基于AI2的《半導體器件物理》課程輔助教學app設計

向兵，蔣俊華

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

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基于AI2的《半導體器件物理》課程輔助教學app設計

向兵，蔣俊華

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

以App Inventor2開發環境為平臺，使用其方便簡潔、清晰明了的各種控件設計界面，利用它的拼圖式圖形堆疊模塊搭建程序代碼，并結合《半導體器件物理》的課程結構，開發了一個便于學生深入學習該門課的課程輔助教學app.以此來激發學生對于《半導體器件物理》這門重要課程的學習興趣和熱情，方便學生理解、記憶這門課程所涉及的主要概念、公式的推導過程以及各種物理現象和效應的形成過程，實現了教學模式的轉變，提升了教學效果，更加契合在移動互聯網時代成長起來的新一代大學生的學習方式的特點.

App Inventor2；半導體器件；應用程序；教學

0 引 言

“半導體器件物理”是我校電子信息科學與技術專業的一門重要專業基礎課程.它以“半導體物理”等課程為基礎，是相關專業后續“集成電路設計”等專業課程的先修課程.由于該課程具有系統性、理論性強，物理概念抽象，用到的物理公式多等特點，傳統的板書教學雖然有直觀、靈活、知識學習的步驟性強等特點，但也有效率低、圖形圖片展示不清晰徹底、能夠展示的信息量小、復用性困難等缺點.盡管現在大力提倡多媒體教學，但大多數多媒體課件形式單一，與學生的互動性差，特別是對于公式推導，很難使學生的思維同步，不但不能激發學生的學習熱情，反而易使學生產生大腦疲勞而達不到預期的教學效果，其教學質量的好壞直接影響到學生后續課程的學習[1].

在科學技術高速發展的今天，移動互聯網以及智能手機憑借其方便、快捷、個性化、易于操作等優勢逐漸滲透于社會生活的各個方面[2].人們利用網絡和手機可以隨時隨地解決生活、學習以及工作中遇到的各種問題.考慮到現在安卓智能手機的普遍性，尤其現在的大學生對于手機的依賴性，所以我們利用App Inventor2這種便于操作和調試的環境來開發一個課程輔助app來幫助學生更好地學習這門課程，為學生高效率的學習提供了一個更為便捷、廣闊的平臺[3],也為“半導體器件物理”課程提供了一次提高理論教學和實踐教學的有益嘗試.

1 APP的界面及邏輯設計

為了方便學生學習使用，對于屏幕界面的基本要求是要盡可能使用較少的界面實現更多的功能，且所展示的內容要清晰明了，有條有理，讓使用該課程輔助軟件的同學能便捷地溫習、掌握課程中的重點.根據以上分析,確定了本次設計中共需要14個界面來顯示.包括1個初始進入界面，1個課程簡介界面，5個基本概念界面，5個基本推導界面，1個動畫演示界面和1個課后習題界面.界面之間的層次關系如圖1.

圖1 界面之間的層次關系

1.1 初始界面及“課程簡介”界面設計

本app中教材選用電子工業出版社出版的由劉樹林、張華曹、柴長春編著的《半導體器件物理》.這本書系統地介紹了常用半導體器件的工作原理及特性.首先介紹了半導體器件的基本材料以及半導體物理基礎知識，然后又介紹了PN結的形成、特性等一些性能指標，接著講述了雙極性晶體管和MOS場效應晶體管的結構、工作原理、電流電壓等方面的特性，最后介紹了一些其他半導體器件的應用和工作原理[4].

圖2 初始界面 圖3 “課程簡介”界面

設計的初始界面的外觀如圖2.“課程簡介”界面主要顯示的是該課程的授課教師、所用教材、課程的基本內容的介紹.同時，還需要能夠通過該界面進入“基本概念”、“基本推導”、“動畫演示”、“課后習題”界面，也要能返回初始界面.這里為了美觀也加了一幅河南大學的圖像以期增加學生的新鮮感，通過視覺增加學生的學習動力，如圖3.

