面向新工科人才培养的半导体物理课程改革探讨

曾凡焱，俞 挺，谢美兰，屈耀辉

（1.南昌航空大学材料科学与工程学院 江西 南昌 330063；2．江西师范大学物理与通信电子学院 江西 南昌 330022）

目前，互联网、大数据、新材料、新能源等新科技正快速改变着全球经济格局和工业发展模式，这些变化对现代工程技术人才的知识、能力、职业素质和视野都提出了新要求。为培养新型工程创新人才，支撑和引领新经济，2017年，教育部正式推出“新工科”计划，并先后形成“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性内容，推动工程教育界开展新一轮的教育教学改革，转变工科教育范式。新工科教育范式提出，在专业课程教学中，要根据工程教育新模式的需要，积极创新教学方法和手段；要根据当前科技发展，及时更新课程教学内容[1]。

半导体物理是一门研究半导体的原子状态、电子状态以及各种半导体器件内部电子结构的课程，众多高校工科专业，包括电子科学与技术、微电子等传统专业以及新能源、新材料等战略新兴专业，均将其作为核心专业基础课。中国是全球第一大半导体市场，半导体产业是支撑当前经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，也是我国新一代信息技术产业的重点发展方向，又与绿色低碳领域和生物领域的发展有着千丝万缕的联系。因此，半导体物理课程是工程教育课程体系中对接产业需求的重要突破口之一。

2018年10月，《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》明确指出：“通过教学改革促进学习革命，积极推广小班化教学、混合式教学、翻转课堂，大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式”[2]。随着教育信息化的持续深入，各高等院校相继探索混合式教学模式，众多基于网络环境的数字化教学平台应运而生，为高校混合式教学提供了良好的技术支持，极大地丰富了慕课、微课等在线学习资源。因此，为加快建设高水平工科教育，有必要借助混合式教学模式，积极推进信息技术与工科专业课程深度融合的课程教学改革。

1 半导体物理课程教学现状

半导体物理是固体物理的一门分支学科，其教学内容主要分为半导体材料属性和半导体器件基础两大部分。半导体材料基础包括半导体材料的基础知识、载流子模型、载流子输运等；半导体器件基础部分包括PN结机理与特性、PN结二极管、双极型晶体管、MOS场效应晶体管等。由于课程内容侧重于抽象的微观物理结构和现象，其中涉及大量繁杂的知识点与复杂的公式推导，容易导致学生感到枯燥无味，难以理解，进而产生消极的心态，学习兴趣和积极性不高[3]。

近年来，随着电子信息、新材料等相关产业的发展，半导体技术更新迭代迅速，新的科研成果不断产生，而现有教材对学科研究前沿进展涉及不多，与新科技新产业脱节严重。部分教师局限于课本内容和有限的课时，仅关注理论知识的传授而不重视课外的拓展，未能将课程教学与实际应用相结合，使得学生过于依赖死记硬背的学习方式，不能深刻理解教学内容并灵活运用[4]。

对于这种理论性强的课程，如果使用单一的教师讲、学生听的教学模式，缺乏必要的师生互动，不利于学生参与到课堂中来，也难以培养学生的创新思维和自主学习能力。新的工程教育认证标准明确提出“解决复杂工程问题的能力”，注重理论联系实践、解决实际问题已成为工科专业课程目标定位的指导性要求[5]。半导体物理虽然是一门不包含实践环节的理论课程，但如果能让学生在课余时间有机会接触相关领域知识，甚至利用所学知识主动参与到课外科技活动中来，对新工科人才的培养也十分重要。传统教学模式已不能适应新工科人才培养及半导体产业发展的需要，半导体物理任课教师应充分利用互联网优势，将信息技术融入课堂教学中，丰富教学资源，更新教学内容，改革教学模式和方法，优化评价方式，培养学生的创新意识和探究精神，促进高阶思维能力和工程应用能力的提升，从而适应国家和地区产业发展对工程科技人才的要求。

2 面向新工科人才培养的半导体物理课程改革策略

2.1 融入前沿进展，更新课程知识体系

由于半导体物理涉及的知识点多、内容广，学生难以抓住重点，容易导致较低的学习效能感，而教师也无法在有限的课时内对所有知识进行面面俱到的讲解。因此，教师应结合本专业培养方案，把握本课程与先修和后续课程之间的联系，对先修课程中已经涉及的内容进行简化，一般只讲其整体框架及其和后期所学内容的关联或运用；对与实际应用关系密切的知识，比如PN结、双极型晶体管，则设为重点讲解内容，并尽量引入工程应用的实践案例以激发学生的学习兴趣。

另一方面，教师可将半导体行业的最新技术成果有效整合在课程内容中，突出前沿热点问题，还可结合国家、地区经济发展和学科优势有侧重地进行介绍。如在近两年的新冠疫情背景下，各国科学家开始使用半导体技术研制快速检测新冠病毒的传感器，这种生物传感器将半导体与核酸适配体相结合，使用诸如场效应晶体管之类的器件，将化学信号转变为电信号。又如我国油气资源较为匮乏，急需开发可再生能源代替传统的化石能源。以太阳能电池为代表的半导体光伏发电技术在绿色能源领域的应用，在我国能源发展规划中具有战略地位，有助于实现“碳达峰”“碳中和”远景目标，而这与本课程中半导体材料的光电效应密切相关。

