科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式用于半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)改革

趙江

摘 要 半導(dǎo)體物理的知識點相對煩瑣且內(nèi)容抽象，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法已無法滿足學(xué)生的需求，以科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式為半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)改革提供了全新的思路。科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式注重將科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)“教學(xué)與研究”的一體化，該模式充分利用半導(dǎo)體物理課程中的基礎(chǔ)知識和新興科研工具，旨在培養(yǎng)學(xué)生的主動性、獨立思考能力、科研能力和創(chuàng)新意識。這種科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式針對半導(dǎo)體物理教學(xué)內(nèi)容給出了具體優(yōu)化措施，通過讓學(xué)生參與科研實踐，既能滿足學(xué)生更好地理解半導(dǎo)體物理課程的重要概念和原理，掌握課堂知識，取得非常好的教學(xué)效果，又能夠帶給他們前沿知識，激發(fā)他們的學(xué)術(shù)興趣和創(chuàng)新潛力，為未來從事半導(dǎo)體物理學(xué)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新打下堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體物理;科研導(dǎo)向;反哺教學(xué);科研工具;教學(xué)改革

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中提到推動科研反哺教學(xué)，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，以高水平科學(xué)研究提高學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力，旨在將科研與教學(xué)更加有機(jī)地結(jié)合起來，促進(jìn)學(xué)生深入?yún)⑴c科學(xué)研究，通過推動科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式，提升本科教育的質(zhì)量和水平[1，2]。我院微電子科學(xué)與工程專業(yè)作為國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，是推動學(xué)校“雙一流”建設(shè)的重要措施之一。一流本科專業(yè)教育需要從課程設(shè)置、教學(xué)質(zhì)量、實踐教學(xué)等多個方面入手，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教育資源和全面的發(fā)展機(jī)會，培養(yǎng)具有科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的高級復(fù)合型人才[3]。半導(dǎo)體物理作為微電子科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，涉及多個學(xué)科的交叉，包括量子力學(xué)、固體物理、電子學(xué)等，需要掌握較多的概念和理論，使得半導(dǎo)體物理的知識點相對煩瑣且內(nèi)容抽象，于初學(xué)者來說可能較為晦澀難懂。

1 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)的缺陷

1） 理論與實踐脫節(jié)

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程通常過于注重理論知識的傳授，而忽視了實際應(yīng)用和實驗的重要性。學(xué)生可能只是被灌輸了大量的物理概念、理論和公式，但很難將其與實際情況聯(lián)系起來。

2） 缺乏互動與實踐機(jī)會

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理教學(xué)以教師為中心，學(xué)生主要是被動接受知識。缺乏互動與實踐機(jī)會限制了學(xué)生的參與度和思維能力的培養(yǎng)。

3） 更新速度較慢

半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展，新材料、新器件和新工藝層出不窮，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程內(nèi)容更新滯后，無法及時跟上最新的研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)需求。

4） 缺乏系統(tǒng)性和綜合性

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程通常分散地介紹半導(dǎo)體物理的各個方面，并缺乏將這些方面進(jìn)行有機(jī)結(jié)合和系統(tǒng)性講解的能力。

5） 缺乏實際應(yīng)用導(dǎo)向

半導(dǎo)體物理課程應(yīng)該更加注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，如器件設(shè)計、性能優(yōu)化和制造工藝等方面的能力，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程對此的關(guān)注度不足，通常忽略了最新的科研成果和應(yīng)用前景，不利于學(xué)生拓展視野和提升個人能力。

2 以科研為導(dǎo)向的半導(dǎo)體物理課教學(xué)探索

針對傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)的不足，筆者結(jié)合近年來的科研經(jīng)歷，以科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)，探索半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革，來滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和未來科研領(lǐng)域的需求。

2.1 注重理論計算

半導(dǎo)體物理課程的理論知識是非常重要的，它是做好實驗和解決問題的基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，我們可以注重理論的建立，通過物理模型的分析和計算，讓學(xué)生深入理解半導(dǎo)體物理學(xué)的基本概念和性質(zhì)。例如，半導(dǎo)體物理學(xué)中的禁帶寬度是一個重要的參數(shù)，它決定了半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性和應(yīng)用性能。在教學(xué)中，我們通過成熟而強大的量子力學(xué)開源軟件QUANTUM ESPRESSO[4]，準(zhǔn)確地計算Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化鎵半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、狀態(tài)密度等物理量。圖1 是開源軟件QUANTUMESPRESSO 構(gòu)建的砷化鎵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，通過計算得到砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度分布，如圖2所示。

