“半导体物理”课程改革与人才培养

万逸 胡婷 崔冬

[摘 要] 在当前国际环境和全球新冠肺炎疫情的形势下，积极推动我国科技前沿和关键技术领域的高层次人才培养已迫在眉睫。作为高校教师，如何依照指导思想，为国家培养并输送优秀人才，是值得关注的问题。针对“半导体物理”系列课程的课程设计及教学实践中存在的主要问题，可以通过优化教学内容、丰富教学手段、关联科技前沿、推动校企合作等途径，激发学生的学习兴趣，提高课堂的教学效果，以期为“半导体物理”系列课程思想政治建设、教学改革，以及国内半导体产业人才培养提供新的思路。

[关键词] 半导体物理;课程建设;人才培养;产教融合

[基金项目] 2020年度国家自然科学基金“金属相过渡金属硫族化合物的磁电耦合效应研究”（12004182）;2020年度江苏省自然科学基金“二维铁电范德华异质界面的能带调控与器件集成”（BK20200481）

[作者简介] 万 逸（1991—），女，江苏扬州人，博士，南京理工大学理学院讲师，主要从事二维功能半导体材料与器件研究;

胡 婷（1989—），女，江苏南京人，博士，南京理工大学理学院副教授，主要从事低维凝聚态物理和材料设计研究;

崔 冬（1988—），男，安徽安庆人，博士，南京理工大学理学院讲师，主要从事多孔材料微结构表征研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）39-0079-05    [收稿日期] 2021-05-19

一、引言

2021年是我国国民经济和社会发展“十四五”规划纲要实施的开局之年，集成电路行业作为规划纲要的重点发展方向之一，必将成为各地争相发展的新标地。作为全球集成电路产业增速最快、市场需求最大、国际贸易最活跃的地区之一，中国在全球供应链安全及集成电路产业发展方面，发挥着日渐显著的积极作用。随着新冠肺炎疫情在全球的蔓延，国际环境剧变，全球产业链环节重塑，虽然形势严峻，但也为中国企业融入全球半导体产业链提供了新契机。

受国外技术性贸易壁垒的影响，中国的先进科技企业与高精尖科技领域正面临着“卡脖子”的难题。国内半导体行业面临诸多挑战，产业链各个环节强弱分明，其中人才短缺是最大短板。根据中国《集成电路产业人才白皮书》显示，到2022年，国内的集成电路专业人才缺口将达到25万，并且存在结构性失衡的问题[1]。怎样培养半导体产业的专业人才，如何留住优秀人才呢？针对此类亟须解决的问题，教育部于2020年始推行“强基计划”，于部分高校开展招生改革试点，发挥数学、物理、化学、生物等基础学科的支撑引领作用，聚焦高端芯片与软件、智能科技、先进制造和国家安全等关键领域的人才培养，遴选有意愿服务于国家重大战略需求的优秀学生。2020年7月，国务院学位委员会会议通过提案：集成电路将作为一级学科，从电子科学与技术中独立出来。

为了响应国家号召，国内高校纷纷行动起来。2019年8月，中国科学院大学启动“一生一芯”计划，尝试缩短从理论学习到正式投入科研与产业一线的人才培养周期，并于2020年7月公布了首期“一生一芯”计划成果：5位本科生主导完成了一款64位RISC-V处理器片上系统的设计及制造。中国首个专门为培养芯片人才而设立的“南京集成电路大学”于2020年10月正式成立，紧密围绕芯片产业的发展方向培养人才，进一步扩大我国芯片产业人才培养规模。2021年4月，清华大学官宣成立集成电路学院，瞄准国内芯片产业面临的“卡脖子”难题，采用交叉培养方式，深化校企合作，着力培养半导体产业链各个环节所需的人才。半导体芯片产业是典型的人才、技术和资本密集型行业，其发展离不开政府、企业、研究所和高校的通力合作。为从根本上解决国内半导体领域人才稀缺的困境，对于高校而言，更应尽早将半导体产业的人才培养提上日程。

二、“半导体物理”系列课程的教学现状及主要不足

南京理工大学应用物理专业是以物理学科为基础，与光学工程、电子信息和材料、材料科学与工程等学科有机融合而形成的交叉型专业;服务于国家重大战略发展需求，以半导体物理与器件为本科培养方向;致力于培养具有扎实的半导体理论基础和突出创新能力，能运用所学知识解决实际工程问题的应用型半导体产业人才。

该专业设立的“半导体物理”系列课程，涵盖了半导体物理基础、半导体理论研究工具基础、半导体纳米技术基础、半导体实验基础、半导体器件原理、半导体能源材料、半导体制造及工艺等。结合教材特质与实践反馈，对“半导体物理”系列课程教学实践过程中存在的主要不足与改进方向归纳如下。

（一）知识点繁杂，公式推导多，学习兴趣不高

半导体物理主要研究半导体材料中的载流子状态，以及各类型半导体器件结构中的载流子运动行为[2]。课程内容冗杂，易混淆知识点繁多，要求学生具备量子力学、固体物理学，以及热力学与统计物理等多门先导课程的理论基础。与中小学教育不同，高校课程设置的连贯性与衔接性相对较弱，学生对于先修知识的掌握欠佳且深度不足，特别是对关键知识点的遗忘会极大降低学习效能，削减学习热情。此外，由于半导体物理的结构分析难以精准量化，通常需要运用理论建模的方法进行阐释，这就涉及大量的简化近似和繁杂的公式推导，学生在听课时常常觉得枯燥，学习兴趣不高，学习效果不佳。因此，如何在课程安排上预先进行相关基础知识的铺垫，正确权重物理模型建立与数学公式推导之间的关系，使学生能够充分理解课程内容，把握课程重点和难点，避免学生因课程深奥晦涩而产生对于新知识吸纳的抵触心理，这是当前“半导体物理”教学改革的一大难点。

（二）教学模式固化，实验环节缺失，应用效果欠佳

加强“半导体物理”系列课程中实验环节的教学内容，有助于学生对理论知识的充分理解与牢固掌握，有益于学生操作能力的提升[3]，对于个人实践能力的提高也具有积极作用。纵观国内“半导体物理”的教学现状，课程的讲授方式比较单一，主要是采用以教师讲授为主的方式，往往忽视了对学生运用所学知识解决实际问题能力的培养。而半导体实验教学环节多为基础内容，实验仪器简易甚至陈旧，无法满足当代科学研究的需求。因此，如何通过实验教学辅助理论学习，使得学生能够理论联系实际，不再局限于理论知识的获取，而是灵活运用所见所学，这是当前“半导体物理”教学的又一難点。