卓越工程计划下的固体物理教学改革

卓越工程计划下的固体物理教学改革*

王少昊施隆照魏榕山

(福州大学物理与信息工程学院福建 福州350108)

*“福州大学高等教育教学改革工程”项目资助，项目编号：036171

摘 要：福州大学微电子科学与工程专业按照“卓越工程师教育培养计划”指导方针的要求，在教学改革中创造性地开设《固体物理与半导体物理》专业基础课程.在近4年的教学实践中，不仅对教学内容进行全方位整合与优化，还通过运用互动式教学、与工程实践相结合的教学方法、多元化考核等教学手段，使试点班培养的学生在减少43%课时的情况下，专业物理基础基本达到了教育部的教学质量要求.

关键词：卓越计划固体物理半导体物理教学改革

收稿日期：(2014-10-31)

作者简介：王少昊(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向为光子集成电路技术、波导光学.

1前言

2010年起，包括福州大学在内的全国61所大学成为第一批承担 “卓越工程师教育培养计划” (以下简称“卓越计划”)试点工作的院校. 为了达到增强学生工程实践能力的目的，“卓越计划”要求试点专业需通过压缩专业基础课学时数来增加企业实践方面的学时数[1].作为福州大学首批入选的8个专业之一，微电子学专业在教学改革中贯彻了这一要求，增加了共28学分企业课程和(企业)实践教学环节，对专业基础课进行学时压缩，其中就包括微电子学专业培养方案中十分重要的两门学科基础课——《固体物理》和《半导体物理》.

自20世纪起，固体物理学的发展方兴未艾，衍生出了半导体物理、化学物理、表面物理、材料科学等众多子学科和交叉学科，推动了像半导体、激光、超导、纳米材料等现代技术的发展，是奠定第三次科技革命的基础学科之一，产生了众多诺贝尔物理学奖、化学奖成果.由于其重要性，自20世纪50年代起，固体物理学一直是我国物理类专业教学体系中的一门核心基础课[2,3].对于微电子专业，固体物理学衍生的半导体物理学也是一门核心专业基础课，是学习集成电路设计、制造、封测等专业工程技能的基础.

本文作者自2011年起承担包括第一批试点班在内的4届“卓越计划”班的《固体物理与半导体物理》讲授任务.目前其中两届已经完成企业实践环节并顺利毕业.本文中，作者将结合心得和体会，针对“卓越计划”背景下微电子科学与工程专业固体物理与半导体物理教学中所面临的培养方案设置、教学内容取舍、教学方法应用等诸多问题进行阶段性的总结和讨论.

2“卓越计划”背景下对本门课程教学质量的要求

根据教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录(2012年)》，微电子科学与工程(编号080704，原为微电子学专业)是电子信息类的基本专业之一[4].《电子信息类专业教学质量国家标准(第二轮征求意见稿)》 (以下简称《征求意见稿》)在“1.1.2 学科基础知识”中提出,“微电子科学与工程专业应包括量子力学、统计物理、固体物理、半导体物理、微电子器件、微电子工艺、工程图学等知识领域中至少4个知识领域的核心内容.” 兄弟院校除少数顶尖高校专门开设量子力学课程外，一般选择讲授固体物理、半导体物理、微电子器件、微电子工艺这4个核心内容，讲授顺序为固体物理、半导体物理、微电子器件/微电子工艺.

根据《征求意见稿》 “1.1.3专业知识”一节提及的10个专业知识领域中，以固体物理和半导体物理为基础的是集成电路原理与设计、半导体材料、电力电子器件、光电器件、微波器件与电路、微电子机械系统、射频集成电路、专用集成电路等.由此可见固体物理和半导体物理在整个微电子科学与工程专业教学体系中的重要性.

《征求意见稿》还根据不同的情况，给出微电子科学与工程专业核心课程体系的3个建议示例(如表1所示).

表1　征求意见稿中微电子科学与工程专业核心课程体系建议与本校该专业普通班、试点班体系比较

示例一是针对类似“卓越计划”的情况给出的调整方案.该方案明显弱化了专业基础课，取消《固体物理学》课程，将其作为基础知识并入《半导体物理学》中.据我们了解，试点 “卓越计划”微电子科学与工程专业的兄弟院校最初采用这一方案的不在少数. 但在实施过程中，该方案容易造成学生专业物理基础薄弱的情况发生，不利于科研型学生的培养，同时也减弱工程型学生在日后发展中适应技术变化的能力以及在企业中的发展后劲.

示例二是面向微电子科学与工程专业普通班的课程设置建议，与福州大学微电子科学与工程专业普通班的十分接近.

示例三则减少了专业基础课学时，增加了半导体光电方向课程.

尽管微电子科学与工程专业“卓越计划”试点高校面临着“卓越计划”的工程导向型要求和专业从理科到工科的转变，但我们认为作为985,211计划中的高水平院校，不应当弱化甚至是放弃对专业固体物理基础的要求. 课程改革的方向应当是在“卓越计划”下，在有限的学时内努力地提高专业基础课教学质量，打牢学生的专业物理基础来满足国家对专业本科教学质量的要求.只有这样才能避免高水平院校“卓越计划”工程教育“专科化”和“职业化”现象的出现.

