產學研結合背景下的“半導體物理”教學改革

陳顯平 陶璐琪

[摘 要] 近年來，隨著人工智能、大數據、物聯網，以及5G通信技術的逐步普及與商業化，全球半導體產業迎來又一輪快速發展的機遇期。隨著半導體行業的迅速發展，對相關人才的培養提出了更高的要求。在重慶大學教改項目的支持下，擬對“半導體物理”課程進行一系列教學改革。此次改革側重于培養學生的動手能力及創新思維，通過產業、教學、研究相結合的方式，追蹤行業發展前沿，采用探討式教學法，有效地提高了學生的積極性和教學質量。

[關鍵詞] 半導體物理;產學研結合;仿真;工程導向

[基金項目] 2019年度重慶大學“基于STEM教育理念的‘半導體物理跨學科課程教學改革研究與實踐”（2019Y21）;2019年度重慶大學光電工程學院“基于科研項目導向與興趣驅動的光電工程本科生創新實踐能力培養研究”（2019J01）

[作者簡介] 陳顯平（1979—），男，重慶人，博士，重慶大學光電工程學院教授，主要從事先進傳感器與感知技術和功率半導體器件設計、封裝及可靠性研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0061-04? ?[收稿日期] 2020-10-23

一、引言

近年來，隨著人工智能、大數據、物聯網，以及5G通信技術的逐步普及與商業化，全球半導體產業迎來又一輪快速發展的機遇期。當前，集成電路產品已成為我國最大宗進口產品，2018年我國集成電路貿易逆差突破2000億美元大關，并且仍在擴大。中國芯片自給率目前不足30%，與美、日、韓等國家仍存在較大差距。我國政府一直以來高度重視本土半導體產業的發展，特別是自2018年中美貿易摩擦以來，政府對半導體產業的扶持力度明顯加大，正在從過去的科研經費扶持方式向以國際并購、股權投資、產業鏈整合為主的時代過渡，本土企業在關鍵技術及先進工藝方面的競爭力有所增強。

產業發展，人才先行。人才、設備、資金是目前半導體產業發展的重中之重。特別是作為人才密集型產業，半導體行業對高端人才有著巨大的需求。目前產業相關人才仍存在較大缺口，這就對我國的高等教育特別是微電子相關專業的發展提出了更高的要求。作為國內微電子相關專業的核心課程，“半導體物理”更需要保證教學質量。

二、“半導體物理”教學現狀及面臨的困難

“半導體物理”是微電子學、電子科學與技術等專業中一門承前啟后的課程，也是基礎類課程與專業課程之間的紐帶。其先修課程包括高等數學、線性代數、數理統計、量子力學、固體物理等。“半導體物理”一般開設時間為大三上學期，學生已基本修完前期課程。因該課程的特殊性，在實際教學過程中仍存在較多問題。“半導體物理”是研究半導體電子狀態、原子狀態及半導體器件內部電子運動過程的一門學科，是半導體科學的理論基礎。由于這門課的學科交叉性強、公式推導復雜、知識點繁多、覆蓋知識面廣、物理概念抽象，涉及固體物理、熱力學與統計物理學、量子力學、材料科學等其他基礎課程的內容，導致大部分學生在學習“半導體物理”課程時存在一定程度的困難。“半導體物理”是一門非常重要的專業必修核心課程，其教學效果與學生未來就業發展緊密相關;因此，迫切需要對相關課程的教學方法和策略進行改革。

（一）理論性較強，內容較為抽象

“半導體物理”是一門理論性很強的學科，其物理概念抽象、公式推導復雜、涵蓋知識面廣，需要量子力學、固體物理、材料化學等先修學科的理論知識儲備。[1]此外，相關專業所學課程較多，而一些課程的學時較少，導致學生沒有足夠的時間去消化吸收，教師也沒有足夠的時間去詳細地展開講授，這也加大了“半導體物理”教學的難度。[2]在傳統教學中，教師往往側重理論計算與公式推導，課程內容抽象，教學缺乏吸引力，因此部分學生感覺學習吃力，難以理解，進而導致學習態度消極，缺乏自主學習的動力。此外，半導體技術更新迅速，新的科研成果不斷涌現，導致學科交叉更加深入，而教師難以在課上時間覆蓋所有的知識內容，需要學生在課下主動學習、探索相關的知識。因此，如何激發學生主動學習的積極性就顯得尤為重要。[3]

（二）教學方式單一，學生缺乏積極性

“半導體物理”因其課程特性，目前絕大多數高校仍采用傳統的教學方式，即以教師講授為主，學生在課堂上的參與度不高，形式上仍以“填鴨式”為主。這種教學方式既不利于教師的教，也不利于學生的學。教師在上課過程中得不到反饋，學生也缺乏參與感，容易產生抵觸心理，最終導致教學效果較差。而且在現行考核模式下，教師沒有改變教學方式的動力，學生更多關注的是成績及績點。[4]

（三）教材的選擇不夠合理

目前國內多數高校采用的《半導體物理》教材是劉恩科、羅晉生主編的，該教材較為全面地論述了半導體物理的相關基礎理論，包括半導體的晶體結構、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布及運動規律、p-n結、異質結、表面態等問題。但該教材對于基礎薄弱的學生來說，難度較高，部分重難點內容難以理解吸收。[5]而國外教材雖然相對來說更為適用，但因學生英語水平參差不齊，對英文原版教材的接受度不高，反而會增加學生學習的難度，進一步降低學生的積極性。[6]

（四）教學與科研、工程應用缺乏聯系

“半導體物理”教學往往側重于理論知識的學習，學生進行相關課程實驗或日常實踐操作的機會非常少，缺少實驗來驗證物理過程的環節，導致學生對抽象物理概念的理解不深刻;缺乏實驗驗證和模擬訓練的基礎環節，導致學生無法把理論知識運用到科研實踐中。“半導體物理”課程因其本身以理論分析為主的特點，學生在上課過程中較少有機會進行實驗操作，而半導體物理的后續課程均與工程實際有較密切的聯系，這就造成理論與工程實際脫節，不利于培養學生解決實際工程問題的能力。目前大多數高校的實驗條件達不到正常教學的要求，這給“半導體物理”教學改革帶來了困難。動手能力是科研人才必不可少的技能，局限于理論知識，也不利于學生提高自身的創新能力。學生往往只注重對“半導體物理”理論知識的學習，而動手能力差。實驗環節的缺乏，不能把理論與實際有效結合，使理論知識與實踐操作相背離。