学科交叉背景下新能源材料与器件专业“半导体物理”课程教学改革研究

赵 明 琳

(江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

新能源材料与器件专业为2010年新增的本科专业，该专业是我国为适应21世纪的国际经济发展趋势而增设的战略性专业[1]。 新能源材料与器件专业具有典型的多学科交叉特性，涉及了物理化学、材料学、半导体技术、集成电路技术和电子器件技术等多个学科领域[2]，知识覆盖面广，对学生的综合素质要求较高。而半导体物理课程是该专业的重要专业基础课之一，该门课程揭示了半导体材料体系中的磁、热、电、光等基本物理现象，是后续功能薄膜材料和集成电路知识体系的学习的基石。现在各高校中通用的教材为刘恩科版的半导体物理，但该版本教材涉及的内容广，理论公式推导复杂，对学生的前期数理基础和知识储备有较高的要求。江苏科技大学为适应国家的战略性发展，筹备并获批开设了新能源材料与器件专业，该专业依托于环境与化学工程学院，从2015年开始招生。基于环境与化学工程学院的师资队伍和科研方向，该校的新能源材料与器件专业具有较强的物理化学背景，较为偏向薄膜太阳能光伏器件和新型薄膜锂电池器件领域。为更好地匹配学生的学科背景，将半导体物理课程融入整体的知识体系中，本文主要从合理地调整教学内容、创新地改进教学讲授方式和灵活的改革教学考核方式这三个方面给出了在学科交叉背景下半导体物理课程教学改革的一些思考。

一、基于学科背景，合理调整教学内容

江苏科技大学的新能源材料与器件专业开设在环境与化学工程学院，培养计划中学生的核心知识领域以物理化学、能源化学、材料科学基础、材料现代分析与测试技术、新能源材料设计与制备和储能技术与应用为主体，突出新能源材料，有别与传统的半导体材料，因此必须对半导体物理的教学内容进行适当的删减和补充，以更好地适应学生整体知识体系的构建。该专业的学生在学习本门课程之前，没有经过系统的物理知识体系培养，对量子力学、固体物理和数学物理方法等必要的前期物理知识没有深刻的认识，因此在教学内容上，首先补充了6个学时的前期预备课程，概述了量子力学初步，深入讲解了物质波概念，并复习了固体物理的相关知识。同时在后续的整个课程内容的讲授过程中，注重理论概念和物理意义，不过多要求学生掌握公式推导过程。具体按教学章节来看，着重要求学生明确半导体的电子状态，半导体的杂质和缺陷能级，特别强调对载流子和非平衡载流子以及半导体导电性的理解，同时简化对半导体的磁学性质、热电性质和非晶态半导体等相关知识的掌握程度要求。特别的，针对太阳能电池原理与工艺和OLED有机电致发光材料与器件等后续课程，着重讲解半导体的光学性质和光电与发光现象这一章节的内容，为后续课程的学习打下坚实的基础。在理论教学的基础上，利用4个学时的时间，引入MIS结构的高频C-V特性测试、高频光电导衰退法测半导体寿命和半导体材料光学参数的测量等几个典型的课内实验，以培养学生的动手能力，让学生看得到，听得懂，摸得着。

二、融合多种手段，创新教学方法

在课堂教学中，不再是简单的问答式教法，不再以教师为教学的主体，而是根据教学内容，尽可能地通过多媒体形象地向学生展示相关原理、相关问题等，调动学生观察、思考、分析，培养学生的观察能力、分析能力和解决问题的能力，在教师的引导下形成师生有效互动，调动学生学习的积极性，充分发挥学生主体作用。在课堂教学中，还设置典型习题，让学生们思考、讨论、回答，鼓励学生团队代表上台讲解，团队成员补充、培养学生精益求精的工匠精神，增强学生团队意识和合作精神，从而使学生掌握重点，更好地把握住关键。在绪论的讲解中，通过对半导体物理历程的故事性讲述，让学生明白半导体发展简史，提升学习兴趣。而对于教学过程中涉及的一些较为晦涩难懂的概念要与生活实例相结合，让学生从生活中发现半导体的存在，将抽象的概念具象化。基于信息技术的发展，多媒体技术越来越多地应用于课堂教学过程中，我们应充分利用动画、Flash等媒介，让抽象的物理过程形象化，把语言传授和图像传授相结合。例如在PN结的非平衡载流子注入与复合的物理机制讲解中，通过动画，可以让学生直观地认识到非平衡载流子的引入对原有热平衡状态下扩散运动和漂移运动的动态平衡的打破与重建的过程，可谓是一个Flash胜过千言万语。2018年江苏科技大学还在部分教室安装了互动式教学黑板，该智能系统能与之前的智慧课堂手机APP系统相联用，对于增强师生联系，提高课堂互动性有很大的帮助。基于新的多媒体技术，半导体物理的课堂签到、师生交流、课后作业逐步实现无纸化和信息化。此外，我们注意到新能源材料与器件专业是新兴专业，该专业紧跟现代科技发展的最前沿领域，因此将专题讲座适当地引入到课堂中，让学生了解专业的前沿领域与半导体物理课程之间的知识体系关联，对于学生提升学习兴趣，明确学习目标，调动学生的学习积极性有着很关键的作用。半导体物理课程开设在大三上半学期，同一时间很多学生参与了学校的本科生创新创业大赛活动，专题讲座可以引领学生初步接触相关科研领域，对于学生确立自身研究兴趣和未来的就业方向有着非常重要的指引性作用。但要注意，因为是针对本科生的教学，所以专题讲座的内容应该注重科普性与专业性相结合，前沿性与基础性相结合，同时要注重与本门课程教学内容的关联关系。

三、结合应用需求，改革教学考核方式

新能源材料与器件专业的毕业生在太阳能薄膜光伏器件、化学能源以及新型储能材料等领域都有着广阔的就业前景，可以服务于航空航天、通信、新能源汽车和医疗等领域。半导体作为21世纪信息化和智能化的载体，涉及诸多新兴关键前沿领域，因此学生对半导体知识的掌握应更好地结合实际的应用需求，因此对学生的考核方式应该多元化，不能一考定音。通过改革教学考核方式，让整体教学评价体系更加注重学生整体的科学素养和实际能力，而不仅仅局限于纸面上，避免学生陷入眼高手低，能力素质脱离社会需求的情况。在传统的期末考试成绩和平时成绩的基础上，基于所开设的专题讲座，引领学生自己调研，拓展知识面，将学生分为几个小组，以小组形成提交新能源领域半导体的应用调研报告，并纳入最终的教学成绩考核中。通过上述手段，一方面教师了解了学生对本学科知识的掌握程度，达到考核学生的目的；另一方面更重要的是提升了学生对课程的了解，尤其是本学科的现状和发展方向的认识，为学生今后对本课程学以致用奠定了基础。