通過軟件QUANTUM ESPRESSO 構(gòu)建砷化鎵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，可以在半導(dǎo)體物理課程方面獲得以下收獲：

（1） 晶體結(jié)構(gòu)理解。通過構(gòu)建砷化鎵晶體的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以深入理解晶體的空間排列、晶胞參數(shù)的設(shè)置和原子間的相互作用。了解原子的空間排列和晶格結(jié)構(gòu)對半導(dǎo)體的性質(zhì)有重要影響。

（2） 能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度。通過分析砷化鎵晶體的能帶結(jié)構(gòu)，可以探索半導(dǎo)體材料的能級分布和能帶間隙，學(xué)生可以通過研究能帶圖、能帶邊緣以及禁帶寬度等參數(shù)，深入理解半導(dǎo)體材料禁帶寬度的概念以及能帶理論的基本原理。同時，通過計算砷化鎵晶體的狀態(tài)密度，學(xué)生還可以理解能量與態(tài)密度之間的關(guān)系，有助于理解材料的導(dǎo)電性和禁帶寬度等關(guān)鍵特性。

（3） 缺陷和雜質(zhì)效應(yīng)。通過軟件構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)時引入缺陷或雜質(zhì)原子，可以研究和模擬雜質(zhì)、缺陷對半導(dǎo)體性能的影響。例如，可以探索摻雜引入的額外能級、缺陷態(tài)的形成以及它們對能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度的影響。

（4） 計算方法和工具。使用QUANTUM ESPRESSO這樣的計算軟件，學(xué)生能夠熟悉量子力學(xué)計算的基本原理和方法，了解計算模型和數(shù)值計算技術(shù)的應(yīng)用，以及如何解釋和分析計算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上可以拓展到其他半導(dǎo)體材料的計算。

綜上所述，使用開源軟件QUANTUM ESPRESSO計算半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，反哺教學(xué)有利于科研與教學(xué)之間的互動和交流，可以增強學(xué)生對半導(dǎo)體物理相關(guān)知識點的理解和掌握，也為半導(dǎo)體物理學(xué)科學(xué)研究提供了新的思路和工具。

2.2 重視實踐操作

半導(dǎo)體物理課程中，實踐操作是非常重要的組成部分。為了讓學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，我們可以引入一些實驗仿真項目，如太陽能電池的核心結(jié)構(gòu)pn結(jié)的電流電壓（I-V ）特性測量等。這些實驗仿真可以讓學(xué)生親身體驗半導(dǎo)體器件的性能，掌握實驗仿真操作技巧和數(shù)據(jù)處理方法。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)開發(fā)的開源太陽能電池建模程序PC1D 可以對基于硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體的太陽能電池的關(guān)鍵因素進(jìn)行建模和仿真[5]。PC1D 可以通過改變參數(shù)如體內(nèi)摻雜水平、溫度、發(fā)射極摻雜濃度變化、背面場和載流子壽命等來可視化太陽能電池的性能，并以圖形格式提供太陽能電池器件的性能，如能帶、載流子遷移率、I-V 曲線等。筆者在教學(xué)中使用PC1D模擬硅太陽能電池。首先，需要在PC1D 程序中建立所需的硅太陽能電池pn結(jié)器件結(jié)構(gòu)模型，圖3給出了PC1D構(gòu)建的硅太陽能電池模型的原理圖;其次，對器件的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，表1給出了PC1D程序中太陽能電池所涉及的材料和工藝參數(shù)具體數(shù)值;最后，在完成上述設(shè)置后，可以運行PC1D進(jìn)行模擬計算。PC1D 將使用數(shù)值方法求解連續(xù)性方程等，得到pn結(jié)的能帶曲線、載流子濃度分布、載流子產(chǎn)生與復(fù)合曲線、擴(kuò)散長度、I-V 特性曲線等信息，如圖4所示。

通過PC1D程序仿真硅太陽能電池pn結(jié)，可以在半導(dǎo)體物理課程方面獲得以下收獲：

（1） pn結(jié)形成和原理。通過PC1D 仿真，學(xué)生可以了解pn結(jié)形成的基本原理。可以觀察p型和n型硅材料的分布，以及隨著摻雜濃度的變化，pn結(jié)的形成過程。

