材料专业《半导体物理学》课程教学改革探索

毛启楠，李红霞，季振国

(杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

1 引言

半导体作为一类重要的功能材料，其已在信息、通讯、能源、照明显示等领域起着至关重要的作用。半导体产业已成为支撑国民经济发展和国家安全保障的战略性、基础性和先导性产业。国家相继出台一系列政策和文件，并持续投入大量资金来支持我国半导体产业的发展。可以预见，在创新驱动发展战略的时代背景下，我国的半导体产业将进入黄金发展期[1]。产业的高速发展必将对人才产生巨大的需求。

高校作为高素质优秀人才的“蓄水池”，在新时代下的人才培养需紧密结合国家重大战略需求，主动适应新经济变化。针对半导体方向，我校在材料专业开设了一系列相关的本科生课程。其中，《半导体物理学》为该方向的核心课程，主要介绍半导体材料的电、光、磁、热等物理性质并讨论半导体中的微观粒子状态、微观结构与宏观物理性质之间的联系。这门课程既为后续相关课程的学习奠定理论基础，也为深入开展半导体科学研究和技术专业工作提供理论支撑。因此，《半导体物理学》课程的重要性得到了各高校相关专业的教学工作者的普遍认同[2]。然而，该课程的知识点涉及广，内容抽象，理论难度高[3]。这对课程的教与学都提出了较高的要求，传统的教学模式往往难以获得理想的教学效果。本文针对课程教学现状、专业特点、科学研究和产业发展情况，结合笔者教学实践的心得体会，提出了该课程教学改革的思路和对策。

2 课程教学现状及所存在的问题

《半导体物理学》涉及多个学科：半导体相关的基础理论主要来源于固体物理学、量子力学和材料学，半导体材料的应用又与电子学、光学、信息科学等学科紧密联系。而学生普遍存在高等数学和大学物理基础不扎实，关联学科知识缺乏的问题。教师为了讲透一个知识点，常常需要引入大量的前导知识。学生在课堂时间内无法消化如此大量信息，导致难以充分掌握相关知识点。课程部分内容较为抽象，通常描述微观层面的物理状态和物理运动。而学生在接触该课程之前，基本上仅学习过经典物理中的宏观知识，难以直观理解一些基本概念和物理模型。半导体物理学发展得较为成熟，已形成了较为完整的理论体系，知识点既包含了物理概念、物理过程和物理机理，又包含了公式推导和物理量计算。而大部分学生对基础性知识的认识就存在一定的困难，更谈不上了解公式推导过程和运用公式计算。因此，从《半导体物理学》课程本身来说，材料学生在学习该课程的过程中，存在较大的挑战。在此情况下，如果教师不对课程的教学方式方法上进行一些改变，仍按照传统的教学模式，进行常规性的概念引出、理论讲解、公式推导为主的讲授式教学，往往会使学生觉得内容过于枯燥，难以保持专心听讲。课堂学习效果差导致学生对教学内容一知半解或认识偏差。随着课程的深入，学生越来越难以理解新的知识点，非常容易产生厌学心理。在课程难度较大，学习积极性不高的情况下，学生面对考核压力，往往采用死记硬背的方法进行学习。修完课程后，学生仅仅是听说过或学习过相关知识点，而不是掌握了知识点，更无法灵活应用知识来解释实验现象和分析实际问题。这不利于学生进行后续相关课程的学习，更无法帮助学生的解决问题能力得到提升。

3 课程教学改革与实践

3.1 优化课程内容、抓住教学重点

尽管现有国内外多套经典的《半导体物理学》教材可供选择，但这些教科书主要针对物理类和电子类专业所编，不是非常适合于我校材料专业学生。根据材料专业的培养目标和培养计划，我们对授课内容进行了优化，分为三大部分。第一部分为量子力学初步，主要补足学生在量子力学方面的知识点，使他们在后续课程中能更好地理解半导体物理学涉及的一些基本概念和物理模型。第二部分为经典的半导体物理，包括半导体电学、光学和磁学等物理特性方面的内容。为让学生更全面地了解半导体材料及其应用，我们增加了一定的课时来讲解半导体的光学和磁学相关知识点。第三部分为低维半导体物理，让学生接触前沿的科学研究成果和了解半导体材料与器件在纳米维度上所显现的物理现象。以上三部分内容能够构成较为完整的半导体物理知识体系。但是，考虑到课时所限，教师无法对三大部分课程内容进行面面俱到地讲解。笔者的授课注重基本概念和物理模型，相对弱化公式推导；注重半导体材料部分，相对弱化半导体器件部分。目的是使每一位学生在相对有限的课时内学懂和学透课程中最基本、最核心的内容。实际教学过程中，笔者发现，学生无法较好地达到学习目标的原因在于未能正确地理解基础性的知识点，导致学习无法进一步深入。而掌握了最基本、最核心的内容后，学生更容易通过自学的方式补足延伸性的知识，从而构建起半导体物理学的知识网络。