此外，还有半导体芯片、半导体LED照明等应用案例，均对国家科技发展有着重大意义，这些学科前沿知识的结合在丰富补充教学内容、激发学习兴趣的同时，还能使学生认识到半导体物理对我国经济社会发展的重大意义。

2.2 指向创新思维，开展研究性教学实践

根据社会对新工科人才的需求，专业课程教学中需要激发学生的创新意识、提高创新思维能力，因此不应局限于课堂讲授的教学方法。在半导体物理的课程教学设计中，为落实培养创新精神和素质的培养，教师引入研究性教学策略，对整个教学过程进行重构，使学生在独立的探索、思考、实践的研究学习过程中，吸收内化知识、应用知识分析并解决问题，获得综合素质的全面提升。

①研究性课题的确定。研究性课题的确定可采用教师推荐和学生自选两种方式。在更新教学内容体系的基础上，教师分析半导体学科和产业的前沿热点问题，结合课程知识点，精心构思若干适合学生讨论学习、能够调动学生探究兴趣、培养创新思维能力的课题；同时，学生也可通过广泛查阅文献资料，结合课程内容中的兴趣点，自主提出待研究的选题与教师讨论，并在教师的指导下进行修正。

②研究性教学活动设计。研究性教学活动的一般程序为教师在创设问题情境，引出研究性课题，通过网络教学平台下发课题名称和相关学习资料；学生分为4-6人的小组，分工协作，搜集文献，通过调研、讨论、实验、总结等学习活动寻求解决问题的方法和途径；经过阶段性的自主研讨，组织各组学生在课堂上交流初步得到的成果或结论，对尚未解决的问题进行深入讨论，制订后续的修改或探究计划；最后，学生根据探究的问题和讨论结果，对合作学习过程中获得的成果加以归纳整理，完成最终的书面报告，使知识系统化、条理化。

③研究性教学的课外拓展。经过研究性教学活动的初步探索，部分学有余力的优秀学生可通过双向选择进入任课教师团队所在的科研实验室，参与大学生课外科技活动如创新创业训练计划项目、挑战杯等，并将研究结果撰写成研究论文进行发表。

2.3 整合信息技术，构建混合式教学模式

由于研究性教学程序有别于传统课堂，师生之间的互动和交流难以在有限的课堂时间内完成，因此多采用翻转或半翻转课堂模式，在具体实施上较为依赖信息化手段和平台。因此，半导体物理课程的研究性教学策略的实施宜采用线下课堂教学与线上数字化学习相结合的混合式教学模式，使用雨课堂、学习通等智慧教学工具为课程教学的开展提供强有力的支撑，主要体现在以下几个方面：

①前端支持。在进入新课之前教师可使用线上平台下发预习课件和自学资料，并通过调查问卷、课前测试等掌握学生的学习基础和预习情况。通过数据分析，可确定各个章节的教学起点，并将一部分学习内容转为线上自学，不再占用课堂时间。

②协作空间构建。虚拟空间将小组协作的空间从课内延伸到课外，不仅组员之能有便捷的线上交流方式，教师也可通过讨论区、班级群等途径，直接与学生对话，从资源、方法等方面进行在线指导。

③教学数据处理。网络教学平台自动收集学生分组、课堂活动、课前课后测验等学习数据，研究性学习报告的提交与批阅也可在线上完成，每堂课后都能统计生成详细的课堂小结，对教学数据的管理带来了极大便利。根据这些数据，教师能适时调整教学设计和教学活动的有关环节，并开展科学的教学评价。

2.4 强调过程考核，实施多元动态评价

以往半导体物理课程的评价主要采用终结性评价，导致部分学生平时学习的投入度不高，主要依靠突击复习应付期末考试。在新的教学模式和方法下，实行“师评、自评、互评”相结合、过程性评价和终结性评价相结合的评价方式，增加过程性评价的权重，着重考查学生在平时学习过程中的投入度，从动态发展的角度评估学生的发展潜力。过程考核主要包括研究性学习成绩、作业和随堂测验等，这些成绩均可借助网络教学平台采集。根据学习记录、作业、小组报告等材料，可为学生创建电子档案袋。研究性学习成绩由教师评价、学生自评、组内互评组成，体现评价主体的多元性。教师制定合理的研究性学习评价量表，在讨论课中，针对研究小组的成果和学生表现进行评价；学生填写自评表和组内互评表，对项目完成情况、合作学习效果和参与度进行评定。网络教学平台实时采集和记录的各种信息，有助于教师客观、准确地对学生的学习活动做出评估。此外，通过定期发放线上问卷，了解学生在学习态度、学习效果等方面的反馈，对学习中存在的困难和教学效果进行动态诊断，以便教师及时调整教学策略。

3 结语

在新工科建设和信息化教育全面推进的背景下，高校工科专业课教师需要围绕新工科核心能力培养，不断更新教学内容，摸索改进教学方法，建立科学合理的考核评价体系，以课程教学改革支撑工程类专业人才培养目标的达成。在半导体物理课程教学改革中，以技术发展为切入点更新教学内容，以研究性教学为突破点培养核心能力，以信息技术为手段优化教学模式。这样既激发了学习兴趣，培养了学生的创新意识和理论联系实际的关键能力，又解决了师生互动不顺畅、数据收集不完整的问题，落实了“以学生为中心”的培养理念，最终助力新工程技术人才培养质量的提升。