（2） 太陽能電池結(jié)構(gòu)。通過PC1D仿真，可以深入了解典型硅太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理。學(xué)生可以理解pn結(jié)、p型和n型硅材料的特性，以及光生載流子的產(chǎn)生和漂移過程。

（3） 光伏效應(yīng)。通過PC1D仿真，可以研究太陽能電池在光照條件下的行為，包括光吸收、載流子產(chǎn)生和分離。學(xué)生可以探索不同波長和強度的光對電池性能的影響，以及優(yōu)化光吸收層的厚度和摻雜濃度等因素。

（4） 載流子的產(chǎn)生和漂移。通過PC1D仿真，學(xué)生可以觀察到光吸收時如何產(chǎn)生電子空穴對，理解載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程，并了解載流子在pn結(jié)中的漂移過程。

（5） I-V 特性。PC1D 仿真可以提供太陽能電池的I-V 特性曲線。學(xué)生可以分析曲線的形狀和特征，如開路電壓、短路電流、填充因子等。這有助于理解太陽能電池的性能參數(shù)以及優(yōu)化設(shè)計的方法。

（6） 輸入?yún)?shù)的影響。學(xué)生可以使用PC1D仿真中的不同參數(shù)，如摻雜濃度、載流子遷移率等，從仿真中獲得直觀的視覺效果，加深這些輸入?yún)?shù)對pn結(jié)形成、載流子產(chǎn)生和漂移等基本原理、pn結(jié)導(dǎo)電性和電流電壓特性之間的關(guān)系。

綜上所述，通過PC1D 仿真硅太陽能電池pn結(jié)等內(nèi)容，學(xué)生可以將半導(dǎo)體物理課程中的理論知識應(yīng)用于實際的電池設(shè)計和性能優(yōu)化中，反哺教學(xué)有助于加深對半導(dǎo)體物理原理的理解，并培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作意識。

2.3 引入前沿研究

半導(dǎo)體物理作為一個高科技領(lǐng)域，其研究前沿也在不斷推進(jìn)。引入前沿研究來啟發(fā)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力，加深對半導(dǎo)體物理學(xué)的理解和應(yīng)用，是培養(yǎng)學(xué)生科研能力的重要環(huán)節(jié)[6]。筆者認(rèn)為可以通過以下幾種方式引入前沿研究：

（1） 研究論文討論。利用課堂空余時間，組織研究論文討論會，讓學(xué)生閱讀并分析最新的前沿論文。學(xué)生可以分享自己對文獻(xiàn)的理解、提出問題，并進(jìn)行深入的討論和辯論。這樣的活動有助于學(xué)生掌握科學(xué)寫作和批判性思維的技巧，激發(fā)他們在前沿研究領(lǐng)域的創(chuàng)新思維。

（2） 科研實習(xí)和交流。鼓勵學(xué)生積極參與老師的科研項目，讓學(xué)生接觸到真實的前沿研究項目，并與老師交流和合作，提升他們的實踐能力和創(chuàng)新意識。

（3） 科研競賽和會議。鼓勵學(xué)生參加各種學(xué)科競賽和線上學(xué)術(shù)會議，積極與其他研究者交流。這樣的經(jīng)歷可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和競爭意識，同時也可以擴(kuò)展他們的視野，了解更廣泛的前沿研究領(lǐng)域。

通過引入前沿研究，學(xué)生可以接觸到最新的半導(dǎo)體領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展動態(tài)，激發(fā)他們的學(xué)術(shù)興趣和創(chuàng)新意識。

3 科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式的優(yōu)點

1） 培養(yǎng)積極的學(xué)術(shù)態(tài)度

科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式，有助于學(xué)生形成積極的學(xué)術(shù)學(xué)習(xí)態(tài)度和行為習(xí)慣，提高科研意識和獨立思考能力。通過科研實踐探究，學(xué)生能夠更好的理解和掌握半導(dǎo)體物理學(xué)科，同時也能加深對于學(xué)科研究的理解和認(rèn)識，提高學(xué)生的實踐能力，從而有助于學(xué)生樹立對于半導(dǎo)體知識的熱愛、對于未知領(lǐng)域的好奇心以及對于持續(xù)學(xué)習(xí)的信心。

2） 加強學(xué)生思考能力

科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教學(xué)模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生針對問題的觀察、分析、把握、解決及提出新問題的能力[7]，尤其是在實踐環(huán)節(jié)中，通過多方面的探究及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，從而加深學(xué)生對于學(xué)科及專業(yè)領(lǐng)域的熟悉程度，并能在實踐中加強學(xué)科知識的聯(lián)系和整合。