3.2 打造立体化多平台教学

《半导体物理学》作为一门专业理论课，不可否认讲授法仍是最为重要的教学方法，但需要极力避免使用太过专业性的语言满堂灌的情况。学生会感到枯燥甚至厌烦，听了一堂课，可基本没听懂。笔者采用简单平实的语言和贴近生活的类比，使课程内容更易于理解。例如在讲解引入“空穴”概念的原因时，将电子比作为水滴，而空穴比作为气泡。降雨过程可以用水滴的运动状态来描述。而含有气泡的水池中，气泡的运动状态从另一个侧面能反映水池中水的运动状态。研究水池中的每一滴水来得到整池水的运动状态是非常复杂的，而研究几个气泡的运动来得到整池水的运动状态显得更为简单。这样，学生更容易理解为什么会在半导体中提出一个非真实存在的粒子(空穴)的概念。

同时，笔者尽可能多地采用生动形象的图片来讲解物理过程和物理模型，必要时附加视频素材来加深学生对知识点的理解。例如电子跃迁过程、p-n结中载流子的输运、场效应晶体管的工作原理等等。除此之外，笔者还通过简单的课堂实验来直观地展现物理现象。例如：一片单晶硅片、一支电烙铁和一个万用表就可以向学生展示利用塞贝克效应判断半导体的导电类型。这类课堂实验既能吸引学生的注意力又能够让学生更好地理解物理现象背后的物理本质。立体化的教学手段获得了学生的认可，有效地提高了课堂教学质量。

在教师向学生单向传授知识之外，学生向教师的逆向反馈和教师与学生之间的双向互动也十分重要。为此，课程利用网络教学平台进行课堂小作业来及时反馈学生对知识点的掌握情况，在社交平台上建立了班级群用于课后答疑和问题讨论。线上互动符合当代学生的偏好，既有利于提高他们的参与度，又能够及时有效反馈教学情况。

3.3 加强课程与课程以及课程与科研的联系

《半导体物理学》是一门基础性课程，它与其它专业课程和科研密切相关。但学生受限于较少的专业学习和研究经历，很难自主地建立起它们之间的联系。而教师有责任做好课程知识的延伸和拓宽学生的视野。笔者通过与相关课程的任课老师进行研讨，优化课程之间的衔接，加强课程之间的联系，进一步帮助学生建立材料科学的知识网络，实现专业知识的融会贯通。例如，《半导体物理学》会讲授半导体的电学性能(载流子浓度、迁移率、电阻率)和光学性能(透过率、吸收率、光学带隙)相关的概念，但仅仅停留在理论层面上。为加深对相关概念的认识，《真空与薄膜制备》实验课程安排了ZnO:Al半导体薄膜的制备，并对该薄膜进行电学性能(载流子浓度、迁移率、电阻率)和光学性能(透过率、吸收率、光学带隙)的表征。根据实验结果，任课教师讲解载流子浓度、迁移率和电阻率三者之间的计算，以及利用透过率数据推算光学带隙的方法。类似这种知识点在不同的课程中的学习和巩固，十分有助于提高学生对专业知识的认识水平，强化他们的专业素养。此外，笔者还在课堂教学中加入半导体领域研究前沿的内容和安排部分学生参加科研训练，使学生切实体会到理论与实际的紧密联系。教学与科研的结合十分有效地增加了学生对课程学习的兴趣，提高了学生分析能力和动手能力，同时也让课程教学与时俱进。

4 结语

《半导体物理学》是材料科学与工程专业的核心课程。针对课程教学现状、材料专业特点、科学研究和产业发展情况，本文主要提出了优化课程内容、抓住教学重点，打造立体化多平台教学，加强课程与课程以及课程与科研的联系这三个方面的课程改革措施，以此帮助学生构建知识体系，激发学生的学习积极性，提升学生的分析问题能力和实际动手能力。笔者将在今后的教学实践中不断深化教学改革，以培养出适应新时代要求的高素质专业人才。