課堂教學改革中的“反哺”機制探索與實踐

［摘 要］ 近年來，隨著人工智能、物聯網、自動駕駛等新經濟形態的不斷涌現發展，半導體技術及相關人才培養的重要性引起人們的廣泛關注?！鞍雽w器件物理”是半導體科學和工程人才培養的核心課程，如何建立理論與實際、傳統與創新、基礎與前沿相結合的紐帶顯得愈發迫切。針對此，在日常課堂教學中建立了科研對教學、學生對教師、個人對國家的“反哺”路徑，逐步實現了以學生為中心的“重基礎與前沿、科教相得益彰”的全新教學模式，有效推動了教學改革的實施，顯著提升了教學質量。該教學改革探索與實踐將為高校人才培養提供重要指導和范例。

［關鍵詞］ 半導體器件物理；“反哺”；教學改革

［基金項目］ 2022年度齊魯工業大學（山東省科學院）人才培養和教學改革項目“‘半導體器件物理’科教融合和學業評價改革的探索與實踐”（齊魯工大魯科院字〔2022〕71號）；2023年度山東省本科教學改革研究面上項目“‘政教、科教、產教’引領下學生評價體系的探索與實踐”（M2023073）

［作者簡介］ 李奎龍（1986—），男，山東萊蕪人，博士，齊魯工業大學（山東省科學院）光電工程國際化學院副教授，主要從事微電子教學與研究；王文佳（1987—），女，山東濟南人，博士，齊魯工業大學（山東省科學院）光電工程國際化學院副教授（通信作者），主要從事大學物理教學與研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）43-0109-04 ［收稿日期］ 2023-10-31

在現代科學技術中，半導體技術是信息技術革命的關鍵推動力，在能源、醫療保健、國防和環保等領域發揮著關鍵作用。半導體技術的不斷進步和創新對社會的進步與發展至關重要。

“中國制造2025”規劃綱要，將半導體產業視為關鍵戰略領域之一。我國的半導體研發投入持續增加，一些企業近年來在研發新技術和新產品方面取得了一系列積極進展。創新領域包括人工智能芯片、自動駕駛技術、物聯網設備和5G通信等。此外，大學和研究機構也積極從事半導體技術的基礎研究，推動成果轉化，為相關技術革新提供動力。在此背景下，半導體方面的專業人才越來越重要，也越來越成為高校人才培養的重點。教育部等七部門發布的《關于加強集成電路人才培養的意見》明確指出，擴大集成電路相關學科專業人才培養規模，鼓勵和支持高校主動對接產業發展需求，結合本校人才培養目標定位，增設集成電路相關學科專業，調整人才培養方向，擴大人才培養規模，培養集成電路產業急需、創新能力強的工程型、技能型人才。同時加強集成電路相關學科專業和院系建設，有關高校要通過招生計劃增量安排和存量調整，積極支持微電子相關學科專業穩步擴大本科、碩士、博士的招生規模［1］。同時，2020年12月，經國務院學位委員會批準，集成電路科學與工程被正式設置為一級學科。高校不僅是培養半導體人才的主要陣地，也是研究半導體技術的重要機構。正因為身兼兩項重要任務，各高校契合國家需要，近兩年紛紛成立微電子相關專業，甚至是微電子學院，致力于培養半導體方面的專業人才。

