半導體物理學教學模式的改革與創新構想

吳宏偉+陳華俊

【摘 要】基于對當前半導體物理教學模式的思考以及在實際教學過程中得到的教學效果反饋，提出幾點關于傳統教學模式的改革與創新構想。將實驗教學融入到理論課程的教學中，充分利用多媒體教學工具和數值模擬軟件，以研究性學習教學模式代替灌輸式教學模式，提高學生學習興趣和效率，培養學生運用半導體物理知識解決實際問題的能力。

【關鍵詞】半導體物理學；教學模式改革；教學方法創新

【Abstract】Based on the considering of present teaching mode for semiconductor physics and the feedback of teaching effect，we present several conceptions about the reformation and innovation in the education of semiconductor physics.Blending the experimental teaching into theory course， useing multi-media and numerical simulation software，replacing the force-feeding teaching mode with research teaching model，to improve students' learning interest and efficiency and train the capacity of solving the practical problem by applying the knowledge of semiconductor physics.

【Key words】Semiconductor physics；Teaching mode reform；Teaching method innovation

自第一塊基于半導體材料設計的晶體管從貝爾實驗室誕生以來，人們借助半導體器件已經設計出了各種各樣的微電子器件滿足人們生產、生活的各種需求，人類從此進入了飛速發展的微電子時代。隨著半導體物理的發展和加工技術的進步，微電子器件在尺寸上更加小型化和功能上更加多元化，集成電路上可容納的微電子元件每18個月可以翻一番，這一規律也被人們稱之為“摩爾定律”[1]。在半導體材料和功能器件飛速發展的今天，人們對半導體物理的基礎知識學習顯得更加重要。因此，國內大多數理工科高等院校都開設了半導體物理學課程，為學生將來走進以半導體物理為基礎的公司和企業工作打下理論基礎。然而，半導體物理學課程由于其涉及內容范圍廣、知識點甚多、公式推導復雜以及內容系統性強等原因使得學生在學習過程中會產生恐懼、厭學等情緒。另外，由于該學科領域是國際科學研究熱點之一，研究領域不斷擴展，知識快速更新，新的理論和知識不斷涌現。因此，教授半導體物理學課程的教師應該在教材內容的基礎上，采取更直接、形象的教學方法向學生闡釋半導體物理的基礎知識，并結合當今該領域的科學研究前沿向學生展現該領域的發展趨勢，提高學生對半導體物理學的學習興趣，促進學生知識的積累和思維的發展，培養學生利用半導體材料設計電子器件、搭建集成電路的技能。筆者結合近一年來對半導體物理學課程的講授與教學效果的反饋提出幾點關于半導體物理學課堂教學改革和創新的構想。

1 半導體物理學課堂教學的現狀

1.1 理論與實驗課程結合不充分

目前，大多數高等院校所開設的半導體物理學理論課程與實驗課程是相分離的并由不同任課教師講授。另外，理論課程與實驗課程在開課的時間上也不一致，通常是理論課程的老師講授完所有相關課程以后，學生再去實驗室隨實驗指導教師完成實驗學習，理論與實驗課程在時間上一般相差半個學期。這樣的安排會導致兩方面的問題：第一，理論課程與實驗課程教師的不統一。理論課程的教師僅僅完成理論部分的教學任務，不能從學生的角度考慮實驗教學對理論基礎的補充對學生理解理論內容的作用。同時，實驗指導教師也僅僅考慮自己在實驗教學過程中應該完成的教學任務，并不能與理論課程教師進行很好地溝通，在教學效果上不能產生合力作用。第二，理論課程與實驗課程時間的不統一。理論課程的教學時間與實驗課程的教學時間相差半個學期導致學生在理論學習過程中所產生的疑問和想法很難及時的在實驗中解決和證實。學生很難將學到的知識及時運用到實際的應用中，這不僅降低了學生學習的興趣也影響了學習的效率。

