高職《半導(dǎo)體器件物理》課程教學(xué)改革的探索

余 菲，趙 杰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

高職《半導(dǎo)體器件物理》課程教學(xué)改革的探索

余 菲，趙 杰

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

針對(duì)高職微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《半導(dǎo)體器件物理》課程出現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作銜接不上、課程教法陳舊、學(xué)生接受程度差等問(wèn)題，本文通過(guò)分析高職微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)崗位的典型工作過(guò)程，提出適合高職的《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)內(nèi)容，探索實(shí)施“實(shí)驗(yàn)向?qū)А狈绞降慕虒W(xué)活動(dòng)，采用四維形成性考核方案，取得了一定的效果．

半導(dǎo)體器件物理；課程改革；高職

微電子技術(shù)是一個(gè)新興的學(xué)科，在高職院校作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)來(lái)培養(yǎng)人才的時(shí)間還不長(zhǎng)，但是作為信息產(chǎn)業(yè)的核心領(lǐng)域，微電子產(chǎn)業(yè)需要大量的從業(yè)人員，從事和集成電路相關(guān)的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試等工作．其中《半導(dǎo)體器件物理》是微電子技術(shù)課程體系必要的專(zhuān)業(yè)課程之一，但是由于半導(dǎo)體器件物理學(xué)科本身的特點(diǎn)，內(nèi)容涉及大量的有關(guān)能帶、晶體等物理學(xué)知識(shí)，以及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，一直以來(lái)，在高職微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)，都被視為學(xué)生最難學(xué)，老師最難教，學(xué)習(xí)效果最不理想的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課[1-3]．目前的《半導(dǎo)體器件物理》課程明顯不適合高職領(lǐng)域的教學(xué)規(guī)律，改革迫在眉睫．我們對(duì)該課程的改革進(jìn)行了一些探索．

1 改革教學(xué)內(nèi)容使其與職業(yè)對(duì)接

1.1 傳統(tǒng)學(xué)科體系教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置思路

目前的高職《半導(dǎo)體器件物理》課程內(nèi)容設(shè)置基本上和本科學(xué)習(xí)差別不大，只是簡(jiǎn)單做了一些內(nèi)容的刪節(jié)．傳統(tǒng)學(xué)科體系中《半導(dǎo)體器件物理》課程的內(nèi)容設(shè)置是服務(wù)整個(gè)學(xué)科，傳統(tǒng)的微電子學(xué)是研究固體中載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微小電路的電子學(xué)分支學(xué)科，微電子學(xué)的學(xué)科體系見(jiàn)圖1．

圖1 微電子學(xué)的學(xué)科體系

根據(jù)學(xué)科體系的思路，微電子學(xué)最終的目的是實(shí)現(xiàn)一類(lèi)在半導(dǎo)體上的微小尺寸的電路．要實(shí)現(xiàn)這樣的電路需要研究半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)的電路元件的結(jié)構(gòu)和原理，以及研究實(shí)現(xiàn)這類(lèi)電路的加工過(guò)程和方法，最終根據(jù)電路的功能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)．在學(xué)科體系中，半導(dǎo)體器件物理是服務(wù)于半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體器件原理分析，是微電子領(lǐng)域的重要內(nèi)容．基于這樣的目的，半導(dǎo)體器件物理的前導(dǎo)課程包括大量的物理和數(shù)學(xué)知識(shí)，相當(dāng)深度的固體物理學(xué)知識(shí)．通過(guò)固體物理學(xué)原理，利用已有的物理知識(shí)和數(shù)學(xué)工具分析各種器件工作的物理過(guò)程，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型器件做準(zhǔn)備．

1.2 高職微電子技術(shù)的工作崗位和典型工作過(guò)程

借鑒德國(guó)高職課程體系開(kāi)發(fā)的基本思路，要找到學(xué)生的工作崗位，根據(jù)工作崗位分析典型工作過(guò)程，從典型工作過(guò)程提取具體行動(dòng)領(lǐng)域，然后再得到學(xué)習(xí)領(lǐng)域的課程[4-5]．根據(jù)微電子產(chǎn)業(yè)的分布，微電子崗位群可以基本劃分為集成電路設(shè)計(jì)、集成電路生產(chǎn)、集成電路封裝與測(cè)試3個(gè)方面，具體的工作崗位分布如圖2所示．

