馮秋菊 宋 哲 李夢軻 孫景昌

遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029

眾所周知，材料、信息和能源是當(dāng)代科技重點發(fā)展的三大支柱，而材料又是信息和能源發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是重中之重，可以說沒有先進材料就沒有現(xiàn)代科技。半導(dǎo)體材料因其種類繁多且具有光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等特性而成為研究的熱點。一方面，半導(dǎo)體材料課程對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說是一門非常重要的專業(yè)必修課程，可以為后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；另一方面，半導(dǎo)體材料課程在部分高校屬于開放式課程，新知識會不斷被研究出來，所以在教學(xué)內(nèi)容上要不斷更新和擴充，緊跟時代和科技的發(fā)展。此外，該課程的教學(xué)內(nèi)容涉及較多的基本概念和理論知識，也比較抽象，若采用傳統(tǒng)的課堂灌輸式的教學(xué)方法，教學(xué)效果并不理想?；谝陨蠁栴}，筆者結(jié)合自身多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上有針對性地提出了一些具有探索性的教學(xué)改革方法。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

（一）教學(xué)內(nèi)容與時俱進，不斷更新與擴充

半導(dǎo)體材料課程以第一代半導(dǎo)體硅、鍺和第二代半導(dǎo)體砷化鎵等Ⅲ-V 族化合物半導(dǎo)體材料為研究對象，主要介紹了硅和鍺的化學(xué)提純、區(qū)熔提純、晶體生長、晶體中的雜質(zhì)與缺陷、硅的外延生長方法和Ⅲ-V 族化合物半導(dǎo)體的特性、砷化鎵單晶的生長與外延生長的方法等知識。在21 世紀(jì)的今天，半導(dǎo)體科技發(fā)展迅速，新材料、新技術(shù)和材料的新特性不斷涌現(xiàn)，這就要求教師要緊跟時代發(fā)展，及時將半導(dǎo)體相關(guān)的國際前沿和熱點知識帶入課堂并講授給學(xué)生，這樣不僅可以更新學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，開闊學(xué)生的視野，還可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和對科學(xué)研究的興趣及熱情。例如，在講授硅、鍺單晶的生長時，教材中指出，采用直拉法已經(jīng)能生產(chǎn)直徑在200 mm 以下的單晶，區(qū)熔法已經(jīng)能生產(chǎn)直徑在150 mm 以下的單晶。但隨著科技的不斷發(fā)展，在2002年北京有色金屬研究總院的科研人員就研制出我國第一根直徑為18 英寸（457 mm）直拉硅單晶，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域進入世界領(lǐng)先行列；而2011 年天津中環(huán)半導(dǎo)體股份有限公司成功研發(fā)了國內(nèi)首顆8英寸（203 mm）的區(qū)熔單晶硅。再比如，在講到第三章晶體生長體系的非均勻成核內(nèi)容時，要指出非均勻成核是指在體系中外來質(zhì)點（塵埃、固體顆粒、籽晶等）上的成核。我們知道納米材料具有許多體材料和薄膜材料所不具備的特性，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，而大多數(shù)納米材料的生長就屬于非均勻成核生長。這是因為在納米材料生長的過程中，通常需要引入金屬催化劑，金屬催化劑在高溫條件下會在襯底上熔化成小液滴，在生長的過程中反應(yīng)源會不斷進入金屬液滴，當(dāng)達到過飽和的狀態(tài)時就會析出晶體，隨著晶體的不斷析出納米材料不斷長大、變長，在這一過程中金屬催化劑就起到了外來質(zhì)點的作用。教師在教學(xué)內(nèi)容上要與時俱進，不斷更新和擴展知識，將國內(nèi)外該領(lǐng)域的最新前沿知識介紹給學(xué)生，使學(xué)生不僅能獲得知識，而且能極大地提高學(xué)習(xí)興趣。

（二）理論知識章節(jié)引入實驗教學(xué)

半導(dǎo)體材料課程的基本概念、定義和理論知識較多，且抽象難懂。針對這些問題，筆者在完成相關(guān)章節(jié)的講授后安排了1 次實驗課。學(xué)生通過親自動手做實驗，不僅能加深對所學(xué)理論知識的理解，還能培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣和動手能力。例如，第七章關(guān)于半導(dǎo)體材料外延生長方法的介紹，在采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法對這部分內(nèi)容進行講解后，學(xué)生對生長設(shè)備的構(gòu)成、生長步驟和生長原理等知識只是簡單、機械地死記硬背，教學(xué)效果并不理想。因此，筆者在完成第七章的講授后加入了1 次實驗課，將學(xué)生分成幾個小組，讓他們到實驗室用相關(guān)的實驗設(shè)備親自動手做實驗。從襯底的清洗、裝樣、生長到結(jié)束，學(xué)生通過動手操作加深了對實驗設(shè)備的組成及工作原理的理解和掌握，其動手能力和創(chuàng)新能力得到了很大的提高。另外，每個小組由3～5 名學(xué)生組成，在實驗的過程中大家各盡所長、互相幫助，能力強的學(xué)生帶動能力一般的，所有學(xué)生都積極參與到實驗中，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神。以此種方式引入實驗教學(xué)后，學(xué)生對知識的掌握更扎實，教學(xué)效果良好。因此，教學(xué)形式不宜過于死板，可以通過理論和實驗相穿插的形式開展教學(xué)，這樣對于學(xué)生理解和掌握知識，以及培養(yǎng)動手能力都有很大的益處。