基于上述考虑，福州大学微电子科学与工程专业在培养计划中大胆地将《固体物理》与《半导体物理》这两门学科基础课结合在一起，创造性地开设《固体物理与半导体物理》课程.与《征求意见稿》示例一相比，该课程在不改变学时数的前提下大幅增加固体物理学内容，从而保证有充足的学时向学生讲授固体物理基础知识.

而在具体课程大纲的制定中，任课教师面临着诸如总学时数大幅减少43%(由原来的112学时减少为64学时)、前期没有开设《量子力学》等具体困难.教学内容的取舍、教学方法的采用等方面都对该课程的顺利完成提出了诸多挑战.

3教学内容整合与优化

由于总学时数压缩到64学时，我们在《固体物理与半导体物理》课程保留了《固体物理》中“晶体结构”等7个章节的内容(30学时)，《半导体物理》中的5个章节(28学时)，及《量子力学初步》背景介绍(6学时，但不作为考点)，详见表2.

表2福州大学“卓越计划”微电子专业《固体物理与半导体物理》教学大纲中的章节安排

章节章节内容原课程学时/学时1晶体结构2晶体的X射线衍射3晶体的结合4晶格振动5晶体的热学性质固体物理学644446量子力学初步量子力学67金属电子气8能带固体物理学449半导体中的电子状态10半导体中的杂质和缺陷能级11半导体中载流子的统计分布12半导体的导电性13非平衡载流子半导体物理学53758

3.1《固体物理》与《半导体物理》的结合方案

《固体物理》是《半导体物理》的基础，二者在教学内容中存在几个重叠的部分，因此我们制定的结合方案如下.

(1)将《半导体物理》第一章中“磁场中的电子运动”内容整合在《固体物理》第六章中讲述，而在讲授半导体物理时只捎带提及.这样做的好处是保证了学生掌握电子在晶体中运动的知识的完整性.

(2)将原《固体物理》第八章、第九章的E(k) -k关系、有效质量、等能面、半导体能带结构等知识点统归到《半导体物理》第一章内(即表2中的第9章)讲授.这样做的好处是在提高学时数利用效率的同时，兼顾了知识点的完整性和前后内容的衔接.

3.2初步将《量子力学》基本内容嵌入到该课程中

最初制定的《固体物理与半导体物理》教学计划中并不包含量子力学内容.但随着教学实践活动的开展，我们发现《固体物理》第六章中的“一维情况下自由电子费米气”内容需要介绍一维周期势阱和一维谐振子势场，而这一部分内容对于没有量子力学基础的学生是难于理解的.为了解决这一问题，本专业与物理教学督导组和兄弟专业开设《固体物理》的教师进行了研讨并在其建议之下在《固体物理与半导体物理》教学内容中加入6学时的《量子力学初步》内容.这部分内容主要涵盖经典物理学的困难、光的波粒二象性、德布罗意假设——微粒的波粒二象性、波函数的统计解释、态叠加原理、薛定谔方程、一维无限深势阱、线性谐振子这8个知识点.在讲授过程中，我们结合量子力学的发展历史，运用多媒体手段，采用生动的方式讲授量子力学的历史沿革、基本思想和基础概念.对量子力学知识的讲授，不仅有助于学生掌握后续教学内容，还为其打开了解量子力学的大门.

3.3与后续课程衔接方案

由于总学时数有限，《固体物理与半导体物理》的固体物理部分只能讲授主干的知识点.而半导体物理的28学时中并不涉及“PN结”及以后的内容.这部分的内容则由后续的《半导体器件原理》课程讲授.这样做的好处是能够有效地减少课程内容的重叠，但同时也对前后课程的衔接提出了较高的要求.

但由于《固体物理与半导体物理》和《半导体器件原理》的开设时间分别是大二下学期和大三下学期，课程间隔一个学期之久，学生对半导体物理的知识点难免遗忘.因此，我们要求《半导体器件原理》主讲教师在讲授内容中强化了对半导体物理知识点回顾，通过适度复习背景知识为“PN结”内容的讲授做准备.

4教学方法和教学手段的改进

4.1教学方法的改进

“卓越计划”要求总的教学目的是增强学生的工程实践能力，而压缩专业基础课学时数和增加企业实践方面的学时数都是以此为目的的.这就要求对“卓越计划”班的教学过程中不仅要讲好专业基础知识，还要将教学内容与工程实践紧密结合起来.

《固体物理与半导体物理》的知识点具有极强的逻辑相关性，可以说是环环相扣.传统的固体物理教学方法在有充裕学时数的前提下能够兼顾严谨的公式推导和全面的理论知识点覆盖，但在“卓越计划”压缩专业基础课学时数的前提下是难以实现的.与此同时，多数学生并不具备传统教学方法所要求的严谨的思维和较好的数学基础.