一、半導體人才培養瓶頸

半導體人才培養領域面臨多重復雜的瓶頸和挑戰，影響著人才培養、職業發展和行業進步。首先，半導體人才須具備高度專業化的知識，包括電子學、半導體物理、材料科學、制造工藝、設計和測試技術等多個領域。為使學生和專業人才掌握這些復雜的知識，課程設置和培訓計劃安排須符合領域的高度專業化要求。其次，微電子技術的快速發展意味著教育和培訓機構須要不斷更新教材和實驗設備，以保持與新技術趨勢的同步，這就涉及高昂的設備和實驗室成本，以進行實際的研究和培訓，同時，建立和維護先進的實驗室需要大量資金，這對于一些教育機構和研究中心來說可能是一個嚴重的挑戰。因此，缺乏充足的資金可能導致人才培養過程受到限制。再次，須更新教育和培訓體系。傳統的教育和培訓體系通常滯后于半導體技術的發展，新技術趨勢和工具通常不會在學術課程中涉及，因此，學生須要通過自主學習、實習和行業培訓來跟上行業的新發展。這對于那些無法輕松獲得培訓資源的人來說是一項挑戰。最后，須進行國際合作和知識共享。半導體領域是一個全球化領域，國際合作和知識共享對于推動技術發展至關重要。然而，由于政治、商業和知識產權等問題，跨國合作可能受到限制，影響到人才培養和知識傳遞。同時，競爭可能會導致出現知識和技術保護的趨勢，限制知識的共享。

綜上所述，半導體技術人才培養需要政府、教育機構、行業和研究機構共同努力，以解決這些問題，進而滿足不斷增長的技術需求，推動創新，并維持競爭力。

二、“半導體器件物理”課程的重要性

“半導體器件物理”課程在半導體科學和工程人才培養領域具有非常重要的地位，深入探討了半導體材料和器件的基本原理及工作機制［2-4］。一方面，“半導體器件物理”課程向學生講授了深厚的半導體基礎知識，包括半導體材料的電子結構、能帶理論、摻雜、載流子行為和半導體器件的電子傳輸原理等，為學生后續半導體科學和工程高級課程及研究工作打下了堅實的基礎。學生通過“半導體器件物理”課程，可以理解各種半導體器件，如二極管、場效應晶體管、光電二極管、激光二極管等的工作原理，有助于學生設計和優化這些器件，以滿足各種電子和光電子應用的需求。另一方面，學生通過學習半導體器件物理，培養了問題解決和創新能力，有助于其應用物理原理來解決現實世界的工程問題，設計新型半導體器件來滿足不斷變化的市場需求。這種創新思維對于半導體產業的競爭來說至關重要。

綜上所述，學習“半導體器件物理”課程不僅能夠奠定堅實的半導體基礎，而且能夠將其應用于工程實踐、創新、問題解決中，滿足半導體行業的需求。這門課程為學生提供了綜合知識和技能掌握的平臺，促使他們在半導體領域取得成功，促進科學和工程的跨學科應用。所以在此背景下，為突破半導體人才培養面臨的瓶頸和困境，通過推動“半導體器件物理”課堂教學改革提高教學質量，培養高質量人才勢在必行。

三、構建“反哺”教育機制的重要性

“雛既壯而能飛兮，乃銜食而反哺”是《初學記·鳥賦》中的一句話，意思是“雛鳥長成，能飛翔，則銜食以還”。將“反哺”應用到教學中，即師生之間的“反向學習”，是逆向社會化的一種表現形式。在新時代背景下，由于教育體制的變革，在教學過程中，學生成了主體，教師成了主導，教師不再是單純的教授，而是進行引導式學習。因此，教學的本質就是師生之間的相互學習、互相促進［5］?！胺床浮睂τ诮虒W的重要性不可忽視，在教育領域具有廣泛的積極影響。例如，一是提供有價值的反饋：“反哺”可以為教師提供學生的反饋和評價，有助于教師了解教學方法、教材的有效性，以及學生的學習體驗。通過學生的反饋，教師可以及時調整和改進教學策略，以更好地滿足學生的需求。二是個性化教育：“反哺”可以幫助教師更好地了解學生的學習需求和興趣。通過與學生互動和對話，教師可以根據學生的背景、學術水平和目標，提供個性化的教育，使教學更有針對性。三是提高學生的參與度：學生的參與和互動對于教學的成功至關重要。通過鼓勵學生“反哺”，可以增加學生的課堂參與度，使他們更積極地參與課堂討論、提出問題和分享想法，有助于創造更有活力和互動的學習環境。四是培養批判性思維：“反哺”可以鼓勵學生思考、分析和評價教學內容。學生的反饋和討論有助于培養其批判性思維及問題解決能力，使他們更具獨立思考和判斷能力。五是建立師生關系：“反哺”有助于建立積極的師生關系，加強師生之間的互動和溝通，建立相互尊重和信任的關系，幫助學生更好地理解和接受教師的指導。

