固體與半導體物理教學改革及課程思政探討

俞健 陳濤 馬廣興 馬柱

[摘 要] 本文結合我校卓越工程師教育培養計劃2.0建設項目，結合《新能源科學與工程》具備較強創新意識的高級工程技術人才的培養要求及專業特點，通過教學改革加強產學研聯合育人及對學生工程實踐能力的培養，為將來從事光伏材料與器件開發工作奠定基礎。

[關鍵詞] 固體與半導體物理;卓越工程師;產學研;教學改革

[基金項目] 西南石油大學材料科學與工程學院“一流本科專業建設”項目（2019CLY-JG-009）

[作者簡介] 俞 健（1986—），男，浙江平湖人，博士，副研究員（通信作者），研究方向為新型光電材料與器件。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0289-02? ? ?[收稿日期] 2019-10-10

一、引言

《固體與半導體物理》是新能源科學與工程專業的核心必修課程，主要講授內容包括晶體結構、晶格振動與晶體的熱力學性質、能帶理論，半導體的基本性質、平衡態半導體的物理基礎、非平衡半導體中載流子的運動規律、半導體PN結、金屬/半導體接觸與異質結、半導體的光學性質及霍爾效應等。通過本課程的學習，使學生學習和掌握固體的基本結構和固體宏觀性質的微觀本質，掌握半導體材料及PN結的導電特性，掌握光伏效應的基本原理，為將來從事光伏材料與器件開發工作奠定基礎。

教育部拓展實施“卓越工程師教育培養計劃”（2.0版），旨在積極探索傳統工科專業的改造升級和符合新經濟要求的新興工科專業，貫穿卓越拔尖人才培養理念，加強產學研、校政企聯合育人，培養和造就創新思想活躍、動手實踐能力強的高級工程技術人才。

根據我校一流學科建設推進實驗方案的文件精神，加快學校“雙一流”建設，建成一流本科人才培養體系，立足于加快我校工程教育教學改革，于2018年啟動了卓越工程師教育培養計劃2.0建設項目。結合我校的專業優勢特點及與國內光伏龍頭企業通威太陽能的校企合作，對課程內容作必要的精簡和調整，強化了半導體器件物理基礎的講授，并增加了半導體工藝基礎的部分內容，構建了理論知識講授-工藝技術探究-科研實踐訓練-企業頂崗實習四位一體的固體與半導體物理課程教學模式，突出對學生工程實踐能力的培養[1]。

二、固體與半導體物理教學現狀

1.課程難度較大。固體物理與半導體物理一直屬于“教師難教、學生難學”的課程，新能源科學與工程專業將兩門課程合并為一門課程，更進一步增加了課程的難度。課程對基礎知識的要求高，課程包含很多理論闡述和推導，本課程的構架詳見圖1所示，需要學生具有良好的數學、物理和量子力學的基礎知識。在實際的行課過程中也發現，學生的基礎薄弱，對于一些簡單的數學知識如歐拉公式尚不能完全掌握，無形中加大了教師授課的難度，容易造成部分學習能力較弱的同學后期跟不上授課節奏的現象。

2.教學模式單一。固體物理和半導體物理的授課仍以傳統的注重知識傳授為主[2]，且課程闡述的大部分涉及到微觀物理結構與現象，知識點較為枯燥抽象，學生學習的興趣和主觀能動性容易被忽視，不利于學生創新能力的培養，無形中也增加了學生的學習的難度。因此，在實際的教學工程中，結合作者豐富的微電子產業化經驗，采取多媒體、視頻、教學實踐等手段豐富課堂教學，設置課題進行分組討論、專題講座，針對具體研究問題進行探索性研究，引導學生主動學習。

3.學生學習的投入性不強。由于課程難度較大的原因，參與度普遍不高。本課程的學習，教師與學生、課內與課外、預習和復習都是非常重要的，要求學生在上課前對該堂課的內容有一個大概的了解，結合知識點和課后習題鞏固，提高課程的參與度。在實際授課過程中，采用隨堂測試的方法，實時掌握學生對重要知識點的掌握情況，做到有的放矢。

三、固體與半導體物理的教學改革措施

1.豐富課程教學，拓寬學生的國際化視野。新能源科學與工程作為一個新設立的專業，本專業的學生在學習固體與半導體物理時，普遍對專業及所學課程的認知不強，不清楚課程的重要性及對未來發展方向的迷茫。