针对这一情况，我们借鉴光电信息科学与工程专业的经验，采取“以教师为主导，以学生为主体”的强化互动式教学方式.这样的教学方式能有效地改变学生学习固体物理的畏惧心理并形成学习兴趣，有利于培养学生创新意识和创新能力[3].

此外，在课程讲授过程中，我们也十分注意采用将教学内容与集成电路制造工程实践相结合新的教学方式.例如在讲述退火工艺时结合离子注入的工程实例：在硅晶中注入硼离子，需要精确控制电场来加速掺杂离子使其到达足够的深度.硼离子在注入到指定深度后会破坏硅的晶体结构形成非晶，其结果是形成缺陷阻碍电子的传播，从而影响器件性能.在此抛出如何减少缺陷的问题之后，教师应当启发学生如何运用高温退火工艺来解决. 合理的解决办法是在800～1 200℃的温度范围内对硅晶进行高温退火，使得硼离子能通过扩散进入硅晶格，从而形成有效掺杂.

4.2教学手段的改进

在教学手段上，通过承担我校“网络教学课程建设项目”，依托我校网络教学综合平台，初步建立了该课程的课件讲义、习题测验和补充资料的体系.已建设完毕的内容包括32讲的网络课件、12章内容的章节讲义、20套的习题集、每章的补充内容(包括知识点补充、多媒体课件等).其中补充内容将GIF动态图、三维图、视频等多媒体技术引入到固体物理和半导体物理课程的教学中，运用动态、直观描述和演示晶体微观结构、载流子在半导体中的运动等物理概念和规律.

在《固体物理与半导体物理》教学中，我们还建立了多元化教学考核机制，特别是引入学生自主进行的小课题研究的内容. 总成绩中期末考试成绩占70%，课后作业占15%，3次阶段性随堂小测占9%，另有小课题研究报告成绩占6%.

其中，小课题研究报告的实施方案是，教师从《固体物理与半导体物理》各个章节重点内容或拓展内容中选取题目形成小课题题目，每个课题一般包含概念描述、关键公式推导以及若干道应用题，在第12教学周开始向学生公布小课题题目.学生通过自主选题自由配对，组成若干个2人研究小组对指定的小课题展开研究.该教学环节要求学生以小组为单位分工合作，自行查阅相关的文献，最终以小课题报告的方式完成作业，让学生明确固体物理和半导体物理概念，掌握相应的理论推导过程，并且了解如何应用已知理论联系实际解决实际问题.在这一过程中，学生不但掌握了文献查阅方法技能，了解了物理的研究方法，还能理解学习物理基础知识的目的和意义.

5存在问题与思考

《固体物理与半导体物理》讲授的知识点虽然经过一定的取舍删减，但数量依然较多.其中固体物理部分仅保留主干部分，知识体系前后逻辑关系严密且重点、难点众多.这就要求学生在每一讲中都必须及时掌握该讲的主要内容.这不仅要求学生拥有较强的数理基础、对课程较高的兴趣与专注度，还要求其及时做好课前预习与课后复习.

在实际讲授过程中，尽管学生反映在课堂上能够听懂讲授内容，但是由于课前回顾时间有限、课后作业反馈具有一周左右的滞后等具体问题的存在，还是有部分学生出现中途掉队的情况，而学生对个别知识点的掌握不够深入的现象也普遍存在.

对课程整体而言，由于《固体物理》和《半导体物理》部分相对独立且课程时间跨度大.学生往往在期末考试时发现对以前掌握的前半部分固体物理内容比较模糊，需要花较大气力复习.这也是该课程改革中需要继续总结改进的地方.

尽管存在一些问题，但就整体教学效果而言，已毕业的两届学生中继续读研深造的占三分之一，其

中有6人考入北京大学、复旦大学等国内微电子专业顶尖院校攻读研究生. 这从另一方面验证了《固体物理与半导体物理》的课程改革使学生的固体物理和半导体物理专业基础基本达到了教育部对微电子科学与工程专业教学质量的要求.

6结束语

福州大学微电子科学与工程专业按照“卓越计划”指导方针的要求，在教学改革中创造性地将《固体物理》与《半导体物理》整合开设《固体物理与半导体物理》课程.

在近4年的教学实践中，福州大学微电子科学与工程专业一方面有针对性地对教学内容进行全方位整合与优化；另一方面积极采用互动式教学法、多元化考核的教学手段，并努力做到把教学方法与工程实践相结合.到目前为止，该项教学改革取得了一定成效，“卓越计划”试点班毕业学生在减少43%课时的情况下，固体物理和半导体物理专业基础基本达到了教育部对微电子科学与工程专业教学质量的要求.

参 考 文 献

1施隆照，陆陪民.福州大学微电子学专业卓越工程师培养体系的探讨.中外教育研究，2011(2):20～33

2华中，宋春玲，刘研.固体物理教学改革的探索与实践.吉林师范大学学报(自然科学版)，2004(4):26～28

3钟佑洁，杨尊先.电子学科的固体物理教学改革初探.大学物理教学，2013(8):17～21

4电子信息类专业教学质量国家标准(第二轮征求意见稿).教育部电子信息类专业教学指导委员会标准研制工作组，2014