对载流子浓度/寿命的影响、载流子漂移运动/扩散运动、半导体材料的光吸收;半导体器件的基本知识和基础理论包括PN结、金属-半导体结、三极管和场效应晶体管的基本材料结构组成、能带结构和工作原理[1] （P20）。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科，在以半导体材料为基础的新型光电、能量存储与转换产业（如光/电催化、太阳能电池、锂电池、LED、传感器等）应用技术人才的知识结构中具有重要基础地位[2，3]。

二、传统教授式模式介绍和其考核及成绩评定方式

传统教学内容、教学方式及学时分配情况如表1所示[4，5]。

传统考核评定为开卷笔试，成绩占70%;平时成绩占30%（到勤、课上活跃度）。

三、以问卷调查学生专业知识基础铺垫情况

由于授课对象来自不同本科院校不同专业，需以问卷调查形式了解他们的专业知识铺垫情况。根据问卷结果，确定讲授内容范围、课后习题形式、学习小组等。

例如，通过组建QQ群，利用群内“投票”功能，要求所有选课学生投票回答下列选择题：（1）本科修过半导体物理吗，A.修过;B.没修过。（2）修过固体物理吗，A.修过;B.没修过。（3）有无修过接触过量子力学，A.修过;B.没修但接触过;C.没有接触过。（4）有无修过材料科学基础且对晶体结构有清晰印象，A.修过且对晶体结构有清晰印象;B.修过但对晶体结构已没有清晰印象;C.没修过但在其他课程学过晶体结构相关内容;D.都没有。通过查看学生投票结果，我们发现绝大部分同学没有修过量子力学和固体物理，个数同学接触过一点量子力学，更个数修过半导体物理。材料学背景的学生修过材料科学基础，但他们中小半数已对晶体结构没有清晰印象了;化学专业学生大部分没修过材料科学基础，在其他课程中学过晶体结构相关内容但也已模糊。我们决定补充晶体结构（材料科学基础中的内容）、量子力学初步（量子力学的少部分基础内容）、能带理论（固体物理中的内容）作为预备铺垫知识，根据它们的内在逻辑并结合知识点难易程度安排先后顺序和学时时间;正确处理物理模型和数学分析的关系，不追求完整细致严密的数学推导过程，不布置计算类作业而要求绘制每个内容块（即下文提到的九个专题块）的思维导图，建立清晰的思维脉络，强化对物理概念的理解和掌握;根据学生已有专业基础，交叉分组，首先将修过半导体物理的学生分散到不同小组，再兼具平衡分散材料背景和化学背景的学生。

四、翻转课堂

（一）“半导体材料与器件”课程目标再拟

一是知识培养。理解掌握量子力学、固体物理、材料科学相关基础知识;半导体的晶体结构和能带结构;半导体中载流子的漂移和扩散;半导体的杂质和缺陷及对半导体性能的影响;非平衡载流子的产生与复合机理;PN结的结构特性及其物理机理;其他半导体器件结构和工作原理。二是能力素质培养[6] （P98）。培养半导体材料结构与性能分析能力;具备半导体材料与器件专业的基本素质;培养自学、组织交流、汇报工作能力。三是结合所在学院各个团队研究方向中与半导体相关的内容，探究和讲授相关科学问题和科学前沿，从而促进研究生的科研工作。

（二）“半导体材料与器件”课程内容再拟

梳理课程内容后拟定10个专题，具体为：（1）半导体的材料结构;（2）量子力学初步;（3）紧束缚模型和能带;（4）半导体中的杂质;（5）半导体的非平衡态;（6）漂移电流和扩散电流;（7）半导体器件结构类型;（8）PN结工作原理与LED，太阳能电池;（9）金半接触和晶体管;（10）科研相关。

（三）“半導体材料与器件”学习组织形式再拟

采用专题汇报+讨论+思维导图作业方式进行。（1）3人小组选一个专题，该小组在教师指导下利用课下时间提前准备PPT和其他汇报材料，课上用45～60分钟汇报，之后用15～20分钟教师点评，其他学生提问。（2）由3人小组两两组成的6人组分别进行60～90分钟小组讨论，可通过PPT/文档/视频/图片辅助，期间教师不定时进入不同讨论小组，帮助讨论高效进行。（3）课后每人提交每个主题的思维导图，每个组每次讨论学习后，评出组内最佳提问者、最佳答疑者和最勤奋学习者，教师将其纳入平时成绩。疫情期间，我们采用腾讯会议，开始所有学生和教师在一个会议室听PPT汇报并集体讨论，后由6人组各自申请会议号在不同会议室谈论，教师不定时进入不同会议室观察讨论情况并做简要答疑。2020年春，学生的分组情况如表2所示。