張燦云　孔晉芳　王鳳超

摘 要：半導(dǎo)體器件物理課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和半導(dǎo)體器件的基本原理等相關(guān)知識，為半導(dǎo)體材料的合成、應(yīng)用、設(shè)計提供理論指導(dǎo)。本文從面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)中存在的問題入手，探討該課程教學(xué)改革的方式方法。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件；物理；教學(xué)改革

半導(dǎo)體器件物理是微電子學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)新興光電產(chǎn)業(yè)所需的應(yīng)用技術(shù)人才必備的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)課程。該課程是連接半導(dǎo)體材料性質(zhì)和器件應(yīng)用的橋梁學(xué)科，在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才的知識結(jié)構(gòu)中具有重要的基礎(chǔ)地位。因此，探討教學(xué)中存在的問題，改革教學(xué)的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學(xué)中產(chǎn)生的問題及原因分析

1.學(xué)生聽課效率低，學(xué)習(xí)興趣淡薄，考試成績低

以某大學(xué)光電行業(yè)方向工科專業(yè)近三年半導(dǎo)體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學(xué)生成績均顯示出60分左右的人數(shù)最多，以60分為原點(diǎn)，其高分和低分兩側(cè)的人數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績低分人數(shù)逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導(dǎo)致表1結(jié)果的原因有以下三方面：

（1）學(xué)生的物理基礎(chǔ)參差不齊，知識結(jié)構(gòu)存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學(xué)生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當(dāng)一部分高中學(xué)生輕視物理的學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)，有些專業(yè)大學(xué)物理成為必修課，由于學(xué)生高中物理基礎(chǔ)差別很大，因此，同一班級的學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對于一般工科專業(yè)的學(xué)生（包括面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)）來說，他們大二或大三開始學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理課程（或半導(dǎo)體物理課程）時，他們的物理基礎(chǔ)只有在高中學(xué)過的普通物理和大學(xué)學(xué)過大學(xué)物理，其內(nèi)容也僅涉及經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的基本規(guī)律，而近代物理中的實(shí)物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導(dǎo)體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎(chǔ)上參差不齊，而且在物理知識結(jié)構(gòu)上還存在斷層，這給該課程的教和學(xué)增加了難度。

另外，即使增加學(xué)習(xí)該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎(chǔ)內(nèi)容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學(xué)習(xí)時存在較大的知識跨度，很多學(xué)生難以跟上進(jìn)度。

（2）課程理論性強(qiáng)，較難理解的知識點(diǎn)集中

半導(dǎo)體器件物理課程以半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用為基本內(nèi)容，內(nèi)容編排上從理想本征半導(dǎo)體的性質(zhì)和半導(dǎo)體的摻雜改性，到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體器件的核心單元，再到各種PN結(jié)的設(shè)計和控制，采取層層推進(jìn)的方式，邏輯嚴(yán)密，理論性強(qiáng)，對學(xué)生的要求也高，每一部分的核心內(nèi)容都要扎實(shí)掌握才能跟上學(xué)習(xí)的進(jìn)度。同時，在各章內(nèi)容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點(diǎn)，如本征半導(dǎo)體性質(zhì)部分的有效質(zhì)量、空穴的概念、能帶的形成、導(dǎo)帶和價帶的概念等；半導(dǎo)體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導(dǎo)體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴(kuò)散運(yùn)動；簡單PN結(jié)部分的平衡PN結(jié)、非平衡PN結(jié)、PN結(jié)的能帶和工作原理；不同專業(yè)在PN結(jié)的設(shè)計和控制這部分會根據(jù)所設(shè)專業(yè)選取不同的章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，面向光電行業(yè)的本科專業(yè)則通常選取半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光這部分來講授，該部分包含半導(dǎo)體的躍遷類型，以及半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識點(diǎn)分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進(jìn)，因此理解難度較大。

