半導體物理啟發式教學改革探討

摘 要 半導體物理是一門介于理論與實踐之間的課，由于它的理論性，導致老師難教，學生難學。本文提出啟發式教學方法，采取不斷提問題的方法，問題一環扣一環，直到最后引出上課內容，這樣一方面在沒有降低知識難度的情況下降低了學習難度，另一方面提高了學生的學習興趣，增強了學生的思考精神。

關鍵詞 半導體物理 啟發式教學 啟發式問題

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

半導體物理是研究半導體原子狀態和電子狀態以及各種半導體器件內部電子過程的學科，是固體物理學的一個重要分支。研究半導體中的原子狀態是以晶體結構學和點陣動力學為基礎，主要研究半導體的晶體結構、晶體生長，以及晶體中的雜質和各種類型的缺陷。研究半導體中的電子狀態是以固體電子論和能帶理論為基礎，主要研究半導體的電子狀態，即能帶結構、雜質和缺陷的影響、電子在外電場和外磁場作用下的輸運過程、半導體的光電和熱電效應、半導體的表面結構和性質、半導體與金屬或不同類型半導體接觸時界面的性質和所發生的過程、各種半導體器件的作用機理和制造工藝等[1-4]。

從上面的半導體物理研究內容可以看出，半導體物理是一門介于理論與實踐之間的課，由于它的理論性，導致老師難教，學生難學。因此怎么教是一個非常值得探討的問題。文獻[5-6]提出了基于研究性學習的教學思想，培養學生的創新意識和科學工作能力，取得了一定的教學效果。文獻[7] 提出了采用多媒體、課堂互動、“頭腦風暴”和課程實驗結合的 “形象化”的教學方法，激發了學生的學習興趣，促使學生能更深刻地理解半導體物理理論。

本文首先分析半導體物理教學現狀，然后提出兩種啟發式教學思路，并舉例說明，最后總結啟發式教學效果。

1 教學現狀

1.1 教材難度較大

目前大多數院校選用的教材是電子工業出版社出版的劉恩科主編的《半導體物理學》，該書偏重于理論闡述和推導，需要學習者具有良好的數學和物理相關基礎知識。但是，由于半導體物理課程比數學課程晚兩個學期開課，到半導體物理開課的時候，大部分同學數學都忘得差不多；另外大部分學校微電子專業都取消了量子力學和固體物理課程，學生沒有學習物理理論的前導知識，就直接進入半導體物理的學習。因此，加大老師了教學難度，同時也增加了學生的學習壓力。

1.2 教學模式單一

目前半導體物理教學基本采用“老師講學生聽”的模式[8]，由于半導體物理闡述的大部分都是微觀物理結構、微觀物理現象和微觀物理理論推導，這些知識抽象枯燥，如果只是采取單純的“老師講學生聽”模式，缺少老師和學生之間的互動，需要學生有比較好的想象力，因此無形中增加了學生的學習難度。另外一方面，長期采用這種教學方法，不利于帶動學生的探索精神，學生獲得的知識也僅限于課本知識，不利于學生創新能力的培養。

1.3 學生認識偏差

目前，高校工科學生中大多有重技術輕理論的思想，具體到微電子學專業的學生， 重電路設計輕半導體物理及器件的研究[9]。這使學生學習半導體物理的積極性不高。如果學生的半導體物理及器件的理論知識的基礎不扎實，會導致學生的電路設計尤其是模擬集成電路設計能力的停留在初步階段，難以提高。

2 啟發式教學思路

針對目前的教學現狀，為了讓學生能通過簡單的問題啟發明白半導體物理知識，因此本文提出以下兩種啟發式教學思路。第一種思路是從宏觀現象中尋找與微觀現象相匹配的例子引出問題，宏觀現象都是現實生活中能夠看到或感覺到的東西，以這樣的例子來引出問題，讓學生理解微觀現象的難度大大降低；第二種思路是從電路的工作角度引出微觀現象，電路的工作原理都是工科學生比較感興趣的東西，如果能從電路的工作角度一環一環引出微觀現象，讓學生的學習興趣一下提高不少，也培養了學生的思考精神。下面分別對這種兩種教學思路舉例說明。

2.1 從宏觀現象中尋找與微觀現象相匹配的例子引出問題

比如講授能級分裂的時候，設置如下啟發問題：

問題1：50個座位的教室能坐多少人？（提示：必須遵守一人一座的原則）

答：50人。

問題2：如果想在這個教室坐下100人怎么辦？

答：只能加50個座位。

問題3：一個原子外圍的一個電子軌道能容納多少個電子？（提示：必須遵守一電子一軌道的原則——包里不相容原理）

答：一個電子。

問題4：兩個原子挨在一起，他們外圍的相同能量的電子軌道相交了，這個時候相當于兩個電子在同一能量軌道上，如果還必須遵守一電子一軌道的原則，怎么辦呢？

答：增加一條軌道，相當于一條軌道變成兩條軌道。

問題5：如果N個原子挨在一起，如果還是按照一個電子一軌道的原則，那他們相同能量的電子軌道怎么辦呢？

答：增加N-1條軌道，也就是相當于一條軌道變成N條軌道。

2.2 從電路的工作角度引出微觀現象

比如講授半導體摻雜前，可以設置如下啟發問題：

問題1、電子設備是怎么工作的？

答：電流驅動的。

問題2、電流又是怎么形成的？

答：載流子的定向運動形成電路。

問題3、載流子怎么產生的？

答：通過本章節的學習，大家將會找到答案。

3 結束語

半導體物理是一門介于理論與實踐之間的課，由于它的理論性，導致老師難教，學生難學。本文提出啟發式教學方法，采取不斷提問題的方法，問題一環扣一環，直到最后引出上課內容。通過在教學中采用啟發式教學的效果看，對于復雜的微觀問題，老師容易講明白了，學生也容易聽明白了。因此啟發式教學一方面在沒有降低知識難度的情況下降低了學習難度，另一方面提高了學生的學習興趣，增強了學生的思考精神。

基金項目：電子科技大學中山學院質量工程建設項目資助（項目編號：ZLGC2012JY12）

參考文獻

[1] 沈偉東，劉旭，朱勇，等.用透過率測試曲線確定半導體薄膜的光學常數和厚度[J].半導體學報，2005（2）：335-340.

[2] 唐瑩，孫一翎，李萬清.MATLAB在半導體課程教學中的應用[J].長春理工大學學報（高教版），2009（10）：126-127.

[3] 孫連亮，李樹深，張榮，等.半導體物理研究新進展[J].半導體學報，2003（10）：1115-1119.

[4] 江錫順.提高應用型本科院校半導體物理教學質量的方法研究[J].滁州學院學報，2011（5）：110-111.

[5] 王印月，趙猛.改革半導體課程教學 融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003（1）：71-73.

[6] 張銘，王如志，汪浩，等.基于研究性學習的半導體物理課程教學改革[J].科教文匯（上旬刊），2011（7）：47-48.

[7] 王強.半導體物理的形象化教學[J].中國現代教育裝備，2009（1）：92-93.

[8] 張健.淺析獨立學院“半導體物理”的有效教學[J].科教文匯（下旬刊），2009（10）：208.

[9] 耿莉，徐友龍，張瑞智.創新型人才培養模式下的半導體物理教學研究[J].電氣電子教學學報，2009（S1）：85-88.