“中美貿易摩擦”背景下微電子專業“半導體物理學”的教學改革初探

程立文

(揚州大學物理科學與技術學院 江蘇 揚州 225002)

1 引言

以智能制造為主的第四次工業革命推動了半導體行業的迅速發展，萬物互聯，新興技術也在不斷發展.半導體行業中，芯片被稱為國家的“工業糧食”.我國科技創新技術正在不斷發展，科研生產水平日益提高，集成電路產業也成為我國重點戰略新興產業.為限制我國半導體行業技術的發展，以美國為首的歐美國家對我國進行了貿易制裁.通過對以華為、中興為代表的中方企業采取設備禁售,人才、技術、市場封鎖等手段來制約中國半導體行業的發展.由于我國芯片技術相對國外還存在一定的差距，貿易爭端事件之后導致我國集成電路產業發展延緩，遭遇“掐脖子”技術難題.此次摩擦使我國意識到自主掌握芯片核心技術的重要性，也同時進一步堅定了通過創新驅動自主研發芯片的決心和目標.只有建立芯片完整的產業鏈，各環節的自主可控，芯片實現國產化才能擺脫“卡脖子”的局面，因此對芯片產業的研究具有重大的戰略意義.為了爭奪半導體行業的主動權，需要培養大量本土的集成電路專業人才，這就需要高校更加注重對于微電子專業的培養.微電子專業培養的人才需要具有理論結合實際的能力，既要學好理論知識，同時也要掌握實際操作中工程應用能力，從而推動我國盡快攻克芯片技術難關，避免外國在人才資源上限制我國半導體行業發展.

半導體物理學作為微電子專業的基礎核心課程之一，是掌握集成電路知識的基礎課程，主要對半導體中的物理現象進行系統介紹，詳細解釋半導體器件原理[1].該課程物理概念抽象，對 “高等數學”“量子力學”“固體物理”等數理基礎知識要求較高，課程有一定難度，使得課堂效果難以得到保證；另一方面受當前新冠疫情的影響，為了規避線下授課給抗疫帶來的風險，線上教學被普遍認可和采用，在取得一定教學效果的同時，也存在一些不足[2].如線上教學缺乏線下教學面對面的優勢，可能導致學生與教師互動性不夠等.雖然目前疫情已經得到控制，線下教學重新恢復，但由于線上教學的獨有特定，在空間和時間上相對于線下教學要求較少，線上教學已經成為線下教學的一種有效補充，逐漸被師生所接受.

針對目前這種現象，同時結合自身教學經驗，提出對半導體物理學教學改革的思考與建議，尤其注重新冠疫情后期對半導體物理學“線上+線下”混合教學模式的探討[3].

2 半導體物理教學內容的改革

2.1 半導體物理學課程的改革

揚州大學微電子專業“半導體物理學”課程選用的教材是《半導體物理學》[4]，該書是由電子工業出版社出版，劉恩科等人編寫.教材的知識結構完善，理論推導嚴謹有序，學科交叉性大.學習這門課程之前，需要學生們有高等數學”“量子力學”“固體物理”等數理基礎知識.學生如果沒有這些前導知識的積累，就會出現“學生聽課難，老師授課難”的現象，導致學生學習積極性不高，還會加深對工科生“重實踐輕理論”的錯誤觀念.據統計擁有微電子專業的大部分院校中半導體物理學的前置基礎課程并不齊全，許多學校已經取消了量子力學、統計物理等課程.

因此在教學之前，教師需要清楚自己學院微電子專業開設的所有課程是否齊全，充分了解學生的基礎知識，合理增減教學內容.教學內容主要集中于前9章內容.教學內容主要集中于半導體的基礎知識教學，如電子、載流子、非平衡載流子、PN結的原理及特性，在教學過程中盡量避免復雜難懂的推理過程，在此基礎上結合學生學習情況選擇教學.