（3）學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的現(xiàn)象普遍存在

近幾年，在社會大環(huán)境的影響下，學(xué)習(xí)態(tài)度不端正現(xiàn)象在本科各專業(yè)學(xué)生中普遍存在。無故遲到曠課情況經(jīng)常發(fā)生，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生獨(dú)立思考積極性差。電子產(chǎn)品的普及也嚴(yán)重影響到了學(xué)生上課的積極性，很多學(xué)生成了手機(jī)控，即使坐在課堂上也頻頻看手機(jī)、上網(wǎng)。有些學(xué)生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點(diǎn)、難點(diǎn)。特別是半導(dǎo)體器件物理這門課程涉及的知識點(diǎn)密集，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點(diǎn)漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認(rèn)真聽講的部分學(xué)生來說，很快就跟不上進(jìn)度了。另外，學(xué)生畏難情緒較嚴(yán)重，課下也不注意復(fù)習(xí)答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個人?！痹谡n時緊張、學(xué)生積極性差、課程理論性強(qiáng)等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學(xué)效率。

二、改進(jìn)方法的探討

針對教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩個方面入手來探討該課程教學(xué)的改進(jìn)。

1.教學(xué)方法的改革

半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)改革以建設(shè)完整的半導(dǎo)體理論體系和實(shí)踐應(yīng)用體系為目標(biāo)，一方面，著重在教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教師隊伍、教學(xué)管理和教材方面進(jìn)行建設(shè)和改革，形成適合應(yīng)用型本科專業(yè)學(xué)生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展時期，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，按照“專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求相對接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對接、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程相對接”的原則，半導(dǎo)體器件物理課程改革重視基礎(chǔ)知識和基本技能教學(xué)，力爭構(gòu)建以能力為本的課程體系，做到與時俱進(jìn)。本課程改革具體體現(xiàn)在以下六個方面：

（1）轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念

改變傳統(tǒng)向?qū)W生灌輸理論知識的教學(xué)觀念，以學(xué)習(xí)與新興行業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向，確定該課程在整個專業(yè)課程體系中承上啟下的基礎(chǔ)性地位，在教學(xué)觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學(xué)內(nèi)容

為構(gòu)建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎(chǔ)知識和基本技能的教學(xué)、合理構(gòu)建應(yīng)用型人才的知識體系的同時，力爭使學(xué)生了解半導(dǎo)體器件制作和應(yīng)用的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展的熱點(diǎn)問題，并積極實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化的教學(xué)模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學(xué)內(nèi)容。

第一層次為基礎(chǔ)知識鋪墊。為解決學(xué)生知識結(jié)構(gòu)不完整的問題，在講授半導(dǎo)體器件物理之前要進(jìn)行固體物理學(xué)課程知識的鋪墊，還要增加近代理論物理學(xué)知識，如原子物理和量子力學(xué)的知識，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識框架，降低認(rèn)知落差。

第二層次為半導(dǎo)體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)、半導(dǎo)體PN結(jié)的工作原理、常見半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作原理和半導(dǎo)體的光電及發(fā)光現(xiàn)象和應(yīng)用。

第三層次為課內(nèi)開放性實(shí)驗。在理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)物理實(shí)驗項目（如“電阻應(yīng)變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用”等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)方向設(shè)置若干實(shí)驗讓學(xué)生了解半導(dǎo)體電子和光電器件的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)，還有行業(yè)熱點(diǎn)問題，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高動手能力和實(shí)踐能力。

第四層次為開展課題式實(shí)踐教育，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化。為解決傳統(tǒng)教學(xué)理論和實(shí)踐脫節(jié)問題，以基礎(chǔ)物理實(shí)驗項目和針對各專業(yè)方向設(shè)置的與半導(dǎo)體器件應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗項目為實(shí)踐基礎(chǔ)，開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動，鼓勵學(xué)生利用課余時間進(jìn)入實(shí)驗室和工廠企業(yè)，利用已學(xué)理論對行業(yè)熱點(diǎn)問題進(jìn)行思考和探究，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。