（三）注重知識脈絡(luò)的清晰性和連貫性

學(xué)生要靠重復(fù)學(xué)習(xí)和記憶來掌握知識，所以教師要根據(jù)學(xué)生的實際情況，在講授的過程中對學(xué)生學(xué)過的知識進行提醒和重復(fù)講解。半導(dǎo)體材料課程需要用到半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱力學(xué)與動力學(xué)等一些先導(dǎo)課程的相關(guān)知識來解釋半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及晶體生長原理等知識。雖然這些先導(dǎo)課程學(xué)生大部分已經(jīng)學(xué)過，但并不一定能完全掌握，有的學(xué)生可能還有印象，有的學(xué)生可能連印象都沒有。所以，在講解半導(dǎo)體材料的相關(guān)內(nèi)容時，如果是學(xué)生以前學(xué)過的知識點，教師不能略過不講而是要先提醒，如果學(xué)生不會，需要有針對性地進行講解；而對于學(xué)生沒有學(xué)過的先導(dǎo)課程內(nèi)容，更要詳細講解，以保證學(xué)生對知識脈絡(luò)掌握的清晰性和連貫性。例如，在講到第四章位錯對器件性能的影響時，其中一個影響就是“金屬雜質(zhì)極容易在位錯上沉淀，破壞PN 結(jié)的反向特性和晶體管發(fā)射極-集電極間的管道漏電或穿通”，因為學(xué)生之前沒有學(xué)過PN 結(jié)和三極管的相關(guān)知識，所以在講解這部分內(nèi)容之前，需要先把PN 結(jié)和三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理給學(xué)生講一遍，讓學(xué)生在了解這些器件后，再自然地過渡到位錯對器件性能的影響等知識。如果沒有介紹先導(dǎo)內(nèi)容，而是直接按照教材進行講授，會極大地降低學(xué)生對知識的理解和掌握程度，甚至?xí)箤W(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

二、教學(xué)方法的探索式改革

半導(dǎo)體材料課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常是教師講授、學(xué)生被動學(xué)習(xí)，這種單一的、填鴨式的教學(xué)方法并不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，且知識難以入腦入心，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?？梢?，教學(xué)方法的改革非常重要。

（一）傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合

半導(dǎo)體材料這門課程基本概念多、原理和定義多，物理知識抽象不易理解，如采用傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，學(xué)生只能機械、被動地接受知識，教學(xué)效果并不理想。而將現(xiàn)代多媒體教學(xué)（PPT、Flash、錄像等）引入課堂，可將教學(xué)內(nèi)容變抽象為具體，化枯燥為生動，將學(xué)生的抽象思維建立在具體形象之上，幫助學(xué)生更好地理解和掌握抽象的物理概念和原理，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和掌握知識的能力。比如，在講解第一章硅和鍺的化學(xué)制備部分1.2.2節(jié)硅烷的提純時，硅烷提純主要采用的是吸附法，吸附是通過分子篩來實現(xiàn)的，學(xué)生對分子篩不了解更沒見過實物，教師可從網(wǎng)上下載不同類型的分子篩的實物照片和分子篩的結(jié)構(gòu)圖，以PPT 的形式展示給學(xué)生，學(xué)生通過觀看實物照片能更直觀、深刻地了解分子篩吸附的原理。再比如，講區(qū)熔原理時采用形象生動的Flash 動畫，能更直觀地演示整個區(qū)熔的過程，以及在區(qū)熔過程中的注意事項；在講第三章晶體生長當(dāng)中關(guān)于螺旋位錯的生長理論時，筆者就在PPT 上添加了一些在已經(jīng)制備出來的材料中被證實存在的螺旋位錯生長機制的顯微鏡照片，像碳化硅材料和綠柱石等的表面形貌照片，還有第三章鍺和硅體單晶棒的實物照片等。這些實物照片展示和動畫演示，使知識由抽象變得具體，學(xué)生也能更好地理解和掌握。

（二）專題討論式教學(xué)

