半导体材料课程的教学改革探索

冯秋菊 宋 哲 李梦轲 孙景昌

辽宁师范大学物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029

众所周知，材料、信息和能源是当代科技重点发展的三大支柱，而材料又是信息和能源发展的物质基础，是重中之重，可以说没有先进材料就没有现代科技。半导体材料因其种类繁多且具有光学、热学、电学和磁学等特性而成为研究的热点。一方面，半导体材料课程对于电子科学与技术专业的学生来说是一门非常重要的专业必修课程，可以为后续其他课程的学习奠定基础；另一方面，半导体材料课程在部分高校属于开放式课程，新知识会不断被研究出来，所以在教学内容上要不断更新和扩充，紧跟时代和科技的发展。此外，该课程的教学内容涉及较多的基本概念和理论知识，也比较抽象，若采用传统的课堂灌输式的教学方法，教学效果并不理想。基于以上问题，笔者结合自身多年的教学实践经验，在教学内容和教学方法上有针对性地提出了一些具有探索性的教学改革方法。

一、教学内容的改革

（一）教学内容与时俱进，不断更新与扩充

半导体材料课程以第一代半导体硅、锗和第二代半导体砷化镓等Ⅲ-V 族化合物半导体材料为研究对象，主要介绍了硅和锗的化学提纯、区熔提纯、晶体生长、晶体中的杂质与缺陷、硅的外延生长方法和Ⅲ-V 族化合物半导体的特性、砷化镓单晶的生长与外延生长的方法等知识。在21 世纪的今天，半导体科技发展迅速，新材料、新技术和材料的新特性不断涌现，这就要求教师要紧跟时代发展，及时将半导体相关的国际前沿和热点知识带入课堂并讲授给学生，这样不仅可以更新学生的知识结构，开阔学生的视野，还可以引起学生的学习兴趣，激发学生的创新精神和对科学研究的兴趣及热情。例如，在讲授硅、锗单晶的生长时，教材中指出，采用直拉法已经能生产直径在200 mm 以下的单晶，区熔法已经能生产直径在150 mm 以下的单晶。但随着科技的不断发展，在2002年北京有色金属研究总院的科研人员就研制出我国第一根直径为18 英寸（457 mm）直拉硅单晶，标志着我国在该领域进入世界领先行列；而2011 年天津中环半导体股份有限公司成功研发了国内首颗8英寸（203 mm）的区熔单晶硅。再比如，在讲到第三章晶体生长体系的非均匀成核内容时，要指出非均匀成核是指在体系中外来质点（尘埃、固体颗粒、籽晶等）上的成核。我们知道纳米材料具有许多体材料和薄膜材料所不具备的特性，受到国内外研究者的广泛关注，而大多数纳米材料的生长就属于非均匀成核生长。这是因为在纳米材料生长的过程中，通常需要引入金属催化剂，金属催化剂在高温条件下会在衬底上熔化成小液滴，在生长的过程中反应源会不断进入金属液滴，当达到过饱和的状态时就会析出晶体，随着晶体的不断析出纳米材料不断长大、变长，在这一过程中金属催化剂就起到了外来质点的作用。教师在教学内容上要与时俱进，不断更新和扩展知识，将国内外该领域的最新前沿知识介绍给学生，使学生不仅能获得知识，而且能极大地提高学习兴趣。

（二）理论知识章节引入实验教学

半导体材料课程的基本概念、定义和理论知识较多，且抽象难懂。针对这些问题，笔者在完成相关章节的讲授后安排了1 次实验课。学生通过亲自动手做实验，不仅能加深对所学理论知识的理解，还能培养其学习兴趣和动手能力。例如，第七章关于半导体材料外延生长方法的介绍，在采用传统的教学方法对这部分内容进行讲解后，学生对生长设备的构成、生长步骤和生长原理等知识只是简单、机械地死记硬背，教学效果并不理想。因此，笔者在完成第七章的讲授后加入了1 次实验课，将学生分成几个小组，让他们到实验室用相关的实验设备亲自动手做实验。从衬底的清洗、装样、生长到结束，学生通过动手操作加深了对实验设备的组成及工作原理的理解和掌握，其动手能力和创新能力得到了很大的提高。另外，每个小组由3～5 名学生组成，在实验的过程中大家各尽所长、互相帮助，能力强的学生带动能力一般的，所有学生都积极参与到实验中，很好地培养了学生的团队合作精神。以此种方式引入实验教学后，学生对知识的掌握更扎实，教学效果良好。因此，教学形式不宜过于死板，可以通过理论和实验相穿插的形式开展教学，这样对于学生理解和掌握知识，以及培养动手能力都有很大的益处。