例如教學中第一章“半導體”中前四小節視學生是否學習過固體物理學中的能帶論來安排，如果沒有這些基礎可以拿出半節課單獨補充能帶論的知識或者其他前置知識，平時講述新知識時可以多穿插固體物理、量子力學的理論，公式推導一步步向學生展示.涉及復雜的玻爾茲曼函數推導等這類公式，對于微電子專業的學生可以提及但不用細講，教學重點放在掌握實際應用能力的培養上，不必過深地研究復雜機理，適當刪減這類詳細的教學內容將課時時間用在側重點上.

第九章之后剩下4章的內容是研究光學性質和發光現象、非晶態半導體等，一般不作要求.但我國芯片核心技術的研發需要一個長期的周期發展，芯片研制的各環節困難眾多.其中就芯片的功率而言，隨著性能的不斷提升，功率也隨之提高，這就意味著需要更高性能的散熱和冷卻，如何做出一種微小、高效且散熱性能優異的芯片結構才是現在芯片封裝技術人員所面臨的難題，而微電子器件的封裝應用研究進展較為緩慢，通過對半導體熱電性質的研究，能促進培養本土集成電路芯片封裝的人才，應當把第十一章“半導體熱電性質”的內容作為半導體物理學的必修章節.

2.2 半導體物理實驗的改革

半導體物理學的實驗課程基于由淺入深的原則，將書上的實驗分為兩部分：基礎實驗和創新實驗，半導體物理實驗總計32課時.

2.2.1 基礎實驗

主要是以半導體基礎結構來展開實驗，包括其晶體結構、電子結構、光學特性以及載流子的輸運特性和MOS結構的實驗來鞏固學生理論知識.基礎實驗項目總計24課時，具體安排如表1所示.

表1 基礎實驗項目安排

通過這6個基礎實驗，學生能夠在基礎理論知識上結合實驗，從單一的書本知識到動手實驗，具備了一定的研究基礎.因此,在基礎實驗上增添創新實驗.

2.2.2 創新實驗

結合理論知識以及基礎實驗的學習，學生們分成各小組按照自己的研究興趣展開調研、實驗、寫小論文的方式完成，總共8課時.這種創新實驗目的在于激發學生的科研興趣，鼓勵學生積極調研文獻，參與討論.這樣有助于今后在從事相關行業時能夠得心應手.

3 線上線下混合教育模式 教學形象化

因為新冠疫情防控的原因，各地高校開學推遲甚至取消開學，教育部部署停課不停學措施，為了響應號召，一種不同于傳統的教學形式，“線上教學”應運而生.線上教學雖然幫助我們規避了線下接觸帶來的風險，但這種新的教學方式也漸漸展露出弊端.

3.1 對比線上教學和線下教學

根據線上教學一年多的活動總結，線上教學的優勢能解決線下教學時場地和生源流動問題，不用在乎時間和空間的約束.線上教學同時也存在一些缺點，線上教學過程中教師無法及時監督學生學習狀態，導致課堂效果不佳.而傳統的教學模式(線下)的優勢就是能有效地監督學生們的學習情況，學生們的反應也能及時地反饋給教師進行互動，其缺點就是課堂時間有限、講述內容多、學生們很難消化完.

綜合以上優缺點來說，對于半導體物理學這門物理概念抽象、涉及復雜物理模型、內容深奧、知識點繁多的課程，我們可以采用“線上+線下”混合教學的模式，利用這兩者的互補性，合理地安排時間和空間資源.教師將教學內容細分，然后再整合到不同的教學模式里，各取所需.這樣既能幫助學生們有計劃地學習這門課程，也能便于教師的教學工作.