3） 加強學(xué)生團(tuán)隊合作意識

在科研為導(dǎo)向教學(xué)模式中需要進(jìn)行大量的跨學(xué)科合作，涉及到很多不同的學(xué)科知識。通過與同學(xué)們的合作，學(xué)生在實踐中能夠真正實現(xiàn)知識的整合和交流。這也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作意識、溝通能力、領(lǐng)導(dǎo)能力以及決策能力等。

4 科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式的反饋

教學(xué)改革是一個動態(tài)過程，需要持續(xù)地進(jìn)行反饋和改進(jìn)，學(xué)生期末總評成績可以作為評估教學(xué)改革效果的依據(jù)之一。期末總評成績由平時成績（40%）和期末考試成績（60%）組成，其中平時成績從上課出勤率、上課回答問題、作業(yè)完成情圖5 近三年半導(dǎo)體物理期末總評成績分布圖（a） 總評成績; （b） 平時成績; （c） 期末成績況、科研分組討論等幾方面進(jìn)行考核，期末考試成績來自閉卷考試的分?jǐn)?shù)。考試試卷緊扣教學(xué)大綱，題型涉及半導(dǎo)體物理專業(yè)名詞解釋、簡答、畫圖分析和計算分析，難度中等，且每年基本保持一致，具有較好區(qū)分度。圖5給出了近三年半導(dǎo)體物理期末總評成績分布圖。經(jīng)過對比分析可知，近三年來，80分以上的學(xué)生在總評成績和期末成績中所占比例逐漸增加，而60分以下的學(xué)生在期末成績中的比例逐漸減少。同時，近三年總評成績和期末成績的平均分也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢。這表明科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教學(xué)方法能夠使得學(xué)生更好的理解和掌握半導(dǎo)體物理基本知識，并應(yīng)用于解決較為復(fù)雜的問題。由于筆者從2021—2022學(xué)年才開始初步探索科研為導(dǎo)向的半導(dǎo)體物理課教學(xué)改革，并將科研過程用于平時作業(yè)，學(xué)生剛開始不太適應(yīng)（因疫情改為線上教學(xué)），導(dǎo)致這一學(xué)年平時成績平均分略低于其他兩個學(xué)年。全面實施科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的模式后，2022—2023學(xué)年，由于學(xué)校加大了大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃（STITP）立項的資助強度，多數(shù)學(xué)生能夠參與到老師的科研項目中，這一舉措客觀上促進(jìn)了科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的開展，學(xué)生基本上適應(yīng)這種模式，平時成績也隨之增長。這些結(jié)果表明，科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教學(xué)模式取得了非常好的教學(xué)效果。

此外，半導(dǎo)體物理課程的科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式，也從側(cè)面影響了學(xué)生參與科研的熱情。我院微電子科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、學(xué)科競賽和發(fā)表論文方面取得了優(yōu)異成績，獲獎數(shù)量、層次以及學(xué)生覆蓋度顯著提升。據(jù)不完全統(tǒng)計，近兩年來，在省級以上各類學(xué)科競賽獲獎90余項、獲批校級及以上大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃批準(zhǔn)立項60余項;近百人次學(xué)生積極參與了各類學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃;十幾人次發(fā)表學(xué)術(shù)論文。學(xué)生創(chuàng)新水平、獲獎層次和論文檔次明顯提高，成績斐然。

5 結(jié)語

總之，科研為導(dǎo)向反哺教學(xué)的教育模式將教學(xué)與研究有機(jī)結(jié)合，充分利用半導(dǎo)體物理課程中的基礎(chǔ)知識和新興技術(shù)工具，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、探究和問題分析能力，使他們熟練掌握課程內(nèi)容，并參與科研實踐活動，為實踐提供創(chuàng)新思路，為研究提供科學(xué)實踐經(jīng)驗。這種教育模式強調(diào)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)探究思維、鼓勵創(chuàng)新創(chuàng)造和培養(yǎng)社會責(zé)任感，不僅注重知識的學(xué)習(xí)和掌握，更是一種新的人才培養(yǎng)方式。學(xué)生在這個過程中扮演主角的角色，通過科研實踐能夠更好地掌握課堂知識，并在探究和實踐中積極思考、克服困難、發(fā)現(xiàn)問題、提出新解決方案，并通過實踐驗證這些方案的可行性。

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