固体与半导体物理教学改革及课程思政探讨

俞健 陈涛 马广兴 马柱

[摘 要] 本文结合我校卓越工程师教育培养计划2.0建设项目，结合《新能源科学与工程》具备较强创新意识的高级工程技术人才的培养要求及专业特点，通过教学改革加强产学研联合育人及对学生工程实践能力的培养，为将来从事光伏材料与器件开发工作奠定基础。

[关键词] 固体与半导体物理;卓越工程师;产学研;教学改革

[基金项目] 西南石油大学材料科学与工程学院“一流本科专业建设”项目（2019CLY-JG-009）

[作者简介] 俞 健（1986—），男，浙江平湖人，博士，副研究员（通信作者），研究方向为新型光电材料与器件。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）35-0289-02     [收稿日期] 2019-10-10

一、引言

《固体与半导体物理》是新能源科学与工程专业的核心必修课程，主要讲授内容包括晶体结构、晶格振动与晶体的热力学性质、能带理论，半导体的基本性质、平衡态半导体的物理基础、非平衡半导体中载流子的运动规律、半导体PN结、金属/半导体接触与异质结、半导体的光学性质及霍尔效应等。通过本课程的学习，使学生学习和掌握固体的基本结构和固体宏观性质的微观本质，掌握半导体材料及PN结的导电特性，掌握光伏效应的基本原理，为将来从事光伏材料与器件开发工作奠定基础。

教育部拓展实施“卓越工程师教育培养计划”（2.0版），旨在积极探索传统工科专业的改造升级和符合新经济要求的新兴工科专业，贯穿卓越拔尖人才培养理念，加强产学研、校政企联合育人，培养和造就创新思想活跃、动手实践能力强的高级工程技术人才。

根据我校一流学科建设推进实验方案的文件精神，加快学校“双一流”建设，建成一流本科人才培养体系，立足于加快我校工程教育教学改革，于2018年启动了卓越工程师教育培养计划2.0建设项目。结合我校的专业优势特点及与国内光伏龙头企业通威太阳能的校企合作，对课程内容作必要的精简和调整，强化了半导体器件物理基础的讲授，并增加了半导体工艺基础的部分内容，构建了理论知识讲授-工艺技术探究-科研实践训练-企业顶岗实习四位一体的固体与半导体物理课程教学模式，突出对学生工程实践能力的培养[1]。

二、固体与半导体物理教学现状

1.课程难度较大。固体物理与半导体物理一直属于“教师难教、学生难学”的课程，新能源科学与工程专业将两门课程合并为一门课程，更进一步增加了课程的难度。课程对基础知识的要求高，课程包含很多理论阐述和推导，本课程的构架详见图1所示，需要学生具有良好的数学、物理和量子力学的基础知识。在实际的行课过程中也发现，学生的基础薄弱，对于一些简单的数学知识如欧拉公式尚不能完全掌握，无形中加大了教师授课的难度，容易造成部分学习能力较弱的同学后期跟不上授课节奏的现象。

2.教学模式单一。固体物理和半导体物理的授课仍以传统的注重知识传授为主[2]，且课程阐述的大部分涉及到微观物理結构与现象，知识点较为枯燥抽象，学生学习的兴趣和主观能动性容易被忽视，不利于学生创新能力的培养，无形中也增加了学生的学习的难度。因此，在实际的教学工程中，结合作者丰富的微电子产业化经验，采取多媒体、视频、教学实践等手段丰富课堂教学，设置课题进行分组讨论、专题讲座，针对具体研究问题进行探索性研究，引导学生主动学习。

3.学生学习的投入性不强。由于课程难度较大的原因，参与度普遍不高。本课程的学习，教师与学生、课内与课外、预习和复习都是非常重要的，要求学生在上课前对该堂课的内容有一个大概的了解，结合知识点和课后习题巩固，提高课程的参与度。在实际授课过程中，采用随堂测试的方法，实时掌握学生对重要知识点的掌握情况，做到有的放矢。

三、固体与半导体物理的教学改革措施

1.丰富课程教学，拓宽学生的国际化视野。新能源科学与工程作为一个新设立的专业，本专业的学生在学习固体与半导体物理时，普遍对专业及所学课程的认知不强，不清楚课程的重要性及对未来发展方向的迷茫。

