向兵，蔣俊華

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004)

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基于AI2的《半導(dǎo)體器件物理》課程輔助教學(xué)app設(shè)計(jì)

向兵，蔣俊華

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004)

以App Inventor2開發(fā)環(huán)境為平臺，使用其方便簡潔、清晰明了的各種控件設(shè)計(jì)界面，利用它的拼圖式圖形堆疊模塊搭建程序代碼，并結(jié)合《半導(dǎo)體器件物理》的課程結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一個(gè)便于學(xué)生深入學(xué)習(xí)該門課的課程輔助教學(xué)app.以此來激發(fā)學(xué)生對于《半導(dǎo)體器件物理》這門重要課程的學(xué)習(xí)興趣和熱情，方便學(xué)生理解、記憶這門課程所涉及的主要概念、公式的推導(dǎo)過程以及各種物理現(xiàn)象和效應(yīng)的形成過程，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，提升了教學(xué)效果，更加契合在移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代成長起來的新一代大學(xué)生的學(xué)習(xí)方式的特點(diǎn).

App Inventor2；半導(dǎo)體器件；應(yīng)用程序；教學(xué)

0 引 言

“半導(dǎo)體器件物理”是我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程.它以“半導(dǎo)體物理”等課程為基礎(chǔ)，是相關(guān)專業(yè)后續(xù)“集成電路設(shè)計(jì)”等專業(yè)課程的先修課程.由于該課程具有系統(tǒng)性、理論性強(qiáng)，物理概念抽象，用到的物理公式多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的板書教學(xué)雖然有直觀、靈活、知識學(xué)習(xí)的步驟性強(qiáng)等特點(diǎn)，但也有效率低、圖形圖片展示不清晰徹底、能夠展示的信息量小、復(fù)用性困難等缺點(diǎn).盡管現(xiàn)在大力提倡多媒體教學(xué)，但大多數(shù)多媒體課件形式單一，與學(xué)生的互動性差，特別是對于公式推導(dǎo)，很難使學(xué)生的思維同步，不但不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，反而易使學(xué)生產(chǎn)生大腦疲勞而達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響到學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)[1].

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，移動互聯(lián)網(wǎng)以及智能手機(jī)憑借其方便、快捷、個(gè)性化、易于操作等優(yōu)勢逐漸滲透于社會生活的各個(gè)方面[2].人們利用網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)可以隨時(shí)隨地解決生活、學(xué)習(xí)以及工作中遇到的各種問題.考慮到現(xiàn)在安卓智能手機(jī)的普遍性，尤其現(xiàn)在的大學(xué)生對于手機(jī)的依賴性，所以我們利用App Inventor2這種便于操作和調(diào)試的環(huán)境來開發(fā)一個(gè)課程輔助app來幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這門課程，為學(xué)生高效率的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)更為便捷、廣闊的平臺[3],也為“半導(dǎo)體器件物理”課程提供了一次提高理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有益嘗試.

1 APP的界面及邏輯設(shè)計(jì)

為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)使用，對于屏幕界面的基本要求是要盡可能使用較少的界面實(shí)現(xiàn)更多的功能，且所展示的內(nèi)容要清晰明了，有條有理，讓使用該課程輔助軟件的同學(xué)能便捷地溫習(xí)、掌握課程中的重點(diǎn).根據(jù)以上分析,確定了本次設(shè)計(jì)中共需要14個(gè)界面來顯示.包括1個(gè)初始進(jìn)入界面，1個(gè)課程簡介界面，5個(gè)基本概念界面，5個(gè)基本推導(dǎo)界面，1個(gè)動畫演示界面和1個(gè)課后習(xí)題界面.界面之間的層次關(guān)系如圖1.

圖1 界面之間的層次關(guān)系

1.1 初始界面及“課程簡介”界面設(shè)計(jì)

本app中教材選用電子工業(yè)出版社出版的由劉樹林、張華曹、柴長春編著的《半導(dǎo)體器件物理》.這本書系統(tǒng)地介紹了常用半導(dǎo)體器件的工作原理及特性.首先介紹了半導(dǎo)體器件的基本材料以及半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識，然后又介紹了PN結(jié)的形成、特性等一些性能指標(biāo)，接著講述了雙極性晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、電流電壓等方面的特性，最后介紹了一些其他半導(dǎo)體器件的應(yīng)用和工作原理[4].

圖2 初始界面 圖3 “課程簡介”界面

設(shè)計(jì)的初始界面的外觀如圖2.“課程簡介”界面主要顯示的是該課程的授課教師、所用教材、課程的基本內(nèi)容的介紹.同時(shí)，還需要能夠通過該界面進(jìn)入“基本概念”、“基本推導(dǎo)”、“動畫演示”、“課后習(xí)題”界面，也要能返回初始界面.這里為了美觀也加了一幅河南大學(xué)的圖像以期增加學(xué)生的新鮮感，通過視覺增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，如圖3.

1.2 “基本概念”，“基本推導(dǎo)”界面設(shè)計(jì)

概念多，公式推導(dǎo)多是《半導(dǎo)體器件物理》這門課的特點(diǎn)之一.對于一些基本概念，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)往往是上課的時(shí)候聽的很清楚，但課下如果不進(jìn)行復(fù)習(xí)很快就會忘記；而對于一些公式推導(dǎo)，學(xué)生在課堂上要緊跟老師的思路，推導(dǎo)過程一步跟不上步步跟不上.以往的復(fù)習(xí)方法無外乎是要拿起書本走進(jìn)自習(xí)室，過程繁瑣而不方便.App中“基本概念”和“基本推導(dǎo)”的設(shè)計(jì)將使學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況的不同而使復(fù)習(xí)過程變得非常實(shí)用、有效而且方便.