1.2 多媒體教學工具運用不充分

半導體物理學課程因具有理論性強，物理概念抽象，物理過程難以觀察等特點。因此，授課教師應該設計一些課程動畫以讓學生直觀感受半導體材料中難以觀察到的物理過程，深刻理解物理概念。然而，很多高等院校雖然開設了半導體物理課程，但是大多數教師依然是網上搜索下載別人的課件，或者僅僅是復制一些課本上的文字內容以及少數的圖表內容，很少有授課教師花時間將一些半導體物理過程，如載流子濃度、費米能級隨溫度及摻雜濃度的變化等用動畫形式向學生展示。筆者了解到，半導體物理學課程授課教師以課件向學生展示文字和圖表信息和以板書形式向學生展示物理公式推導過程所得到的教學效果并不理想。老師花了很多時間推導公式，講解公式得到的結論和物理意義，然而學生往往不能透徹理解和體會，得到的教學效果往往事倍功半，學生的學習興趣也可想而知。

1.3 教師對科學前沿涉及不充分

筆者了解到，老師對半導體研究領域的科學前沿不關心，在講課過程中也很少涉及到前沿內容的講解。老師嚴格按照教材上的內容講解，至于教材里的基礎知識在電子器件中是怎樣應用的內容基本不作闡述。對于基于半導體物理的科學研究前沿知識，授課教師更是視為與本課程無關的內容而被忽略。然而，以半導體物理學為基礎的實際應用以及科研前沿介紹是使學生消化所學內容和提高學習興趣的一個關鍵措施。如果授課教師可以以教材中的部分內容為出發點，向學生介紹其在實際生活中的應用以及目前的科學研究現狀，必然會引起學生對這些內容的重視，并通過網絡搜索、查閱專業書籍等手段學習相關知識點。

2 半導體物理學教學模式改革的構想

如何有效地提高學生對半導體物理課程學習的興趣以及加強教師對半導體物理學教學效率的重視是目前半導體物理學課堂教學過程中需要解決的問題。筆者結合在半導體物理學教學過程中所遇到的問題和學生給予的教學反饋信息，提出幾點對半導體物理課堂教學模式改革的構想。

2.1 理論課程與實驗教學有機融合

半導體物理學不僅是一門具有很強系統性的理論課程，更是一門具有很強可操作性的實驗課程。因此，以理論引導實驗，以實驗驗證理論，是半導體物理學課程不可缺少的環節。然而，通常高校開設的半導體物理學理論課程與實驗課程往往是分離的且兩者之間時間跨度大，這種不合理的安排導致理論教學過程得不到實驗的驗證，實驗課程得不到理論的指導。學生在學習理論課程時，由于半導體物理學理論知識具有知識點繁多，理論推導復雜，物理過程難以理解等問題，特別容易產生厭學和抵觸情緒。因此，半導體物理學的理論課程和實驗課程可以調整為同一人授課，并且理論和實驗部分的課程安排不應該有明顯的界限，授課教師可以按照需要將理論和實驗課程合理調整。例如，理論課程的回旋共振內容講解完后，可以在下一節課帶領學生動手做回旋共振實驗，讓學生親自動手測量半導體硅、鍺等材料的有效質量，進而讓學生回顧前面所學內容，親身感受到半導體物理學中是如何獲得有效質量以及有效質量的意義。

此外，授課教師也應該將部分簡單易操作的實驗在課堂上加以演示，將理論推導得到的結果以實驗的形式及時加以驗證，將知識點穿插在實驗演示過程中講解，提高學生的學習效率以及學習興趣。比如，授課教師可以組織學生走上講臺，以剛學不久的理論知識為基礎，親自動手測量實驗數據，觀察實驗現象和總結實驗結論。整個實驗以學生為主，實驗過程中遇到問題，由老師引導學生解決問題，分析產生問題的原因。這樣一來，就充分調動了學生的潛在興趣和創新意識，培養了學生的動手操作能力，提高了學生對半導體物理學理論知識的掌握。