（3）調(diào)整教學(xué)方法

一方面，要正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不追求公式推導(dǎo)的嚴(yán)密性，強(qiáng)調(diào)對物理結(jié)論的正確理解和應(yīng)用。另一方面，充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生積極性和主動性。

（4）建設(shè)教學(xué)隊伍

對國內(nèi)知名院校的相關(guān)專業(yè)進(jìn)行考察和調(diào)研，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法，邀請國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的專家進(jìn)行講座，邀請企業(yè)高級技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來為學(xué)生講授當(dāng)前最前沿、最先進(jìn)的技術(shù)及產(chǎn)品，并參與教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容的修訂。另外，鼓勵教師團(tuán)隊充分利用產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)的機(jī)會深入企業(yè)，提高教師隊伍的實(shí)踐經(jīng)驗和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎(chǔ)。

（5）完善教材體系

教材是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專業(yè)教學(xué)水平的有效方法。針對理工科專業(yè)特色方向及學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)，除選用經(jīng)典的國家級規(guī)劃教材——《半導(dǎo)體物理學(xué)》以外，還組織精干力量編寫專業(yè)特色方向的相關(guān)教材，以形成完善的半導(dǎo)體理論和實(shí)踐相結(jié)合的教材體系，在教材中融入學(xué)校及專業(yè)特色，注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，增加案例分析，體現(xiàn)學(xué)以致用。

（6）加強(qiáng)教學(xué)管理

良好的教學(xué)管理是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。首先根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)以及本課程的教學(xué)目標(biāo)合理制訂教學(xué)大綱及教學(xué)計劃。在授課過程中充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，積極與學(xué)生交流，了解學(xué)生現(xiàn)狀，建立學(xué)生評價體系，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容等，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.教學(xué)手段改革

（1）采用類比的教學(xué)方法

課堂上將深奧理論知識與現(xiàn)實(shí)中可比事物進(jìn)行類比，讓學(xué)生易于理解基本理論。例如，在講半導(dǎo)體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規(guī)則就座的學(xué)生類比為占據(jù)能級的電子，計算導(dǎo)帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學(xué)生數(shù)量總和再除以教室體積。讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中找出例子與抽象的半導(dǎo)體理論進(jìn)行形象化類比，幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體的基本概念和理論。

（2）采用理論實(shí)踐相結(jié)合的方法

在教學(xué)中時刻注意理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，例如，根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向，在講述寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光性能時，給學(xué)生總結(jié)介紹了LED芯片材料的類型和對應(yīng)的發(fā)光波長，讓學(xué)生體會到材料性質(zhì)是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（3）構(gòu)建網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)

建立紙質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的一體化體系，及時更新、充實(shí)課程資源與信息，通過網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)，實(shí)現(xiàn)課程的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關(guān)的教學(xué)大綱、教材、多媒體課件、教學(xué)示范、習(xí)題、習(xí)題答案、參考文獻(xiàn)、學(xué)生作業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)講座等。

（4）開展綜合創(chuàng)新的實(shí)踐

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗條件，為學(xué)生提供實(shí)踐條件。同時積極開拓校外實(shí)踐基地，加強(qiáng)校企合作，為學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐提供良好的平臺，使課程教學(xué)和實(shí)踐緊密結(jié)合。鼓勵學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，與教師科研結(jié)合，申請大學(xué)生創(chuàng)新項目，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統(tǒng)以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學(xué)效果。

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基金項目：本項目受上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院“半導(dǎo)體器件物理”重點(diǎn)課程建設(shè)項目（編號：10110M150047）、“LED照明技術(shù)及實(shí)驗”重點(diǎn)課程建設(shè)項目（編號：10110M150046）和“LED點(diǎn)膠技術(shù)實(shí)驗”校企合作共建實(shí)驗項目（編號：1021XQ151020）的資助。