總之，“反哺”對于教學的重要性在于它能夠促進有效互動、引入個性化教育、提高學生的參與度、提升教學質量以及建立良好的師生關系。通過“反哺”，教育可以更好地滿足學生的需求，促進學生的綜合發展，提高教育質量，推動教育創新，這不僅有益于學生個體的成長，也有助于整體社會的進步和發展。所以在課堂教學中，根據課程特點，積極探索“反哺”機制的建立和實施，對推動教學改革，提高教學質量具有重要意義。

四、課堂教學中的“反哺”機制探索與建立

在“半導體器件物理”教學過程中，為了提高教學質量，針對課程特點，我們將從多角度多方面推動課堂“反哺”教學改革，以提高教學質量。

一是科研“反哺”教學。科研“反哺”教學是將教學與研究相融合，教師不僅在教室中傳授知識，還將研究成果、項目經驗和實際案例引入課堂，使學生能夠了解教師在實際研究項目中所面臨的問題，以及他們如何應用學術知識來解決這些問題。半導體器件的發展一日千里，技術更新速度快。由于短溝道效應和量子尺寸效應等，傳統Si基晶體管很難滿足高頻集成電路的要求。因此，基于新原理和新材料，科學家們提出了一系列新的結構和新的工藝技術。但是，目前的“半導體器件物理”課程還停留在傳統的Si基器件講授上，遠遠落后于時代發展。為此，應積極將新科研成果轉化為課堂教學資料，以此更新優化知識架構。例如，將目前Si基先進制程鰭式場效應晶體管（FinFET）和國家政策重點支持發展的化合物半導體器件GaAs基異質結雙極晶體管（HBT）、GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）、SiC基功率器件以及新興的基于二維材料的神經形態器件等引入課堂教學，擴展知識的廣度和深度。教師的研究成果和實際案例用于課程示例，能使抽象概念更具體，學習更有深度，便于學生了解知識在實際中的應用，使他們更容易理解和吸收相關知識。同時，在教學中融入國家的產業政策導向和行業發展趨勢。一方面，讓學生及時了解掌握半導體發展前沿動態，提升學生的學習興趣，加深學生對半導體器件物理基礎知識的理解及掌握；另一方面，有助于學生了解當前的先進技術，激發其創新潛能，適應未來集成電路的發展。通過此“反哺”，能將科研成果實實在在納入課堂教學，實現課堂的創新教育和科教融合，培養學生的獨立性和解決問題的能力。

二是學生“反哺”教師。在課堂教學中，“反哺”機制的顯著特點是勇于挑戰權威。在傳統的教育機制中，教育者被看作是權威的代言人，學生往往是被動的接受者。在“半導體器件物理”教學過程中，借助“反哺”機制，通過“從下至上”的方式，從“從上到下”的角度，積極探索改革學生的學業評價方式，打破傳統的“一考定終身”模式，將學生學習的過程管理納入考核。尤其是通過提高課堂表現在總成績中的比例，鼓勵學生發現問題、提出問題并解決問題，向教師提出挑戰，逐步提升學生的主體地位，激發學生的探索欲望，使其變“被動”為“主動”，實現師生之間的雙向交流［6］。此外，通過翻轉課堂（學生講、教師聽）等新穎教學方式，實現學生與教師的角色互換，以此幫助學生和教師站在對方的角度發現彼此的問題，打開提升空間。打破傳統課堂教學中教師到學生的單一知識輸送渠道，建立學生到教師的反饋機制，實現良好的雙向溝通交流。最終，通過此“反哺”機制，教師便于發現學生的閃光點及課堂教學中存在的盲點，根據學生的實際情況積極進行課堂教學改革，大幅提升課堂教學質量。

