“半導體物理”課程改革與人才培養

萬逸 胡婷 崔冬

[摘 要] 在當前國際環境和全球新冠肺炎疫情的形勢下，積極推動我國科技前沿和關鍵技術領域的高層次人才培養已迫在眉睫。作為高校教師，如何依照指導思想，為國家培養并輸送優秀人才，是值得關注的問題。針對“半導體物理”系列課程的課程設計及教學實踐中存在的主要問題，可以通過優化教學內容、豐富教學手段、關聯科技前沿、推動校企合作等途徑，激發學生的學習興趣，提高課堂的教學效果，以期為“半導體物理”系列課程思想政治建設、教學改革，以及國內半導體產業人才培養提供新的思路。

[關鍵詞] 半導體物理;課程建設;人才培養;產教融合

[基金項目] 2020年度國家自然科學基金“金屬相過渡金屬硫族化合物的磁電耦合效應研究”（12004182）;2020年度江蘇省自然科學基金“二維鐵電范德華異質界面的能帶調控與器件集成”（BK20200481）

[作者簡介] 萬 逸（1991—），女，江蘇揚州人，博士，南京理工大學理學院講師，主要從事二維功能半導體材料與器件研究;

胡 婷（1989—），女，江蘇南京人，博士，南京理工大學理學院副教授，主要從事低維凝聚態物理和材料設計研究;

崔 冬（1988—），男，安徽安慶人，博士，南京理工大學理學院講師，主要從事多孔材料微結構表征研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）39-0079-05? ? [收稿日期] 2021-05-19

一、引言

2021年是我國國民經濟和社會發展“十四五”規劃綱要實施的開局之年，集成電路行業作為規劃綱要的重點發展方向之一，必將成為各地爭相發展的新標地。作為全球集成電路產業增速最快、市場需求最大、國際貿易最活躍的地區之一，中國在全球供應鏈安全及集成電路產業發展方面，發揮著日漸顯著的積極作用。隨著新冠肺炎疫情在全球的蔓延，國際環境劇變，全球產業鏈環節重塑，雖然形勢嚴峻，但也為中國企業融入全球半導體產業鏈提供了新契機。

受國外技術性貿易壁壘的影響，中國的先進科技企業與高精尖科技領域正面臨著“卡脖子”的難題。國內半導體行業面臨諸多挑戰，產業鏈各個環節強弱分明，其中人才短缺是最大短板。根據中國《集成電路產業人才白皮書》顯示，到2022年，國內的集成電路專業人才缺口將達到25萬，并且存在結構性失衡的問題[1]。怎樣培養半導體產業的專業人才，如何留住優秀人才呢？針對此類亟須解決的問題，教育部于2020年始推行“強基計劃”，于部分高校開展招生改革試點，發揮數學、物理、化學、生物等基礎學科的支撐引領作用，聚焦高端芯片與軟件、智能科技、先進制造和國家安全等關鍵領域的人才培養，遴選有意愿服務于國家重大戰略需求的優秀學生。2020年7月，國務院學位委員會會議通過提案：集成電路將作為一級學科，從電子科學與技術中獨立出來。

為了響應國家號召，國內高校紛紛行動起來。2019年8月，中國科學院大學啟動“一生一芯”計劃，嘗試縮短從理論學習到正式投入科研與產業一線的人才培養周期，并于2020年7月公布了首期“一生一芯”計劃成果：5位本科生主導完成了一款64位RISC-V處理器片上系統的設計及制造。中國首個專門為培養芯片人才而設立的“南京集成電路大學”于2020年10月正式成立，緊密圍繞芯片產業的發展方向培養人才，進一步擴大我國芯片產業人才培養規模。2021年4月，清華大學官宣成立集成電路學院，瞄準國內芯片產業面臨的“卡脖子”難題，采用交叉培養方式，深化校企合作，著力培養半導體產業鏈各個環節所需的人才。半導體芯片產業是典型的人才、技術和資本密集型行業，其發展離不開政府、企業、研究所和高校的通力合作。為從根本上解決國內半導體領域人才稀缺的困境，對于高校而言，更應盡早將半導體產業的人才培養提上日程。

二、“半導體物理”系列課程的教學現狀及主要不足

南京理工大學應用物理專業是以物理學科為基礎，與光學工程、電子信息和材料、材料科學與工程等學科有機融合而形成的交叉型專業;服務于國家重大戰略發展需求，以半導體物理與器件為本科培養方向;致力于培養具有扎實的半導體理論基礎和突出創新能力，能運用所學知識解決實際工程問題的應用型半導體產業人才。

該專業設立的“半導體物理”系列課程，涵蓋了半導體物理基礎、半導體理論研究工具基礎、半導體納米技術基礎、半導體實驗基礎、半導體器件原理、半導體能源材料、半導體制造及工藝等。結合教材特質與實踐反饋，對“半導體物理”系列課程教學實踐過程中存在的主要不足與改進方向歸納如下。

（一）知識點繁雜，公式推導多，學習興趣不高

半導體物理主要研究半導體材料中的載流子狀態，以及各類型半導體器件結構中的載流子運動行為[2]。課程內容冗雜，易混淆知識點繁多，要求學生具備量子力學、固體物理學，以及熱力學與統計物理等多門先導課程的理論基礎。與中小學教育不同，高校課程設置的連貫性與銜接性相對較弱，學生對于先修知識的掌握欠佳且深度不足，特別是對關鍵知識點的遺忘會極大降低學習效能，削減學習熱情。此外，由于半導體物理的結構分析難以精準量化，通常需要運用理論建模的方法進行闡釋，這就涉及大量的簡化近似和繁雜的公式推導，學生在聽課時常常覺得枯燥，學習興趣不高，學習效果不佳。因此，如何在課程安排上預先進行相關基礎知識的鋪墊，正確權重物理模型建立與數學公式推導之間的關系，使學生能夠充分理解課程內容，把握課程重點和難點，避免學生因課程深奧晦澀而產生對于新知識吸納的抵觸心理，這是當前“半導體物理”教學改革的一大難點。

（二）教學模式固化，實驗環節缺失，應用效果欠佳

加強“半導體物理”系列課程中實驗環節的教學內容，有助于學生對理論知識的充分理解與牢固掌握，有益于學生操作能力的提升[3]，對于個人實踐能力的提高也具有積極作用。縱觀國內“半導體物理”的教學現狀，課程的講授方式比較單一，主要是采用以教師講授為主的方式，往往忽視了對學生運用所學知識解決實際問題能力的培養。而半導體實驗教學環節多為基礎內容，實驗儀器簡易甚至陳舊，無法滿足當代科學研究的需求。因此，如何通過實驗教學輔助理論學習，使得學生能夠理論聯系實際，不再局限于理論知識的獲取，而是靈活運用所見所學，這是當前“半導體物理”教學的又一難點。