“基本概念”界面這部分包括5個(gè)界面，其中1個(gè)是總標(biāo)題目錄界面，另外4個(gè)分界面，各自展示的是每一章的基本概念，如圖4、圖5,分界面的邏輯設(shè)計(jì)如圖7、圖8.進(jìn)入相關(guān)的分界面后點(diǎn)擊“第一個(gè)”、“上一個(gè)”、“下一個(gè)”、“最后一個(gè)”等按鈕可以查看關(guān)于半導(dǎo)體物理及半導(dǎo)體器件的共32個(gè)基本概念.“基本推導(dǎo)”界面與“基本概念”界面大同小異，也包括1個(gè)總標(biāo)題目錄界面和4個(gè)分界面共20個(gè)公式的推導(dǎo).總標(biāo)題目錄界面的設(shè)計(jì)與“基本概念”的目錄界面設(shè)計(jì)一樣，只要把界面屬性中的標(biāo)題改為“《半導(dǎo)體器件物理》基本推導(dǎo)”即可，如圖6.

圖4 “基本概念”主界面 圖5 第一章分界面 圖6“基本推導(dǎo)”分界面

圖7 分界面列表和全局變量的邏輯設(shè)計(jì)

圖8 分界面按鈕的邏輯設(shè)計(jì)

1.3 “動畫演示”界面設(shè)計(jì)

對于物理教學(xué)而言，傳統(tǒng)的板書教學(xué)最大的缺點(diǎn)就是無法展示物理現(xiàn)象的過程.例如半導(dǎo)體電子共有化運(yùn)動產(chǎn)生的軌道分裂、PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成、晶體管工作時(shí)載流子的輸運(yùn)、場效應(yīng)管溝道的形成以及溝道夾斷點(diǎn)的形成等等，對于這些抽象概念的理解往往需要學(xué)生在自己頭腦中的想象.為了能讓學(xué)生直觀地看到物理現(xiàn)象發(fā)生的全過程，更好地理解物理概念，我們制作了一些動畫來模擬半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件內(nèi)部發(fā)生的物理現(xiàn)象過程.點(diǎn)擊“第一個(gè)”，“上一個(gè)”，“播放”，“暫?！?，“下一個(gè)”，“最后一個(gè)”等按鈕可以控制播放8個(gè)主要的動畫演示，如圖9、圖10.

圖9 “動畫演示”界面 圖10“動畫演示”界面 圖11“相關(guān)習(xí)題”界面

1.4 “相關(guān)習(xí)題”界面設(shè)計(jì)

為了對所學(xué)知識進(jìn)行鞏固，對知識加深理解，提高學(xué)生的思維能力、提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力.我們設(shè)計(jì)了“相關(guān)習(xí)題”這個(gè)模塊.“相關(guān)習(xí)題”是找了一些經(jīng)典題型、各?？佳谐踉嚨脑嚲恚ㄟ^圖片的形式呈現(xiàn).共有“選擇題”、“填空題”、“名詞解釋”、“計(jì)算題”這4種題型，如圖11.在屏幕上方區(qū)域用圖像組件選擇性地顯示不同類型的題目，用按鈕來控制，邏輯控制同前面的“基本概念”、“基本推導(dǎo)”控制一樣.

2 結(jié)束語

通過實(shí)踐證明，該輔助教學(xué)app的開發(fā)對課程教學(xué)和學(xué)生自學(xué)具有較好的輔助作用.將理論授課和動畫演示結(jié)合到手機(jī)app上，不僅可以實(shí)現(xiàn)了多媒體輔助教學(xué)的功能，而且避免了只有課件的多媒體教學(xué)容易出現(xiàn)的把黑板搬到屏幕上的缺陷，使抽象的理論知識形象化，有利于學(xué)生對知識點(diǎn)的理解、消化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[5].同時(shí)，通過向?qū)W生開放源代碼可激發(fā)學(xué)生編程的激情，不僅提高了本課程的教學(xué)效果，而且提高了學(xué)生的編程能力，更重要的是為本專業(yè)學(xué)生提高課堂教學(xué)效果，提高開放性思維和實(shí)踐動手能力提供了一次有益的嘗試.

[1]向兵,程秀英.基于Matlab GUI《半導(dǎo)體器件物理》教學(xué)仿真平臺開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2014,12(3)：47-48.

[2]李華.智能手機(jī)端教學(xué)實(shí)踐研究[J].科技資訊,2014,27(1)：185.

[3]王萍.智能手機(jī)支持下的大學(xué)生移動學(xué)習(xí)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2014，13(4)：176-178.

[4]劉樹林,張華曹,柴長春.半導(dǎo)體器件物理[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[5]吳明暉.面向計(jì)算思維的App Inventor2課程建設(shè)與實(shí)踐[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(2)：93-97.

[責(zé)任編輯：徐明忠]

2017-04-20；

2017-05-08

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210055)

向兵(1968—)，男，湖南長沙人，河南大學(xué)副教授，碩士，主要從事半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體集成電路方面的教學(xué)、科研工作.

O47；TP391.9

A

1672-3600(2017)09-0103-03