（三）注重知识脉络的清晰性和连贯性

学生要靠重复学习和记忆来掌握知识，所以教师要根据学生的实际情况，在讲授的过程中对学生学过的知识进行提醒和重复讲解。半导体材料课程需要用到半导体物理、材料科学基础、热力学与动力学等一些先导课程的相关知识来解释半导体的晶体结构、物理性质及晶体生长原理等知识。虽然这些先导课程学生大部分已经学过，但并不一定能完全掌握，有的学生可能还有印象，有的学生可能连印象都没有。所以，在讲解半导体材料的相关内容时，如果是学生以前学过的知识点，教师不能略过不讲而是要先提醒，如果学生不会，需要有针对性地进行讲解；而对于学生没有学过的先导课程内容，更要详细讲解，以保证学生对知识脉络掌握的清晰性和连贯性。例如，在讲到第四章位错对器件性能的影响时，其中一个影响就是“金属杂质极容易在位错上沉淀，破坏PN 结的反向特性和晶体管发射极-集电极间的管道漏电或穿通”，因为学生之前没有学过PN 结和三极管的相关知识，所以在讲解这部分内容之前，需要先把PN 结和三极管的结构和工作原理给学生讲一遍，让学生在了解这些器件后，再自然地过渡到位错对器件性能的影响等知识。如果没有介绍先导内容，而是直接按照教材进行讲授，会极大地降低学生对知识的理解和掌握程度，甚至会使学生产生厌学情绪。

二、教学方法的探索式改革

半导体材料课程传统的教学方法通常是教师讲授、学生被动学习，这种单一的、填鸭式的教学方法并不能激发学生的学习兴趣和主动性，且知识难以入脑入心，从而影响学生的学习效果。可见，教学方法的改革非常重要。

（一）传统教学与多媒体教学相结合

半导体材料这门课程基本概念多、原理和定义多，物理知识抽象不易理解，如采用传统的灌输式教学方法，学生只能机械、被动地接受知识，教学效果并不理想。而将现代多媒体教学（PPT、Flash、录像等）引入课堂，可将教学内容变抽象为具体，化枯燥为生动，将学生的抽象思维建立在具体形象之上，帮助学生更好地理解和掌握抽象的物理概念和原理，大大提高学生的学习兴趣和掌握知识的能力。比如，在讲解第一章硅和锗的化学制备部分1.2.2节硅烷的提纯时，硅烷提纯主要采用的是吸附法，吸附是通过分子筛来实现的，学生对分子筛不了解更没见过实物，教师可从网上下载不同类型的分子筛的实物照片和分子筛的结构图，以PPT 的形式展示给学生，学生通过观看实物照片能更直观、深刻地了解分子筛吸附的原理。再比如，讲区熔原理时采用形象生动的Flash 动画，能更直观地演示整个区熔的过程，以及在区熔过程中的注意事项；在讲第三章晶体生长当中关于螺旋位错的生长理论时，笔者就在PPT 上添加了一些在已经制备出来的材料中被证实存在的螺旋位错生长机制的显微镜照片，像碳化硅材料和绿柱石等的表面形貌照片，还有第三章锗和硅体单晶棒的实物照片等。这些实物照片展示和动画演示，使知识由抽象变得具体，学生也能更好地理解和掌握。

