半导体物理学教学模式的改革与创新构想

吴宏伟+陈华俊

【摘 要】基于对当前半导体物理教学模式的思考以及在实际教学过程中得到的教学效果反馈，提出几点关于传统教学模式的改革与创新构想。将实验教学融入到理论课程的教学中，充分利用多媒体教学工具和数值模拟软件，以研究性学习教学模式代替灌输式教学模式，提高学生学习兴趣和效率，培养学生运用半导体物理知识解决实际问题的能力。

【关键词】半导体物理学；教学模式改革；教学方法创新

【Abstract】Based on the considering of present teaching mode for semiconductor physics and the feedback of teaching effect，we present several conceptions about the reformation and innovation in the education of semiconductor physics.Blending the experimental teaching into theory course， useing multi-media and numerical simulation software，replacing the force-feeding teaching mode with research teaching model，to improve students' learning interest and efficiency and train the capacity of solving the practical problem by applying the knowledge of semiconductor physics.

【Key words】Semiconductor physics；Teaching mode reform；Teaching method innovation

自第一块基于半导体材料设计的晶体管从贝尔实验室诞生以来，人们借助半导体器件已经设计出了各种各样的微电子器件满足人们生产、生活的各种需求，人类从此进入了飞速发展的微电子时代。随着半导体物理的发展和加工技术的进步，微电子器件在尺寸上更加小型化和功能上更加多元化，集成电路上可容纳的微电子元件每18个月可以翻一番，这一规律也被人们称之为“摩尔定律”[1]。在半導体材料和功能器件飞速发展的今天，人们对半导体物理的基础知识学习显得更加重要。因此，国内大多数理工科高等院校都开设了半导体物理学课程，为学生将来走进以半导体物理为基础的公司和企业工作打下理论基础。然而，半导体物理学课程由于其涉及内容范围广、知识点甚多、公式推导复杂以及内容系统性强等原因使得学生在学习过程中会产生恐惧、厌学等情绪。另外，由于该学科领域是国际科学研究热点之一，研究领域不断扩展，知识快速更新，新的理论和知识不断涌现。因此，教授半导体物理学课程的教师应该在教材内容的基础上，采取更直接、形象的教学方法向学生阐释半导体物理的基础知识，并结合当今该领域的科学研究前沿向学生展现该领域的发展趋势，提高学生对半导体物理学的学习兴趣，促进学生知识的积累和思维的发展，培养学生利用半导体材料设计电子器件、搭建集成电路的技能。笔者结合近一年来对半导体物理学课程的讲授与教学效果的反馈提出几点关于半导体物理学课堂教学改革和创新的构想。

1 半导体物理学课堂教学的现状

1.1 理论与实验课程结合不充分

目前，大多数高等院校所开设的半导体物理学理论课程与实验课程是相分离的并由不同任课教师讲授。另外，理论课程与实验课程在开课的时间上也不一致，通常是理论课程的老师讲授完所有相关课程以后，学生再去实验室随实验指导教师完成实验学习，理论与实验课程在时间上一般相差半个学期。这样的安排会导致两方面的问题：第一，理论课程与实验课程教师的不统一。理论课程的教师仅仅完成理论部分的教学任务，不能从学生的角度考虑实验教学对理论基础的补充对学生理解理论内容的作用。同时，实验指导教师也仅仅考虑自己在实验教学过程中应该完成的教学任务，并不能与理论课程教师进行很好地沟通，在教学效果上不能产生合力作用。第二，理论课程与实验课程时间的不统一。理论课程的教学时间与实验课程的教学时间相差半个学期导致学生在理论学习过程中所产生的疑问和想法很难及时的在实验中解决和证实。学生很难将学到的知识及时运用到实际的应用中，这不仅降低了学生学习的兴趣也影响了学习的效率。

