半導體物理混合式教學探討

李琳

摘? 要：半導體物理是電子科學與技術專業的核心基礎課之一，是學習半導體器件物理以及半導體集成電路的基礎。本文介紹了半導體物理課程的教學內容，課程任務等基本情況，探討了如何借助在線教育資源平臺和直播會議平臺等線上授課方式結合課堂教學實現混合式教學，以及問題導向的教學模式在半導體物理教學過程中的應用。新的教學模式不僅激發了學生學習主動性，也提高了學生應用理論知識解決實際問題的能力。

關鍵詞：半導體物理? 線上教學? 問題導向? 理論教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0219-04

Abstract： Semiconductor physics is one of the core basic courses for undergraduate students majoring in electronic science and technology. This course is the basis for semiconductor device physics and semiconductor integrated circuits. This paper introduces the teaching contents and tasks of semiconductor physics. It presents how to realize mixed teaching by means of traditional classroom teaching combined with online education resource platform， live conferences and other online teaching methods. The application of problem-oriented teaching mode in the teaching process of semiconductor physics is also discussed. This new teaching mode not only stimulates students' learning initiative， but also improves their ability to solve practical problems.

Key Words： Semiconductor physics; Online teaching; Problem-oriented; Theoretical teaching

半導體物理是電子科學與技術專業本科生必修的專業基礎課程，主要研究半導體原子狀態、電子狀態以及各種半導體器件內部的電子過程。該課程是一門理論性較強的課程，包含知識點比較多，內容涉及面較廣，理論推導復雜，對學生的專業知識基礎要求較高：在學習半導體物理課程之前需要先修量子力學，固體物理等課程內容。同時，這是一門連接基礎理論和實際應用的課程，為學生后續學習半導體器件、微電子器件和集成電路等方面的知識奠定理論基礎。因此，半導體物理這門基礎性理論課程，起到了承上啟下的作用，是培養學生應用理論知識，提高實踐創新能力的開端。

1? 半導體物理課程簡介

本門面向電子科學與技術專業本科生開設的半導體物理課程設置2學分，32學時。該課程采用的教材為劉恩科等人編著的《半導體物理學》（第7版，電子工業出版社，2017年），該教材為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，電子科學與技術類專業精品教材[1]。根據設置的學時，在授課過程中教師主要講授其中前八章內容：半導體物理的基本物理理論，物理概念及基本物理性質（第一章 半導體中的電子狀態），半導體中的載流子（電子、空穴）及其運動狀態（第二章 半導體中雜質和缺陷能級，第三章 半導體中載流子的統計分布，第四章 半導體的導電性，第五章 非平衡載流子）和器件物理基礎（第六章 p-n結，第七章 金屬和半導體的接觸，第八章 半導體表面與MIS結構）等。

半導體物理課程的任務是從微觀上解釋發生在半導體中的宏觀物理現象，研究并揭示微觀機理。課程內容以典型的半導體材料硅、鍺、砷化鎵等為討論對象，重點學習半導體中的電子狀態及載流子的統計分布規律，半導體中載流子的輸運理論及相關規律，載流子在輸運過程中所發生的宏觀物理現象以及半導體的基本結構及其表面、界面問題。通過學習本課程，學生掌握半導體物理中的基本概念，基本物理理論和基本規律，培養分析和應用理論知識解決實際問題的能力，同時為后續課程的學習打下基礎。

（1）熟練掌握半導體晶體結構和能帶結構，以及載流子和導電性的計算方法等，能夠運用基本理論解決問題;

（2）掌握p-n結，金屬-半導體接觸，半導體表面與MIS結構等的性質，培養學生根據應用需求處理半導體器件和集成電路中物理問題的能力;

（3）綜合運用半導體物理的基本理論及解決半導體器件和集成電路中問題的科學思維和工程觀念;

（4）根據所處理的半導體物理材料及器件進行有關手冊、參考書和文獻資料的查閱及整理，提出問題解決方案的能力。

半導體物理課程以往的授課形式主要采用課堂授課，偏重于理論知識學習。傳統的教學特點是教學形式比較單一，學生很大程度都是被動接受知識，缺少主動思考，科學分析總結的過程和工程實踐能力的培養。同時該課程一般安排在本科大三下學期或者大四上學期進行，學生面臨著考研和找工作的壓力，學習精力難免有所分散。在實際教學過程中經常出現老師難教，學生難學的現象[2]。因此，在傳統教學模式基礎上引入多種教學模式非常必要[3]。