三是個人“反哺”國家。在課堂教學中，我們積極挖掘國內半導體領域杰出科學家，諸如黃昆、謝希德等老一輩半導體人身上的科學家精神屬性，并將其轉化為思政元素融入教學內容中，變為“德融”課堂，大力弘揚以愛國精神、求實精神、奉獻精神、協同精神、育人精神為代表的科學家精神，潛移默化地培養學生的愛國主義情懷和奉獻精神，從而調動學生的學習積極性與創造性，鼓勵學生積極投入國家的半導體事業，突破“卡脖子”技術難題，實現對國家培養與付出的“反哺”。

結語

首先，在高校課堂教學中構建“反哺”機制，可以充分調動大學生的進取精神與動力，增強他們的學習自信心。其次，“反哺”機制可以促使教學以學生為主體，培養學生的主體意識，激發學生的積極性，培養學生的探索和創新精神，實現“反哺”與教育的“互哺”。最后，在新時代背景下，高校構建“反哺”機制，可促進教師與學生之間的和諧發展，進而培養學生的社會適應能力。由此可見，“反哺”教育機制在高校人才培養過程中非常重要。

在“半導體器件物理”教學過程中，通過科研“反哺”教學、學生“反哺”教師和個人“反哺”國家等，積極推動了課堂教學改革，逐步實現了以學生為中心的“重基礎與前沿、科教相得益彰”的全新課堂教學模式。課程內容的擴展有效激發了學生的學習興趣，促進了學生“半導體器件物理”課程知識體系的建立，提高了學生的學習主動性，提升了學生的綜合學習能力。思政元素的融入，顯著提升了“半導體器件物理”課堂教學的精神屬性，促使教學最終形成“能力”與“精神”相長的良好局面。

參考文獻

［1］教育部等七部門關于加強集成電路人才培養的意見：教高〔2016〕1號［A/OL］.（2016-05-06）［2023-10-31］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201606/t20160607_248468.html.

［2］鐘英輝，弓巧俠，李夢珂，等.淺談“半導體器件物理”教學改革［J］.電氣電子教學學報，2021，43（2）：27-29.

［3］謝生，徐江濤，韓旭，等.“現代半導體器件物理”課程改革與探索［J］.教育教學論壇，2022（3）：41-44.

［4］宋兵，劉森，王璽.面向科學研究的“半導體物理”課程教學初探［J］.教育教學論壇，2020（48）：257-259.

［5］陳琳，陳琪，王瑜.新時期高等教育之“反哺”培育探析［J］.當代教育理論與實踐，2012，4（1）：45-47.

［6］呂淑媛，劉崇琪，李曉莉，等.以學生為中心，提升課程質量的教學改革初探：以《半導體物理與器件》課程為例［J］.高教學刊，2020（21）：143-146.

Exploration and Practice of “Regurgitation-feeding” Mechanisms in Course Teaching Reform

LI Kui-long， WANG Wen-jia

（International College of Optoelectronic Engineering， Qilu University of Technology （Shandong

Academy of Sciences）， Jinan， Shandong 250353， China）

Abstract： In recent years， with the continuous emergence and development of new economic forms such as artificial intelligence， Internet of Things， and automatic driving， the importance of semiconductor technology and related personnel training has attracted widespread attention. As the core course of “Semiconductor Device Physics”， it becomes more and more urgent to establish the link between theory and practice， tradition and innovation， foundation and frontier. In view of this， through the establishment of the “regurgitation-feeding” path of scientific research to teaching， students to teachers， and individuals to the country in daily classroom teaching， the new student-centered teaching mode with heavy machinery at the forefront， and where science and education complement each other has been gradually realized， effectively promoting the implementation of teaching reform and significantly improving the quality of teaching. The exploration and practice of the teaching reform will provide important guidance and examples for college personnel training.

Key words： Semiconductor Device Physics; “regurgitation-feeding”; teaching reform