（二）专题讨论式教学

专业知识的获取不仅要通过教师的讲解，还要通过学生的主动参与。教师可以让学生自己查阅文献并撰写专题报告，把自己搜集整理的专题知识在课堂上与大家进行交流、讨论及辩论。这种以学生为主体的教学模式，可以在很大程度上提高学生的学习主动性、积极性和创新性，培养学生独立进行研究、查阅文献的能力，同时能极大地拓展学生的知识面，为后续研究型课程和毕业设计奠定良好的基础。此外，学生之间通过交流和讨论可以加深对教材知识的理解。在学生讨论的过程中，教师应该鼓励学生发表不同的观点，允许错误和失败，要正面鼓励学生，维持学生对该课程的学习热情和信心。教师还应注意调节课堂气氛和节奏，对学生讨论后产生争论的问题进行重点分析和总结。

（三）启发、互动式教学

在课堂教学过程中，通过采用启发、互动式教学，注重师生之间的互动，改变传统的灌输式教学，可以让学生真正参与到课堂中，增强学生的学习积极性和主动性，从而提高学生学习的效果。在半导体材料课程教学过程中,教师可以根据学生对知识的掌握和理解程度,从教材中选取一些相对简单的教学内容，让学生提前预习，上课时选择一位或几位学生充当教师给大家进行讲解。对于学生讲解得不够深入或其他学生没听明白的地方，教师要着重讲解。这样既能给学生提供展示自我、锻炼自我的机会,培养学生自主学习的能力，又能给学生提供自由探索的空间。学生也可以通过提前预习，找出教材中自己不懂的知识点，在课堂上向老师请教，这样教师就可以了解学生的学习情况，从而因材施教。

三、考核方式的改革

为了巩固和检验学生的学习效果，笔者采用多种考核方式对学生的学习效果进行评定。传统的考试评价制度只重视学生的期末考试成绩，忽视学生平时的学习过程，导致很多学生养成平时不好好学习、考试前临时突击的坏习惯，所以应对传统的考核制度进行改革。笔者对本门课程的考核方式进行了改革，不是简单地只用一次考试来评价学生的最终学习效果，而是更侧重考查学生掌握基础知识的能力、分析问题与解决问题的能力、实践及创新能力等，力求真实全面地反映学生的学习水平，培养学生良好的学习习惯。学生的成绩主要包括三个部分：第一部分为平时成绩，占比约20%，包括课前对上节课重要知识点的提问、出勤情况、课堂表现和课后作业等。经过多年教学笔者发现，采用课前提问的考核方式，可以取得良好的教学效果。课前提问不仅可以督促学生养成课后复习的好习惯，而且通过点名提问的方式复习上节课的内容，有助于加深学生对知识的印象，促进其对新知识的理解和接收；第二部分为期中成绩，占比约20%，教师根据上半学期已教授的知识内容，设定几个不同的研究题目供学生选择，把学生分成3～5人一组，学生选定选题后通过查阅相关图书及文献资料，共同完成一篇较详细的综述。每个小组对本组的综述内容都要集中进行答辩，教师根据学生的分工、综述内容、答辩情况、综述的创新性等方面进行评价和打分。这种写文献综述的考核方式，不仅可以加深学生对教材重点知识内容的了解，而且可以扩充、拓展相关知识领域的研究内容，培养学生的自主学习能力和创新能力。第三部分为期末考试成绩，占比约60%，期末考试采取的是闭卷考试的形式，主要对半导体材料课程考试大纲中要求学生必须掌握和理解的知识点进行考核。试题题型多样，主要包括名词解释、填空题、选择题、计算题和简答题，尽量兼顾考试大纲中的每个重要知识点。通过上述三个部分的考核，不仅能够真实、全面地反映学生的学习水平，而且能培养学生良好的学习习惯。

四、结语

文章分别对半导体材料课程的教学内容、教学方法和考核方式进行了改革探索。通过在理论知识章节后引入实验教学，采用理论和实验相穿插的教学形式加深学生对所学理论知识的理解，并培养学生的学习兴趣和动手能力。在教学方法上，通过采用多媒体播放图片和动画等形式来增强教学的直观性，使教学变抽象为具体，化枯燥为生动。在考核方式上，通过三个部分的考核，能够客观合理地评价学生的学习情况。通过对该课程的教学改革探索，可以提高学生的学习主动性、积极性和创新性，使教学效果得到明显的提升，为学生后续的专业课程学习及继续深造打下坚实的基础。