针对这个问题，结合作者在光伏器件与微电子领域近十年的产业工作经验，在每堂课增设了“国际热点地图”环节，即在每堂课利用5分钟的时间，向学生介绍国际顶尖的研究机构、行业研究热点、行业top公司等内容，先后介绍了德国于利息研究中心（JUELICH）、沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、上海交通大学、中国科学院大学、铜铟镓硒太阳能电池龙头First Solar、晶硅太阳能电池龙头通威股份等全球最新的研究进展和资讯，让立志出国深造、考研或就业的同学都有所倚重，加深了学生对课程的认知及对行业的了解。该措施显著提高了学生对课程的学习兴趣，丰富了课程教学，获得了良好的反馈。

2.优化和整合课程教学内容。固体与半导体物理课程没有统一的授课教材，使用《固体物理学》和《半导体物理学》两本教材，且课堂教学只安排64学时。除了在讲课的方式方法上进行一些改进外，对内容也做了必要的精简和调整，确定了固体物理-半导体物理重点基础知识、半导体器件物理基础、半导体工艺基础为组成的三大核心授课内容。

首先，固体物理基础知识着重于晶体结构、一维单/双原子链、近自由电子近似、紧束缚近似、电子的准经典运动等与半导体物理联系较为紧密的内容，自然衔接到半导体物理部分。半导体物理部分讲授半导体的类型、半导体的基本能带结构、半导体的导电性，非平衡载流子的产生、复合、扩散和漂移运动。

其次，介绍半导体器件的基本结构与特性介绍半导体表面、界面的物理性质;重点讲授PN结的结构与能带、电流-电压特性;帮助学生理解金属半导体接触的情形，使其掌握欧姆接触;增加了光伏产业领域热点的异质结结构太阳电池的制备及器件应用。最后，结合实践需求和学生工程能力的培养，设置了半导体工艺基础的讲授，介绍半导体晶圆及芯片制造工艺步骤，讨论直拉单晶、扩散制备发射极、表面蚀刻、光刻技术、掺杂技术等半导体行业基础的工艺，帮助学生在进入企业顶岗实习前有一定的基础知识储备。

通过教学内容的优化，合理安排课程设置;同时强化了以太阳能电池核心—PN结、金属与半导体接触的知识讲授，并增加了半导体工艺基础的相关内容，在教学内容上做到了半导体经典理论与工业发展相结合、课堂教学与工艺实践相结合、基础知识学习与工程实践能力培养相结合，构建了理论知识讲授—工艺技术探究—科研实践训练—企业顶岗实习四位一体的固体与半导体物理课程教学模式，突出对学生工程实践能力的培养。

3.教学方法与手段的改进。在基础知识讲授的基础上，依托我校光伏系统实训平台的条件，引导学生进行启发式学习，将理论知识与实际应用结合起来。以学习小组为单位，设置探索性研究课题，培养学生的创新意识和解决实际工程问题的能力。通过与国内光伏龙头企业通威太阳能的校企合作，让学生在课程理论学习结束后深入企业一线顶岗实习2周，实习内容包括：晶硅太阳能电池的设计、制造、测试、封装，半导体材料性能测试，如少数载流子寿命、霍尔迁移率、发射极方块电阻、表面反射率等，全面培养学生将理论知识应用到工程实践能力。

四、结束语

固体与半导体物理是新能源科学与工程专业的核心基础课程，为学生后续学习和深造打下了理论基础。在固体与半导体物理的教学过程中，应积极探索多样的教学手段，调动学生学习的积极性与热情，与时俱进地引入当前研究热点和国际知名研究机构的研究动向，结合卓越工程师教育培养计划2.0建设项目与工程实践，加深学生对基础知识的掌握和理解，培养具备较强创新意识的高级工程技术人才。

参考文献

[1]张俊举，张益军，高建坡，等.“半导体物理”课程教学改革[J].电气电子教学学报，2018（3）.

[2]胡云峰.半导体物理启发式教学改革探讨[J].科教导刊，2013（3）：122-124.