1.2 多媒体教学工具运用不充分

半导体物理学课程因具有理论性强，物理概念抽象，物理过程难以观察等特点。因此，授课教师应该设计一些课程动画以让学生直观感受半导体材料中难以观察到的物理过程，深刻理解物理概念。然而，很多高等院校虽然开设了半导体物理课程，但是大多数教师依然是网上搜索下载别人的课件，或者仅仅是复制一些课本上的文字内容以及少数的图表内容，很少有授课教师花时间将一些半导体物理过程，如载流子浓度、费米能级随温度及掺杂浓度的变化等用动画形式向学生展示。笔者了解到，半导体物理学课程授课教师以课件向学生展示文字和图表信息和以板书形式向学生展示物理公式推导过程所得到的教学效果并不理想。老师花了很多时间推导公式，讲解公式得到的结论和物理意义，然而学生往往不能透彻理解和体会，得到的教学效果往往事倍功半，学生的学习兴趣也可想而知。

1.3 教师对科学前沿涉及不充分

笔者了解到，老师对半导体研究领域的科学前沿不关心，在讲课过程中也很少涉及到前沿内容的讲解。老师严格按照教材上的内容讲解，至于教材里的基础知识在电子器件中是怎样应用的内容基本不作阐述。对于基于半导体物理的科学研究前沿知识，授课教师更是视为与本课程无关的内容而被忽略。然而，以半导体物理学为基础的实际应用以及科研前沿介绍是使学生消化所学内容和提高学习兴趣的一个关键措施。如果授课教师可以以教材中的部分内容为出发点，向学生介绍其在实际生活中的应用以及目前的科学研究现状，必然会引起学生对这些内容的重视，并通过网络搜索、查阅专业书籍等手段学习相关知识点。

2 半导体物理学教学模式改革的构想

如何有效地提高学生对半导体物理课程学习的兴趣以及加强教师对半导体物理学教学效率的重视是目前半导体物理学课堂教学过程中需要解决的问题。笔者结合在半导体物理学教学过程中所遇到的问题和学生给予的教学反馈信息，提出几点对半导体物理课堂教学模式改革的构想。

2.1 理论课程与实验教学有机融合

半导体物理学不仅是一门具有很强系统性的理论课程，更是一门具有很强可操作性的实验课程。因此，以理论引导实验，以实验验证理论，是半导体物理学课程不可缺少的环节。然而，通常高校开设的半导体物理学理论课程与实验课程往往是分离的且两者之间时间跨度大，这种不合理的安排导致理论教学过程得不到实验的验证，实验课程得不到理论的指导。学生在学习理论课程时，由于半导体物理学理论知识具有知识点繁多，理论推导复杂，物理过程难以理解等问题，特别容易产生厌学和抵触情绪。因此，半导体物理学的理论课程和实验课程可以调整为同一人授课，并且理论和实验部分的课程安排不应该有明显的界限，授课教师可以按照需要将理论和实验课程合理调整。例如，理论课程的回旋共振内容讲解完后，可以在下一节课带领学生动手做回旋共振实验，让学生亲自动手测量半导体硅、锗等材料的有效质量，进而让学生回顾前面所学内容，亲身感受到半导体物理学中是如何获得有效质量以及有效质量的意义。

此外，授课教师也应该将部分简单易操作的实验在课堂上加以演示，将理论推导得到的结果以实验的形式及时加以验证，将知识点穿插在实验演示过程中讲解，提高学生的学习效率以及学习兴趣。比如，授课教师可以组织学生走上讲台，以刚学不久的理论知识为基础，亲自动手测量实验数据，观察实验现象和总结实验结论。整个实验以学生为主，实验过程中遇到问题，由老师引导学生解决问题，分析产生问题的原因。这样一来，就充分调动了学生的潜在兴趣和创新意识，培养了学生的动手操作能力，提高了学生对半导体物理学理论知识的掌握。