2.2 理論講解與多媒體教學工具的有機結合

半導體物理學課程的教學中除了需要講解復雜的理論公式推導以外，還需要向學生講解復雜的物理過程。例如，半導體材料中的電子是怎樣在周期性勢場中運動的，半導體的載流子濃度怎樣隨著溫度和摻雜濃度變化等一些物理過程。然而，這些物理過程是一個微觀過程，學生很難建立起物理圖像。授課教師可以將這些復雜的物理過程和抽象的物理概念通過動畫的形式向學生展現，使內容更加直觀化、形象化，有利于提高學生學習興趣和降低學習難度。

此外，授課教師可以將一些重要的物理過程以作業的形式布置給學生，要求學生課下以自己的理解制作動畫。由于半導體物理課程通常是安排在大學三年級學習，所以學生已具備了簡單的電腦制作知識以及數值計算軟件Matlab和Mathematica等，制作半導體物理學課程中的物理過程動畫是可以完成的。學生的作品可以在下一次課堂上展現并由學生向大家講解其理解的物理過程與物理概念，在講解過程中老師可以判斷學生理解的有無偏差。如果學生有理解錯誤的地方，老師可以及時糾正并加以重述和解釋。如果學生對概念和物理過程理解的正確，老師可以對其加以肯定并強化概念和過程，讓班級其他同學能加深印象。這樣不僅激發了學生學習興趣和主動性，而且提高了學生學習的目的性和參與意識，淡化了課內外的時間界限，教學不再只是課內的事情。

2.3 基礎理論與科學前沿的有機結合

半導體物理學不僅是微電子器件、集成電路等實際生產應用方面的基礎理論，而且還是半導體材料領域的重要研究方向之一。同時，因為該學科領域發展極為迅速，新的理論和研究前沿不斷涌現，研究領域不斷拓展，學科之間交叉頻繁導致教材的內容陳舊，基礎理論不夠用的尷尬局面[2]。高等院校開設半導體物理學這門課程其本意是要培養學生理解和掌握半導體物理學基本概念和基礎知識，結合半導體物理學實驗課程培養學生設計和發明新型微電子器件的能力。因此，授課教師在講授半導體物理學基礎理論的同時還必須要介紹最新的研究成果，向學生傳遞最新研究成果與教材上相關內容的關系以及最新研究成果在哪些方面具有突破性的進展。在保持原有基礎理論體系的完整性的同時，加入大量發展成熟的新理論和新知識，突出研究熱點問題不僅可以讓學生對半導體的發展歷程和發展趨勢有一個清晰的認識，也可以激發學生的學習興趣，促進學生對基礎知識的掌握，還可以培養學生科研創新的能力。

除此以外，很多高校都有大學生創新創業項目，授課教師可以作為項目指導教師鼓勵學生積極申報學校的創新創業項目，根據學生的不同興趣和愛好，選定幾個有針對性的課題讓學生參加，定向式培養和指導學生完成課題，提高學生動手能力和運用已學知識解決實際問題的能力。同時，授課教師也可以鼓勵學生根據自己的想法做一些挑戰杯、學術研究以及應用型專利申請等項目。創新項目的參與過程不僅可以讓學生更深刻地掌握已學知識，而且可以讓學生意識到半導體物理學的重要性和實用性。

3 結論

半導體物理學的教學模式不應該是一成不變的傳統教學模式，而是應該不斷融入新知識、新理論、新方法的開放式教學模式。教學活動應該以提高學生學習興趣和學習效率為主要教學目標，以培養學生運用所學基礎知識解決實際問題的能力為教學宗旨。隨著科技進步和社會的發展，半導體物理學教學模式和教學方法亟待改革和創新，調整陳舊的教學模式，摒棄僵化的教學方法，更新過時的教學理念，采用先進的教學方法，利用豐富的教學資源，為國家培養具有創新意識的新一代大學生。

【參考文獻】

[1]晏世雷.晶體管與半導體科學技術的發展[J].物理教師，2002（5）：48-50.

[2]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）：69-71.

[責任編輯：田吉捷]