地方院校“半导体物理实验”教学的改革实践

张 超， 封先锋， 李世光， 臧 源， 马 丽

(1. 西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048 2. 西安理工大学 理学院，陕西 西安 710054)

0 引言

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑社会经济发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。集成电路的基石即半导体相关技术已经成为制约我国进一步发展的“卡脖子问题”。对集成电路相关半导体技术人才的教育和培养，是保证集成电路产业可持续发展的关键。

“半导体物理”是电子科学与技术、微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统等电子信息类专业的核心课程，内容涵盖半导体物质结构和能带结构、半导体载流子及其输运性质、非热平衡状态下的半导体，pn结，金属和半导体接触，半导体表面与MIS结构,异质结与纳米结构。该课程涉及理论知识面广，基本概念繁多，公式推导复杂，学生在学习过程中往往只能机械记忆而难以理解各项参数的物理含义，难以将理论知识应用到具体的半导体专业实践中去。因此，各高校都开设了不同层次不同形式的半导体物理实验，通过实验使学生深入理解理论知识，培养学生解决本领域复杂工程问题的能力。目前，各高校开设半导体物理实验的形式内容都有所差异，特别是地方院校，限于教学经费与师资，存在一些不同程度的问题。因此，为了提高实验教学效果，加强人才培养质量，本文针对目前半导体物理实验的现状进行了总结，从实验教师队伍、实验设备、实验教学内容、实验教学方法、实验考核方式、实验安全等多个方面进行了改革实践。

1 地方院校开设“半导体物理实验”存在的困难

“半导体物理实验”是面向电子信息类专业针对半导体物理的专业实验课程，其内容涵盖了半导体材料及器件相关特性参数的测量与表征。目前大部分院校的半导体物理实验为独立设课实验，少部分院校将其设置为课内实验。

近年来，多所高校针对“半导体物理实验”教学进行了探索与改革。陈平等人将半导体物理实验与工艺实习相结合，旨在培养学生的动手能力，但其课程衔接不适用于其他高校[1]。盛威等人提出了用半导体材料和器件模拟平台搭建虚拟半导体实验室，弥补部分实践不足，但对学生实际工程能力的培养还有所欠缺[2]。盛英卓等人从教学内容和教学方式上对半导体物理实验进行改革，取得了良好的教学效果[3]。连晓娟将材料计算软件MS引入到教学当中，为半导体物理实验教学提供了一个新的思路[4]。段晓玲等人从多角度探讨了半导体工艺检测课程实验存在的问题，并给出了一定的应对措施[5]。通过以上的各种教学改革研究，半导体实验教学在近年来取得了长足的进步。但值得注意的是，以上相当一部分半导体物理实验教学改革是在双一流高校中开展的，对于地方本科院校，还有许多问题亟待解决。

目前，地方院校“半导体物理实验”课程教学普遍存在教师队伍建设不足，实验设备落后，教学内容陈旧，教学方法老套，考核方式单一，以及实验安全弱化等多方面问题。具体分析如下。

1.1 教师队伍建设不足

实验教学队伍在高校中往往不被重视，特别在地方院校更为突出。不同于博士师资的理论课教师，大部分地方高校实验教师依然是硕士、本科学历，缺乏相应的培训再教育体系。有的高校将实验教师归在教学辅助人员，在管理上与专任师资差别对待，打击了实验教师队伍的积极性。部分地方高校甚至没有专职实验教师而采取理论课教师兼职带实验的方式。由于实验师资配备不足，导致实验教师无暇进行教学研究和改革，间接造成了实验教学内容陈旧、实验教学方法老套的问题。实验教学队伍平均年龄偏大，青年教师不愿意进入实验教学岗位。对于实验教师队伍的建设是保证实验教学的首要条件，提高实验教学队伍综合水平是目前急需解决的问题。

1.2 实验设备落后

半导体物理实验涉及面广，需要多套精密昂贵的专业设备，如C-V测试仪，分光光度计，霍尔效应实验仪等。地方高校由于教学经费所限，往往难以大量购买多套半导体实验设备。目前多数地方院校中产于上世纪七八十年代的仪器仍然还在工作，其实验方法早已落后先进的半导体技术，精度远不能满足实验要求，教学效果大打折扣。

1.3 教学内容陈旧、教学方法老套、考核方式单一

近年来半导体行业飞速发展，半导体技术不断更新，涌现了许多与半导体实验相关的新内容。而目前的半导体物理实验内容因循守旧，与先进技术差距较大，与行业实际应用脱节。对于半导体实验内容的更新势在必行。实验教学方法方面，传统的实验教学大多为教师现场演示，由于设备场地限制，实验分组人数较多，导致学生参与度不高，无法有效掌握实验操作技能及实验原理。实验考核方式上，部分高校采取实验报告平均成绩加权得到最终实验成绩的方式，忽略了学生的操作技能及对实验原理的理解与掌握，存在部分学生实验报告互相抄袭的情况。因此，为保障良好的教学效果，培养高素质复合型人才，对于半导体物理实验教学内容、实验教学方法以及实验考核方式都应该进行深入的改革。