1.2 “基本概念”，“基本推導”界面設計

概念多，公式推導多是《半導體器件物理》這門課的特點之一.對于一些基本概念，學生學習時往往是上課的時候聽的很清楚，但課下如果不進行復習很快就會忘記；而對于一些公式推導，學生在課堂上要緊跟老師的思路，推導過程一步跟不上步步跟不上.以往的復習方法無外乎是要拿起書本走進自習室，過程繁瑣而不方便.App中“基本概念”和“基本推導”的設計將使學生根據自己學習情況的不同而使復習過程變得非常實用、有效而且方便.

“基本概念”界面這部分包括5個界面，其中1個是總標題目錄界面，另外4個分界面，各自展示的是每一章的基本概念，如圖4、圖5,分界面的邏輯設計如圖7、圖8.進入相關的分界面后點擊“第一個”、“上一個”、“下一個”、“最后一個”等按鈕可以查看關于半導體物理及半導體器件的共32個基本概念.“基本推導”界面與“基本概念”界面大同小異，也包括1個總標題目錄界面和4個分界面共20個公式的推導.總標題目錄界面的設計與“基本概念”的目錄界面設計一樣，只要把界面屬性中的標題改為“《半導體器件物理》基本推導”即可，如圖6.

圖4 “基本概念”主界面 圖5 第一章分界面 圖6“基本推導”分界面

圖7 分界面列表和全局變量的邏輯設計

圖8 分界面按鈕的邏輯設計

1.3 “動畫演示”界面設計

對于物理教學而言，傳統的板書教學最大的缺點就是無法展示物理現象的過程.例如半導體電子共有化運動產生的軌道分裂、PN結空間電荷區的形成、晶體管工作時載流子的輸運、場效應管溝道的形成以及溝道夾斷點的形成等等，對于這些抽象概念的理解往往需要學生在自己頭腦中的想象.為了能讓學生直觀地看到物理現象發生的全過程，更好地理解物理概念，我們制作了一些動畫來模擬半導體材料和半導體器件內部發生的物理現象過程.點擊“第一個”，“上一個”，“播放”，“暫停”，“下一個”，“最后一個”等按鈕可以控制播放8個主要的動畫演示，如圖9、圖10.

圖9 “動畫演示”界面 圖10“動畫演示”界面 圖11“相關習題”界面

1.4 “相關習題”界面設計

為了對所學知識進行鞏固，對知識加深理解，提高學生的思維能力、提高學生綜合運用知識的能力.我們設計了“相關習題”這個模塊.“相關習題”是找了一些經典題型、各校考研初試的試卷，通過圖片的形式呈現.共有“選擇題”、“填空題”、“名詞解釋”、“計算題”這4種題型，如圖11.在屏幕上方區域用圖像組件選擇性地顯示不同類型的題目，用按鈕來控制，邏輯控制同前面的“基本概念”、“基本推導”控制一樣.

2 結束語

通過實踐證明，該輔助教學app的開發對課程教學和學生自學具有較好的輔助作用.將理論授課和動畫演示結合到手機app上，不僅可以實現了多媒體輔助教學的功能，而且避免了只有課件的多媒體教學容易出現的把黑板搬到屏幕上的缺陷，使抽象的理論知識形象化，有利于學生對知識點的理解、消化，提高了學生學習的積極性[5].同時，通過向學生開放源代碼可激發學生編程的激情，不僅提高了本課程的教學效果，而且提高了學生的編程能力，更重要的是為本專業學生提高課堂教學效果，提高開放性思維和實踐動手能力提供了一次有益的嘗試.

[1]向兵,程秀英.基于Matlab GUI《半導體器件物理》教學仿真平臺開發[J].實驗科學與技術,2014,12(3)：47-48.

[2]李華.智能手機端教學實踐研究[J].科技資訊,2014,27(1)：185.

[3]王萍.智能手機支持下的大學生移動學習研究[J].軟件導刊,2014，13(4)：176-178.

[4]劉樹林,張華曹,柴長春.半導體器件物理[M].北京：電子工業出版社,2010.

[5]吳明暉.面向計算思維的App Inventor2課程建設與實踐[J].杭州電子科技大學學報(自然科學版),2015,35(2)：93-97.

[責任編輯：徐明忠]

2017-04-20；

2017-05-08

河南省科技攻關項目(152102210055)

向兵(1968—)，男，湖南長沙人，河南大學副教授，碩士，主要從事半導體器件和半導體集成電路方面的教學、科研工作.

O47；TP391.9

A

1672-3600(2017)09-0103-03