針對這個問題，結合作者在光伏器件與微電子領域近十年的產業工作經驗，在每堂課增設了“國際熱點地圖”環節，即在每堂課利用5分鐘的時間，向學生介紹國際頂尖的研究機構、行業研究熱點、行業top公司等內容，先后介紹了德國于利息研究中心（JUELICH）、沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）、上海交通大學、中國科學院大學、銅銦鎵硒太陽能電池龍頭First Solar、晶硅太陽能電池龍頭通威股份等全球最新的研究進展和資訊，讓立志出國深造、考研或就業的同學都有所倚重，加深了學生對課程的認知及對行業的了解。該措施顯著提高了學生對課程的學習興趣，豐富了課程教學，獲得了良好的反饋。

2.優化和整合課程教學內容。固體與半導體物理課程沒有統一的授課教材，使用《固體物理學》和《半導體物理學》兩本教材，且課堂教學只安排64學時。除了在講課的方式方法上進行一些改進外，對內容也做了必要的精簡和調整，確定了固體物理-半導體物理重點基礎知識、半導體器件物理基礎、半導體工藝基礎為組成的三大核心授課內容。

首先，固體物理基礎知識著重于晶體結構、一維單/雙原子鏈、近自由電子近似、緊束縛近似、電子的準經典運動等與半導體物理聯系較為緊密的內容，自然銜接到半導體物理部分。半導體物理部分講授半導體的類型、半導體的基本能帶結構、半導體的導電性，非平衡載流子的產生、復合、擴散和漂移運動。

其次，介紹半導體器件的基本結構與特性介紹半導體表面、界面的物理性質;重點講授PN結的結構與能帶、電流-電壓特性;幫助學生理解金屬半導體接觸的情形，使其掌握歐姆接觸;增加了光伏產業領域熱點的異質結結構太陽電池的制備及器件應用。最后，結合實踐需求和學生工程能力的培養，設置了半導體工藝基礎的講授，介紹半導體晶圓及芯片制造工藝步驟，討論直拉單晶、擴散制備發射極、表面蝕刻、光刻技術、摻雜技術等半導體行業基礎的工藝，幫助學生在進入企業頂崗實習前有一定的基礎知識儲備。

通過教學內容的優化，合理安排課程設置;同時強化了以太陽能電池核心—PN結、金屬與半導體接觸的知識講授，并增加了半導體工藝基礎的相關內容，在教學內容上做到了半導體經典理論與工業發展相結合、課堂教學與工藝實踐相結合、基礎知識學習與工程實踐能力培養相結合，構建了理論知識講授—工藝技術探究—科研實踐訓練—企業頂崗實習四位一體的固體與半導體物理課程教學模式，突出對學生工程實踐能力的培養。

3.教學方法與手段的改進。在基礎知識講授的基礎上，依托我校光伏系統實訓平臺的條件，引導學生進行啟發式學習，將理論知識與實際應用結合起來。以學習小組為單位，設置探索性研究課題，培養學生的創新意識和解決實際工程問題的能力。通過與國內光伏龍頭企業通威太陽能的校企合作，讓學生在課程理論學習結束后深入企業一線頂崗實習2周，實習內容包括：晶硅太陽能電池的設計、制造、測試、封裝，半導體材料性能測試，如少數載流子壽命、霍爾遷移率、發射極方塊電阻、表面反射率等，全面培養學生將理論知識應用到工程實踐能力。

四、結束語

固體與半導體物理是新能源科學與工程專業的核心基礎課程，為學生后續學習和深造打下了理論基礎。在固體與半導體物理的教學過程中，應積極探索多樣的教學手段，調動學生學習的積極性與熱情，與時俱進地引入當前研究熱點和國際知名研究機構的研究動向，結合卓越工程師教育培養計劃2.0建設項目與工程實踐，加深學生對基礎知識的掌握和理解，培養具備較強創新意識的高級工程技術人才。

參考文獻

[1]張俊舉，張益軍，高建坡，等.“半導體物理”課程教學改革[J].電氣電子教學學報，2018（3）.

[2]胡云峰.半導體物理啟發式教學改革探討[J].科教導刊，2013（3）：122-124.