1.4 实验安全弱化

目前，多数高校在半导体物理实验教学中，基本没有涉及到对学生实验安全的培训。而半导体物理实验涉及到多个危险源，如对硅单晶样品进行缺陷观察时，需要用到酸碱等危险化学品；在进行激光反射法及X射线衍射法测量单晶硅晶向使会有强激光及X射线产生；在汞探针法测量时，会用到有毒金属汞。因此，对于学生实验安全的教育是进行实验教学的前提。

2 我校在“半导体物理实验”中所采取的举措

“半导体物理实验”旨在培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，使学生在知识应用和基本实验技能方面得到系统地训练。我校结合自身地方高校特点，通过调研大量高校半导体物理实验开设情况，采取多方面举措，进行“半导体物理实验”教学改革，以期提高实验教学水平，培养具有解决复杂工程问题能力、符合现代社会及行业需求的复合型人才。

2.1 成立课程教学小组

实验教师队伍建设是实验教学的基础，针对实验教学队伍弱化，综合实力不足等问题，我们成立了半导体物理实验课程小组，定期进行课程小组教学研讨会，对半导体实验相关的新理论、新技术、新方法进行学习。加强同其他高校半导体实验相关专家之间的交流学习。重视实验教师队伍的进修，选派实验教师攻读博士学位。通过以上举措，可以较好的提升实验教师队伍综合水平，为实验教学提供有力保障。

2.2 更新实验设备

实验设备是实验教学的平台，良好的实验设备是保证实验教学效果的必要条件。由于地方高校教学经费所限，无法进行大批量先进设备的购置。因此，我们首先通过改变实验授课方式，在半导体物体实验室中同时开设不同实验，每个实验只需保证至少两台套的实验设备即可正常运转。在这种授课方式下，我们对实验设备进行了分批次更新，购置了新型C-V测试仪、霍尔效应实验仪、汞探针台等设备。由于每种设备只购置两套，且分批次进行，有效的解决了教学经费紧张的问题。这种模式下的实验设备利用率得到了极大的提高。

2.3 优化实验教学内容

实验教学内容是实验教学的核心，是培养人才的核心关键点。对于半导体物理实验教学内容的设置，各个学校各有侧重。课程小组认为，半导体物理实验上承“固体物理”、“半导体物理”等专业基础课程，下启“半导体器件”、“半导体工艺”、“半导体材料”等专业核心课程，同时还要为后续的专业生产实习打好基础。半导体物理实验内容应涵盖半导体材料微观结构、物理性质、基本参数以及半导体器件工艺参数的测试。而对于半导体材料的制备、激光器的应用等实验应该在其他相关专业课程中开设，不应占据半导体物理实验的主要内容。课程小组基于“半导体物理”课程教学内容及其与其他课程的连贯性，设置了多层次的实验教学内容。具体实验项目设置如表1所示。

表1 半导体物理实验项目设置

半导体物理实验分为三个层次，分别包括基础型实验五个，提高型实验三个，综合设计型实验六个。基础型和提高型实验全部为必修，使得学生掌握基本的测量手段，理解相应半导体物理基本概念的物理含义，学会相对大型复杂仪器的使用，并应用于半导体物理相关参数测量中。综合设计型实验中半导体材料的光致发光测量实验为必修，其余五个实验为选修，但要求学生至少选做两个。通过综合设计型实验，使得学生能够针对相应测试目标，自主设计实验方案，分析实验结果，完成对学生能力的培养。

2.4 改进实验教学方法，优化实验考核方式

课程小组利用云课堂，引入线上线下教学相结合的模式。通过提前发布实验视频，学生自主线下进行学习，课上教师随机提问，有效解决学生实验参与度不高，无法有效掌握实验操作技能的问题。

由于原有实验考核方式太过单一，无法真实有效的评测学生的学习成果。课程组设置了四模块的考核方式，包括预习成绩、实验操作成绩、实验报告成绩、实验考试成绩。通过多样的考核手段，对学生进行多个维度的考察，取得了良好的效果。

2.5 开展实验安全教育

实验安全是一切工作的前提。课程组建立了实验室安全考试系统，通过学生自主网上学习并进行答题，获得实验室准入许可证后方可开展实验，有效的保障了实验的安全开展。在实验室安全考试的过程中，加入了半导体行业工程实践对环境所产生的影响，培养了学生的工程职业道德，为后续生产实习等工程实践活动打下良好的基础。

3 实践成效

我校“半导体物理实验”教学多方面的改革均取得了显著的效果。实验课程小组的建立提高了实验人才队伍的综合实力。实验内容以及实验设备的优化更新为学生接触专业前沿、贴近工程实际提供了机会，激发了学生的学习兴趣。实验教学方法的改革使得学生打破了时空的限制，通过线上预习、线下试验、线上复习使得学生实验参与度极大提高，促进了学生对于学习成果的巩固。实验考核方式的优化改变了以往学生只重实验结果，轻视实验原理和实验内容的现象，让学生在能力、知识、素养多方面得到锻炼。实验安全考试系统的建立保障了学生实验安全开展，并使得学生在安全、环境、工程职业道德等方面得到了培养。

4 结语

“半导体物理实验”对于学生理论知识的深入理解以及工程实践能力的培养十分重要。通过从实验师资队伍、实验设备、实验教学内容、实验教学方法、实验考核方式、实验安全等多个方面对半导体物理实验进行了一系列改革，有效的促进了半导体物理实验的教学效果，为培养新时代半导体相关技术人才提供了有力保障。