2.2 理论讲解与多媒体教学工具的有机结合

半导体物理学课程的教学中除了需要讲解复杂的理论公式推导以外，还需要向学生讲解复杂的物理过程。例如，半导体材料中的电子是怎样在周期性势场中运动的，半导体的载流子浓度怎样随着温度和掺杂浓度变化等一些物理过程。然而，这些物理过程是一个微观过程，学生很难建立起物理图像。授课教师可以将这些复杂的物理过程和抽象的物理概念通过动画的形式向学生展现，使内容更加直观化、形象化，有利于提高学生学习兴趣和降低学习难度。

此外，授课教师可以将一些重要的物理过程以作业的形式布置给学生，要求学生课下以自己的理解制作动画。由于半导体物理课程通常是安排在大学三年级学习，所以学生已具备了简单的电脑制作知识以及数值计算软件Matlab和Mathematica等，制作半导体物理学课程中的物理过程动画是可以完成的。学生的作品可以在下一次课堂上展现并由学生向大家讲解其理解的物理过程与物理概念，在讲解过程中老师可以判断学生理解的有无偏差。如果学生有理解错误的地方，老师可以及时纠正并加以重述和解释。如果学生对概念和物理过程理解的正确，老师可以对其加以肯定并强化概念和过程，让班级其他同学能加深印象。这样不仅激发了学生学习兴趣和主动性，而且提高了学生学习的目的性和参与意识，淡化了课内外的时间界限，教学不再只是课内的事情。

2.3 基础理论与科学前沿的有机结合

半导体物理学不仅是微电子器件、集成电路等实际生产应用方面的基础理论，而且还是半导体材料领域的重要研究方向之一。同时，因为该学科领域发展极为迅速，新的理论和研究前沿不断涌现，研究领域不断拓展，学科之间交叉频繁导致教材的内容陈旧，基础理论不够用的尴尬局面[2]。高等院校开设半导体物理学这门课程其本意是要培养学生理解和掌握半导体物理学基本概念和基础知识，结合半导体物理学实验课程培养学生设计和发明新型微电子器件的能力。因此，授课教师在讲授半导体物理学基础理论的同时还必须要介绍最新的研究成果，向学生传递最新研究成果与教材上相关内容的关系以及最新研究成果在哪些方面具有突破性的进展。在保持原有基础理论体系的完整性的同时，加入大量发展成熟的新理论和新知识，突出研究热点问题不仅可以让学生对半导体的发展历程和发展趋势有一个清晰的认识，也可以激发学生的学习兴趣，促进学生对基础知识的掌握，还可以培养学生科研创新的能力。

除此以外，很多高校都有大學生创新创业项目，授课教师可以作为项目指导教师鼓励学生积极申报学校的创新创业项目，根据学生的不同兴趣和爱好，选定几个有针对性的课题让学生参加，定向式培养和指导学生完成课题，提高学生动手能力和运用已学知识解决实际问题的能力。同时，授课教师也可以鼓励学生根据自己的想法做一些挑战杯、学术研究以及应用型专利申请等项目。创新项目的参与过程不仅可以让学生更深刻地掌握已学知识，而且可以让学生意识到半导体物理学的重要性和实用性。

3 结论

半导体物理学的教学模式不应该是一成不变的传统教学模式，而是应该不断融入新知识、新理论、新方法的开放式教学模式。教学活动应该以提高学生学习兴趣和学习效率为主要教学目标，以培养学生运用所学基础知识解决实际问题的能力为教学宗旨。随着科技进步和社会的发展，半导体物理学教学模式和教学方法亟待改革和创新，调整陈旧的教学模式，摒弃僵化的教学方法，更新过时的教学理念，采用先进的教学方法，利用丰富的教学资源，为国家培养具有创新意识的新一代大学生。

【参考文献】

[1]晏世雷.晶体管与半导体科学技术的发展[J].物理教师，2002（5）：48-50.

[2]王印月，赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育， 2003（1）：69-71.

[责任编辑：田吉捷]