2? 線上線下相結合的混合教學

今年經歷了非常特殊的時期，在新冠肺炎疫情期間大多數課程采用線上教學模式代替了傳統的課堂授課模式。大規模的在線教學實踐極大程度上改變了教育的形態與模式。高校教育借助這次線上教學，充分探索了多種教學資源平臺、翻轉課堂平臺和直播會議平臺應用于課堂的可能性，并根據新的教學方式探討與之相應的教學模式[4，5]。以筆者為例，本學期授課借助了北京化工大學在線教育綜合平臺，結合多種線上直播會議平臺（企業微信、騰訊會議、騰訊課堂等）最終實現了線上教學。教師在上課前將課程簡介、教學大綱、教學日歷以及課件、視頻等課程相關資料上傳至在線教育綜合平臺，學生在課前可以通過在線教育綜合平臺自行下載這些資料，清晰地了解課堂內容和進度，對課程進行預習。同時課堂上由于課時限制未能完全展開的知識點或者相關課外知識也可以在在線教育綜合平臺上分享給學生。線上授課采用企業微信會議或者騰訊課堂直播，將文檔通過屏幕演示同步給學生，同時可以隨著課程進度展示標注、板書，基本達到了與課堂教學相同的效果。通過直播軟件還可以實現課堂簽到、討論和提問答疑，最大限度還原線下課堂的教學體驗。在直播授課過程中對直播課程進行全程錄播，使得學生可以在課后也可以多次回看復習。此外，還可以在在線平臺中設置問卷調查、課堂小測試、課堂活動等，及時掌握學生課堂情況。在課后，提供更多的學習支持，比如建立課程群組，發布課程活動，網絡答疑等。還可以通過論壇討論，意見反饋等形式實現課下互動，收集學生對各個教學環節的感受和反饋意見。此外，教師每周定時在平臺更新本周學習內容，課堂作業等，設定學生提交作業時間。通過平臺上的批閱功能來完成，課堂作業和課堂小測驗的批閱評分等教學過程，學生也可隨時查看批閱后的作業。對老師來說，利用平臺的大數據分析功能，更加直觀準確地了解學生學習情況。

總結本學期線上教學經驗，在后續半導體物理課程教學過程中充分發揮教學資源平臺和直播平臺的優勢，有效應用于教學的全過程，使線上教學成為課堂授課的有力支撐。在線教育綜合平臺和直播平臺的應用，為半導體物理課程提供了改變教學模式的契機。傳統教學模式需要隨著教學手段的豐富而改變來達到更好的教學效果。

在線上線下混合式教學的過程中，學生在課前預習課堂內容，查閱大量資料文獻，在課堂上就可以實現以教師為主轉變為以學生為主。在以后的授課過程中，我們還將采用小班教學。教師整合理論知識，調整教學內容，更多地采用問題導向的教學模式開展課堂：在每章節開始時設置相應的問題，引導學生思考、討論，教師在授課過程中總結梳理前面學過的知識，著重強調物理圖像，淡化繁瑣的推導過程，使學生在學習過程中形成系統化的知識框架。針對課程內容抽象難懂，物理圖像不易理解的狀況，教師在理論教學時采用多媒體手段將原子、分子尺度的微觀結構和知識生動展示出來，同時結合學生電路實驗、學生創新實驗等方式的實踐教學，靈活運用于半導體物理不同的授課環節中，使學生切實感受半導體物理理論所描述的環境，在頭腦中形成完整的物理環境，達到較好地理解理論知識的目的。課堂中鼓勵學生發問，表達不同的觀點，充分深入地討論課程重點內容。充分調動學生的學習積極性，引導學生參與課堂，在課堂內消化吸收知識。在問題導向的教學模式基礎上，進一步設置專題教學，將一部分內容設置為專題討論的方式進行，充分調動學生參與的積極性。圍繞重要的知識內容設置科學問題，學生在廣泛分析調研的基礎上展開討論。

新的教學模式需要老師投入極大的精力。首先如何調動每一位學生積極性，而不是只有少數學生參與。在具體的授課過程中，需要針對學生的不同情況進行處理，使課堂氛圍更加開放包容：對于基礎較好的學生，提高問題深度與廣度，激發學生更加深入完備的思考;對于基礎比較差的學生，要多給予正面的反饋，發現他們有價值的觀點進行鼓勵，幫助他們完善自己的表達。其次，如何設置問題能夠激發學生討論和解決的興趣，提供給學生較大的探索空間。一方面是需要對知識融會貫通，發掘知識點之間的聯系，以點帶面，讓學生體會知識點之間的緊密連接，另一方面要結合實際，對于重要知識點和理論設置與半導體工藝和器件緊密聯系的科學問題，引導學生在思考過程中分析主要問題，解決主要矛盾，掌握知識的基礎上用理論知識指導實踐。在課程結束后，教師還應及時總結并根據課堂情況調整課程內容和教學方式。在學生為主的課堂學習中，老師需要比講授知識投入更多的思考，引導學生探索并主動建立起知識體系。

