淺談面向新興光電產業的工科專業半導體器件物理課程教學改革

張燦云　孔晉芳　王鳳超

摘 要：半導體器件物理課程的學習目標是掌握半導體材料的基本性質和半導體器件的基本原理等相關知識，為半導體材料的合成、應用、設計提供理論指導。本文從面向新興光電產業的工科專業半導體器件物理課程教學中存在的問題入手，探討該課程教學改革的方式方法。

關鍵詞：半導體器件；物理；教學改革

半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術等專業的重要專業基礎課程，也是應用型本科院校培養新興光電產業所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質和器件應用的橋梁學科，在新興產業應用技術人才的知識結構中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學中產生的問題及原因分析

1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低

以某大學光電行業方向工科專業近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數最多，以60分為原點，其高分和低分兩側的人數呈現出逐漸降低的正態分布。從表1中還可以看出，成績低分人數逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導致表1結果的原因有以下三方面：

（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結構存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現得參差不齊。

對于一般工科專業的學生（包括面向新興光電產業的工科專業）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內容也僅涉及經典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規律，而近代物理中的實物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結構上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。

另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。

（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中

半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質和應用為基本內容，內容編排上從理想本征半導體的性質和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質部分的有效質量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結部分的平衡PN結、非平衡PN結、PN結的能帶和工作原理；不同專業在PN結的設計和控制這部分會根據所設專業選取不同的章節進行學習，面向光電行業的本科專業則通常選取半導體的光學性質和發光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環環相套，步步遞進，因此理解難度較大。

（3）學習態度不端正的現象普遍存在

近幾年，在社會大環境的影響下，學習態度不端正現象在本科各專業學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經常發生，作業抄襲現象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人。”在課時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。

二、改進方法的探討

針對教學過程中發現的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。

1.教學方法的改革

半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉型發展時期，圍繞應用型人才培養目標，按照“專業設置與產業需求相對接、課程內容與職業標準相對接、教學過程與生產過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現在以下六個方面：

（1）轉變教學觀念

改變傳統向學生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業相關的基礎知識和關鍵應用技術為導向，確定該課程在整個專業課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學內容

為構建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業標準及其發展的熱點問題，并積極實現“產學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內容。

第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結構不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近代理論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質、半導體PN結的工作原理、常見半導體結構的工作原理和半導體的光電及發光現象和應用。

第三層次為課內開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結合專業方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結構、工作原理及制作的工藝流程以及職業要求和標準，還有行業熱點問題，激發其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。

第四層次為開展課題式實踐教育，實現“產學研”一體化。為解決傳統教學理論和實踐脫節問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業方向設置的與半導體器件應用相關的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業，利用已學理論對行業熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。

（3）調整教學方法

一方面，要正確處理物理模型和數學分析的關系，不追求公式推導的嚴密性，強調對物理結論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發式和探究式教學，調動學生積極性和主動性。

（4）建設教學隊伍

對國內知名院校的相關專業進行考察和調研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內外相關專業的專家進行講座，邀請企業高級技術人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術及產品，并參與教學大綱及教學內容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產學研踐習的機會深入企業，提高教師隊伍的實踐經驗和綜合素質，為培養雙師型教師打下基礎。

（5）完善教材體系

教材是保證教學質量的重要環節，也是提高專業教學水平的有效方法。針對理工科專業特色方向及學生培養的目標，除選用經典的國家級規劃教材——《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業特色方向的相關教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結合的教材體系，在教材中融入學校及專業特色，注重理論和實踐相結合，增加案例分析，體現學以致用。

（6）加強教學管理

良好的教學管理是提高教學質量的必要手段。首先根據學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內容等，提高教學質量。

2.教學手段改革

（1）采用類比的教學方法

課堂上將深奧理論知識與現實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規則就座的學生類比為占據能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數量總和再除以教室體積。讓學生從現實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。

（2）采用理論實踐相結合的方法

在教學中時刻注意理論聯系實際的教學方法，例如，根據學生專業方向，在講述寬帶隙半導體材料的發光性能時，給學生總結介紹了LED芯片材料的類型和對應的發光波長，讓學生體會到材料性質是器件應用的基礎。

（3）構建網上學習系統

建立紙質、網絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網絡平臺建設，實現課程的網絡輔助教學和優秀資源共享。這些資源包括與本課程相關的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業及半導體行業發展前沿技術講座等。

（4）開展綜合創新的實踐

充分利用現有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結合。鼓勵學生根據所學內容，與教師科研結合，申請大學生創新項目，以提高學生實踐創新能力及應用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。

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基金項目：本項目受上海應用技術學院“半導體器件物理”重點課程建設項目（編號：10110M150047）、“LED照明技術及實驗”重點課程建設項目（編號：10110M150046）和“LED點膠技術實驗”校企合作共建實驗項目（編號：1021XQ151020）的資助。