專業(yè)知識的獲取不僅要通過教師的講解，還要通過學(xué)生的主動參與。教師可以讓學(xué)生自己查閱文獻并撰寫專題報告，把自己搜集整理的專題知識在課堂上與大家進行交流、討論及辯論。這種以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，可以在很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生獨立進行研究、查閱文獻的能力，同時能極大地拓展學(xué)生的知識面，為后續(xù)研究型課程和畢業(yè)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。此外，學(xué)生之間通過交流和討論可以加深對教材知識的理解。在學(xué)生討論的過程中，教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生發(fā)表不同的觀點，允許錯誤和失敗，要正面鼓勵學(xué)生，維持學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)熱情和信心。教師還應(yīng)注意調(diào)節(jié)課堂氣氛和節(jié)奏，對學(xué)生討論后產(chǎn)生爭論的問題進行重點分析和總結(jié)。

（三）啟發(fā)、互動式教學(xué)

在課堂教學(xué)過程中，通過采用啟發(fā)、互動式教學(xué)，注重師生之間的互動，改變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，可以讓學(xué)生真正參與到課堂中，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。在半導(dǎo)體材料課程教學(xué)過程中,教師可以根據(jù)學(xué)生對知識的掌握和理解程度,從教材中選取一些相對簡單的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，上課時選擇一位或幾位學(xué)生充當(dāng)教師給大家進行講解。對于學(xué)生講解得不夠深入或其他學(xué)生沒聽明白的地方，教師要著重講解。這樣既能給學(xué)生提供展示自我、鍛煉自我的機會,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，又能給學(xué)生提供自由探索的空間。學(xué)生也可以通過提前預(yù)習(xí)，找出教材中自己不懂的知識點，在課堂上向老師請教，這樣教師就可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而因材施教。

三、考核方式的改革

為了鞏固和檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，筆者采用多種考核方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行評定。傳統(tǒng)的考試評價制度只重視學(xué)生的期末考試成績，忽視學(xué)生平時的學(xué)習(xí)過程，導(dǎo)致很多學(xué)生養(yǎng)成平時不好好學(xué)習(xí)、考試前臨時突擊的壞習(xí)慣，所以應(yīng)對傳統(tǒng)的考核制度進行改革。筆者對本門課程的考核方式進行了改革，不是簡單地只用一次考試來評價學(xué)生的最終學(xué)習(xí)效果，而是更側(cè)重考查學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識的能力、分析問題與解決問題的能力、實踐及創(chuàng)新能力等，力求真實全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。學(xué)生的成績主要包括三個部分：第一部分為平時成績，占比約20%，包括課前對上節(jié)課重要知識點的提問、出勤情況、課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)等。經(jīng)過多年教學(xué)筆者發(fā)現(xiàn)，采用課前提問的考核方式，可以取得良好的教學(xué)效果。課前提問不僅可以督促學(xué)生養(yǎng)成課后復(fù)習(xí)的好習(xí)慣，而且通過點名提問的方式復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容，有助于加深學(xué)生對知識的印象，促進其對新知識的理解和接收；第二部分為期中成績，占比約20%，教師根據(jù)上半學(xué)期已教授的知識內(nèi)容，設(shè)定幾個不同的研究題目供學(xué)生選擇，把學(xué)生分成3～5人一組，學(xué)生選定選題后通過查閱相關(guān)圖書及文獻資料，共同完成一篇較詳細的綜述。每個小組對本組的綜述內(nèi)容都要集中進行答辯，教師根據(jù)學(xué)生的分工、綜述內(nèi)容、答辯情況、綜述的創(chuàng)新性等方面進行評價和打分。這種寫文獻綜述的考核方式，不僅可以加深學(xué)生對教材重點知識內(nèi)容的了解，而且可以擴充、拓展相關(guān)知識領(lǐng)域的研究內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。第三部分為期末考試成績，占比約60%，期末考試采取的是閉卷考試的形式，主要對半導(dǎo)體材料課程考試大綱中要求學(xué)生必須掌握和理解的知識點進行考核。試題題型多樣，主要包括名詞解釋、填空題、選擇題、計算題和簡答題，盡量兼顧考試大綱中的每個重要知識點。通過上述三個部分的考核，不僅能夠真實、全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，而且能培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

四、結(jié)語

文章分別對半導(dǎo)體材料課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進行了改革探索。通過在理論知識章節(jié)后引入實驗教學(xué)，采用理論和實驗相穿插的教學(xué)形式加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，并培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力。在教學(xué)方法上，通過采用多媒體播放圖片和動畫等形式來增強教學(xué)的直觀性，使教學(xué)變抽象為具體，化枯燥為生動。在考核方式上，通過三個部分的考核，能夠客觀合理地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。通過對該課程的教學(xué)改革探索，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)新性，使教學(xué)效果得到明顯的提升，為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)及繼續(xù)深造打下堅實的基礎(chǔ)。