根據(jù)對(duì)微電子產(chǎn)業(yè)的崗位分析，可以適合高職類(lèi)學(xué)生參與的工作崗位用黑體做出了標(biāo)記．其中集成電路版圖設(shè)計(jì)、模擬集成電路設(shè)計(jì)這2個(gè)工作過(guò)程中需要用到半導(dǎo)體器件物理的知識(shí)．

針對(duì)集成電路版圖設(shè)計(jì)工作崗位的典型工作過(guò)程是：集成電路版圖分析與識(shí)別→電路圖整理與繪制→集成電路版圖布局、布圖→集成電路版圖編輯→DRC檢查和LVS檢查→參數(shù)提取、修改提高與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避．針對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)工作崗位的典型工作過(guò)程是：分析電路功能與性能參數(shù)→確定電路結(jié)構(gòu)→前仿真→根據(jù)仿真效果進(jìn)行改進(jìn)→后仿真與改進(jìn)．

1.3 適合高職的學(xué)習(xí)領(lǐng)域內(nèi)容的選取

學(xué)習(xí)領(lǐng)域內(nèi)容的選取，是根據(jù)前面典型工作過(guò)程的分析，提取出行動(dòng)領(lǐng)域，再選擇學(xué)習(xí)領(lǐng)域．在前面2個(gè)工作崗位的典型工作過(guò)程的行動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)中，有多處可以映射到半導(dǎo)體器件物理的學(xué)習(xí)領(lǐng)域．針對(duì)集成電路版圖的分析與識(shí)別，集成電路版圖編輯的工作，需要的知識(shí)為半導(dǎo)體器件的空間結(jié)構(gòu)，以便學(xué)生掌握識(shí)別和繪制半導(dǎo)體器件版圖的能力．在版圖風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避這個(gè)工作過(guò)程，需要學(xué)生掌握載流子的輸運(yùn)的基本原理，PN結(jié)的電學(xué)特性，擴(kuò)散電容與勢(shì)壘電容，常見(jiàn)寄生器件的電路和原理分析．針對(duì)于模擬電路的設(shè)計(jì)，要了解 MOSFET的電學(xué)特性，雙極型晶體管的基本特性曲線(xiàn)．

根據(jù)上面的分析發(fā)現(xiàn)，適合于高職領(lǐng)域的《半導(dǎo)體器件物理》學(xué)習(xí)領(lǐng)域課程的內(nèi)容與傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容既有區(qū)別又有相同之處．經(jīng)過(guò)整理，適合高職的《半導(dǎo)體器件物理》學(xué)習(xí)領(lǐng)域課程內(nèi)容見(jiàn)表1．

圖2 微電子產(chǎn)業(yè)崗位分布圖

表1 改革后的《半導(dǎo)體器件物理》學(xué)習(xí)領(lǐng)域內(nèi)容

2 改革《半導(dǎo)體器件物理》的教學(xué)實(shí)施方案

傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體器件物理》課程是純理論課程，實(shí)施的方案也比較簡(jiǎn)單，通常是通過(guò)教師的講授，加上學(xué)生的課程設(shè)計(jì)報(bào)告等內(nèi)容結(jié)合來(lái)組織教學(xué)．由于高職學(xué)生理論功底較弱，數(shù)學(xué)物理背景不強(qiáng)的原因，通常這類(lèi)課程學(xué)生的厭學(xué)情緒比較強(qiáng)，能真正掌握相關(guān)理論的學(xué)生比較少，導(dǎo)致用人企業(yè)始終抱怨學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體器件物理知識(shí)掌握過(guò)于薄弱．

針對(duì)這一特點(diǎn)，結(jié)合前文所述的教學(xué)內(nèi)容改革方法，在深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)采用了以實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)習(xí)的課程實(shí)施方案，讓學(xué)生在一個(gè)個(gè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，逐漸掌握半導(dǎo)體器件物理的相關(guān)知識(shí)，見(jiàn)表2．

改革后的《半導(dǎo)體器件物理》課程通過(guò)7個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)施教學(xué)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有一些引導(dǎo)問(wèn)題，課程的任務(wù)就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)去解決、解釋這些問(wèn)題．在解決問(wèn)題的過(guò)程中，需要掌握分析問(wèn)題的基礎(chǔ)，而這些分析問(wèn)題的知識(shí)，正是安排的教學(xué)內(nèi)容．