3.2 “線上+線下”的具體創新措施

在教學過程之前，以在線開放課程為輔[5].通過學校的教育平臺或者網絡學習的平臺讓學生有一個預學習階段，然后完成每章節的線上單元檢測，最后要求學生能自主構建每章節的知識點，這樣能夠做到以學生為中心，提升學生的學習自主性[6].線上教學過程中應當防止學生不自律的情況發生，例如學生刷視頻這類現象，學?？梢圆扇≡谟^看視頻過程中提問、視頻無法快進的方法來改善，將視頻中的問題得分算入期末考核成績，用來考查學生是否認真觀看教學視頻.線上的課程不需要解釋書中深奧難懂的知識點，其內容要求能簡單形象地讓同學們理解書中的復雜物理模型，形式不限(動態示意圖、視頻等)，使學生直觀感受器件的工作過程，然后自己總結此過程涉及的原理.還可以搭建微信公眾號平臺，用作補充微電子行業的實時前沿信息，半導體物理學的知識也就可以得到不斷更新，這樣不僅解決了書本上內容滯后的問題，而且也為設計創新實驗提供新途徑和新思路，充分調動了學生們的熱情.

然后再結合線下教學，利用PPT或者科研工具等方法協助教師講述理論知識.半導體物理學絕大多數講述的是一個微觀世界的物理現象，學生無法理解，課堂氣氛枯燥.教師可以將物理現象用宏觀事物比喻分析，從而提升課堂的活躍氣氛；然后結合半導體物理實驗來驗證和實踐原理，鞏固對知識點的理解.另外，教師可以將微電子專業近些年發生的熱點事件分成若干專題給每一位學生，讓學生負責查詢資料和調研，利用小部分課堂時間讓同學分別講述自己的專題，提出疑問，老師協同解答，大家共享信息.這樣不僅能夠活躍氣氛，還能讓每個人積極參與其中，彼此交流匯報內容，在學生的潛意識里加深對半導體物理學的認識.

工科生的線下教學既要重視理論也要重視實踐，但大學里的實驗室和設備很難滿足微電子工藝的要求，能擁有芯片生產線的學校更是鳳毛麟角，學生就算有想法也沒有平臺去實現.因此，高校的微電子專業需要和當地的半導體企業多交流合作，建立校企合作關系.一來學生能借用企業的技術資源，可以實地去企業車間里學習和操作，提升他們的實操技能；二來企業聯合學校培養學生能大大縮減學生與企業之間的磨合期，同時合適的人才也能為企業貢獻自己的力量.

理論結合實踐的過程當中，還可組織學術講座以及學術交流活動，線上線下的形式不限，彼此探討研究領域的新發展，促進高校之間的交流；還可以邀請名校教授或者企業技術人員做技術報告、專題講座，使學生能及時把握微電子領域的技術發展，在學好基礎理論知識的同時把握行業最新動向，今后從事相關行業更加得心應手[7].

“半導體物理學”課程的“線上+線下”混合教學模式，將理論、實踐、行業的前沿信息綜合一起，三者結合能夠提高微電子專業人才的綜合素養[8].

4 結束語

“半導體物理學”作為微電子專業的核心課程之一，其專業性強，需要很多前置課程來鋪墊，同時由于知識理解難度大、交叉學科多等特征，學生學習起來較為吃力.本文結合中美貿易摩擦局勢和國內新冠疫情的情況，提出了對半導體物理學合理增減教學內容的改革措施，制定具有微電子專業針對性的教學計劃；引入“線上+線下”混合的教學模式，多元化線上教學手段能極大地提升教學效率和培養興趣，線下的教學既要重視理論基礎也要重視實踐，搭建校企合作平臺為學生鍛煉實踐能力，不僅能夠讓學生了解到最新的行業前沿信息，聯系產業實際應用，還能使學生深刻理解課上的知識點.這門課程中認真學習并通過考核的學生，一定會對學習半導體物理的基本原理和方法有清晰的認識，后續學習微電子工藝、激光原理、封裝技術等課程將很容易上手.

由于自身的教學水平和經驗限制，對于本課程的建議可能不太成熟，在今后的教學工作中，將會對上述措施逐步完善和改進，促進“半導體物理學”課程的教學效果不斷提高.