將線上教學和線下教學有機結合，采用豐富多樣的教學手段，牢牢把握課前、課堂和課后三個過程，為學生學習創造了良好的教學環境，打造個性化的教學計劃，有效提高學生學習積極性和主動性。

3? 思政教育融入課堂

在教學模式改變的同時，我們也將課堂思政融入到半導體物理課程教學中來，從而提高學生學習積極性和主動性。以本學期為例，學生長期在家里，學習環境和條件并不十分理想。部分學生可能會出現懈怠、焦慮等心理狀況。因此十分有必要在實現知識傳授的同時進行價值引領，實現二者的有機結合。教師時刻關注社會熱點和最新科研動態，將時政新聞以及半導體的行業新聞融入課程，結合我們國家半導體行業的需求以及面臨的嚴峻形勢，引導學生了解我們國家集成電路等行業發展過程中的卡脖子問題和國家大力發展半導體產業的必要性。此外，半導體物理教學內容主要是強調基礎性，學生對半導體物理前沿的新動態和研究成果不了解，不清楚理論基礎的重要性及其與半導體工程實踐的緊密聯系。因此，在授課過程中穿插介紹相關科研領域的最新研究成果，分析內在的理論基礎，讓學生了解前沿領域的發展與牢固的理論基礎密不可分，提高學生對本專業的認識，幫助學生樹立正確的價值觀，從而使學生提高學習主動性。學生在學習理論知識的同時，更加明白專業定位和未來工作選擇。

4? 課程考核機制

除了授課過程，適當的課程考核機制也可以有效引導學生的學習方向。很多學生在本科階段已經通過萌芽杯、挑戰杯、大學生創新大賽等方式接觸了科研，進行過文獻檢索，文獻閱讀和科學實驗研究的培訓。這為半導體物理課程向以學生為主的學習方式轉變提供了良好的基礎。本課程最終成績以百分制計，采用過程考核（包括課堂表現及平時測驗，習題作業，專題討論）+期末考試的方式進行。為了推進以教為主向以學為主轉變，我們將考核比例和形式做了轉變：增加過程考核比例，一部分采用課堂表現和課堂測驗：課堂測驗在每章節學習總結后進行，采用少量重點題目，讓學生在課堂上完成知識的學習，另一部分采用專題討論的方式，鼓勵學生主動探索科研和實際應用的問題，將材料計算軟件[6]和建模引入半導體物理學習中，鼓勵學生利用各種方式參與教學實踐。比如在半導體能帶理論專題研討中，學生需要選取某種半導體材料，確定影響因素，建立相關模型，查找數據并進行科學探索，最終給出材料的能帶結構和合理結論。這樣的過程不僅給學生提供了通過實驗和數值計算等直觀方式理解知識的途徑，加深了學生對公式原理的理解，也提高了學生應用理論知識分析問題，獨立解決問題的能力。過程考核比例將逐步由目前的40%增加至50%。期末考試題目也全面更新，大大增加利用基礎知識礎解決實際問題部分題目的比例。在成績給分上，不僅僅以答案對錯為評分標準，更加注重思考過程。

5? 結語

總的來說，豐富的在線教學資源為學生實現自主學習提供了極大的便利，也為半導體物理教學轉變為以學生為主，問題導向的教學模式提供了很好的機會。學生在新的教學模式下課堂參與度更高，對知識的掌握也更為深入。因此，采用線上線下相結合的方式進行半導體物理的教學，是提高課堂效率，激發學習積極性的重要途徑。

參考文獻

[1] 劉恩科，朱秉生，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2017.

[2] 徐躍.融入工程教育思路的半導體物理教學改革與實踐[J].當代教育實踐與教學研究，2018（10）：188-189.

[3] 張志強，宮照軍.“半導體物理基礎”課程研究型教學模式的設計與實施——以D大學為例[J].煤炭高等教育，2017，35（6）：113-117.

[4] 趙穎，顏霏.疫情期間大規模線上教學實踐后的思考[J/OL].中國醫學教育技術：1-3[2020-7-1].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1317.G4.20200628.0857.002.html.

[5] 鐘紹春.人工智能如何推動教育革命[J/OL].中國電化教育，2020（3）：17-24[2020-07-01].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3792.G4.20200310.1628.006.html.

[6] 連曉娟.“半導體物理”教學改革與實踐初探[J].教育現代化，2019，6（18）：49-50.