通過(guò)這樣的手段，避免了傳統(tǒng)的老師講、學(xué)生聽(tīng)的枯燥學(xué)習(xí)過(guò)程，讓學(xué)生在任務(wù)中去主動(dòng)尋找那些以后工作中有用的基礎(chǔ)知識(shí)，增加了學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了學(xué)生的興趣，改善了學(xué)習(xí)效果．

表2 “實(shí)驗(yàn)行動(dòng)向?qū)А钡恼n程實(shí)施方案

3 改革《半導(dǎo)體器件物理》的課程考核方法

傳統(tǒng)的《半導(dǎo)體器件物理》課程以理論教學(xué)為主要實(shí)施手段，課程多采用期末筆試為主的考核方案．深職院微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)施的《半導(dǎo)體器件物理》課程改革是以7個(gè)實(shí)驗(yàn)為向?qū)У慕虒W(xué)實(shí)施過(guò)程，采用形成性考核方案，把整個(gè)課程分為8個(gè)考核節(jié)點(diǎn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)為一個(gè)考核節(jié)點(diǎn)，最后期末考核為一個(gè)考核節(jié)點(diǎn)．

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的考核過(guò)程中，根據(jù)微電子技術(shù)人才職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力的要求，提出了四個(gè)維度的考核方式，包括：任務(wù)完成質(zhì)量、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與互評(píng)、知識(shí)掌握情況．每個(gè)任務(wù)都按照這四個(gè)維度打分，其中團(tuán)隊(duì)協(xié)作與互評(píng)是采用團(tuán)隊(duì)成員互評(píng)的方法，互相打分．最終把所有 7個(gè)項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)求和，得到最終的“平時(shí)成績(jī)”．

期末考核節(jié)點(diǎn)采用實(shí)操考核的方式，通過(guò)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作來(lái)考核學(xué)生掌握和運(yùn)用本學(xué)期知識(shí)的能力，同時(shí)也考察學(xué)生的動(dòng)手能力，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力．最終期末成績(jī)和平時(shí)成績(jī)加權(quán)得到總的考評(píng)成績(jī)．

通過(guò)改革探索，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子專(zhuān)業(yè)的《半導(dǎo)體器件物理》課程按照新的方法實(shí)施了3年，總體上收效比較明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：學(xué)生學(xué)習(xí)興趣增加，學(xué)到知識(shí)和技能增多，成績(jī)提高、通過(guò)學(xué)習(xí)本門(mén)課程，學(xué)生感覺(jué)《集成電路工藝原理》、《集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)》、《IC版圖設(shè)計(jì)》等課程學(xué)習(xí)起來(lái)更加容易、企業(yè)用人反映學(xué)生該領(lǐng)域知識(shí)功底有所加強(qiáng)、學(xué)生掌握了一些必要的電子學(xué)儀器使用技能和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的技能．

[1] 唐瑩，李萬(wàn)清．《半導(dǎo)體器件》課程教學(xué)的改革探索[J]．重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（2）：63-64．

[2] 陳國(guó)英．《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)的思考[J]．常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：56-57，60．

[3] 蘇秦．基于課程改革研發(fā)職業(yè)教育教材—評(píng)《半導(dǎo)體器件物理與工藝（基礎(chǔ)版）》[J]．江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（5）：91-92．

[4] 馬樹(shù)超，范唯．中國(guó)特色高等職業(yè)教育再認(rèn)識(shí)[J]．中國(guó)高等教育，2008（13-14）：53-55．

[5] 姜大源．世界職業(yè)教育課程改革的基本走勢(shì)及其啟示[J]．中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2008（27）：7-13．

Teaching Semiconductor Device Physics in TVET: A New Approach

YU Fei, ZHAO Jie

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen，Guangdong 518055, China）

The course，Semiconductor Device Physics, in microelectronic program in TVET is faced with problems such as poor link with actual work, out-dated teaching methods, and poor reception on the part of students. In this paper, the typical working process in microelectronic field is analyzed, and new teaching materials are proposed. By implementing the experiment wizard teaching method, and four-degree appraisal approach, satisfactory results have been achieved.

Semiconductor Device Physics; course reform; TVET

G712；TN301

A

1672-0318（2014）05-0077-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 015

2013-12-19

余菲（1982-），男，黑龍江人，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)．趙杰（1963-），女，安徽人，教授，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲㈦娮永碚摚?/p>