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摘 要：《半导体器件物理》是高等院校材料类专业的重要课程之一。该课程主要以半导体物理理论为基础，从材料性质的角度，针对半导体器件的电学特性及功能进行分析。课程所教授的内容具有较强综合性，在课程建设与教学改革方面有许多值得探讨的问题。本文依据笔者的教学经历，总结了教学过程中出现的问题。在结合课程特点及学生反馈信息的基础上，以培养学生学习兴趣、提高学习效果和加强专业素质为目标，探索了该课程教学模式的改革策略。
关键词：半导体器件物理；教学问题；改革策略
本文引用格式：陈亮 , 等《. 半导体器件物理》课程教学中的问题及改革策略探索 [J]. 教育现代化,2020,7(32):81-83.
xplore the problems and countermeasures in the teaching semiconductor device physics
CHEN Liang, ZHANG Shi-ying
(College of Biological and Environmental Engineering, Changsha university, Changsha Hunan)
Abstract: The semiconductor device physics is one of most important courses for material science disciplines in universities. According to semiconductor physics theory and the perspective of materials inherent property, this course analyzed the electrical properties and functions of semiconductor devices. Since the content of this course exhibited strong comprehensive, there are many merits problem need to depth investigate on the construction and teaching reformation of course. In this paper, we summarized some problems in teaching and students’ studying process according to our teaching experience. In view of the course features and students’ feedback, to cultivate students’ interest in learning, improve their learning achievement, and strengthen their professional ability, we explored reforming strategies of the teaching mode of this course.
Key words: Semiconductor device physics; Teaching problems; Reform strategies
一 引言
半导体器件作为微电子信息技术核心与基础， 极大地推动了社会发展、经济繁荣、改善了居民生活。《半导体器件物理》作为高等学校材料类专业重要课程之一，掌握该课程的内容，有助于提高学生对智能电子设备工作原理与发展的认识和理解，有利于增强学生的科技创新意识，有益于提升学生的知识素养 [1-3]。然而，课程涉及到大量的抽象物理过程分析和复杂数学公式推导内容 [4,5]。如：半导体材料特性章节中，着重介绍了能带理论和载流子浓度及分布公式等较难理解的概念。器件性能章节中，详细分析了PN 结、MOS 结构等器件中电子、空穴的分布和迁移情况，从而进一步推断出半导体器件的直流特性、频率特性和电容等性质。采用传统的“填鸭式”教学方法，学生难以掌握和理解课程中抽象的物理知识和数学内容，容易产生畏难情绪和消极的学习态度 [6-8]。笔者基于三年对该课程的讲授经验以及对课程教学效果的思考，提出针对目前《半导体器件物理》教学中问题的应对策略和创新性教学模式的想法。
二 半导体器件物理课程教学的问题
（一） 师生间缺乏互动交流
其一：《半导体器件物理》课堂教授仍采用传统的教授方式。教师在台上讲解教学内容，学生坐在下面被动听课。由于是大班教学，上课过程中，教师很难把握住每位学生对知识点的掌握和理解程度，不能进行针对性教学。本门课程的逻辑性强，前后内容联系紧密。前面知识点没掌握，后面就会出现听不懂、跟不上的情况，进而导致“滚雪球效应”—越学越糊涂。例如，在课程的半导体特性章节中，涉及到了半导体中的热平衡载流子浓度和载流子的漂移与迁移，相应的数学理论推导和抽象的物理概念，绝大部分学生很难在短时间内上掌握。然而，这部分内容是后面章节中的 PN 结和双极晶体中载流子的分布与运动分析的基础，更是 PN 结及双极晶体管伏安特性的理论曲线的出发点。其二：由于课间时间短暂，课后老师与学生见面机会少，所以教师很难及时、有效地给学生解惑。虽然少部分好学上进的学生会主动问老师问题，但是涉及人数少，难以提高整个班级的学习效果。其三：本课程网络学习资源稀少，学生课后复习，只能依靠教材及教师讲解的习题及电子课件，从而造成学生自主学习效率低下。
（二） 教材缺乏与实际应用紧密联系的内容
其一：通过调研教材发现，国内多数教材均大篇幅地介绍较难理解的物理概念和繁琐数学推导，而缺乏理论分析的结果与实际半导体科技应用有机结合的内容。因此，教学内容中较多的物理理论和数学公式，导致目前课程过于抽象、枯燥、晦涩，对于数理基础薄弱的学生很难短时间内吸收掌握，容易让学生失去对该课程学习的信心。其二：教材缺少半导体器件实际生产制造过程的介绍，学生无法将现实生活中高度集成的功能性芯片模块与书本上单个的 PN 结或晶体管联系起来。因此，学生很难认识到《半导体器件物理》课程在现实生活中的重要意义，无法激发学生学习的主动性，培养其学习兴趣。
（三） 实验的趣味性、探索性不强
其一：通过调查发现，目前设置的课程实验多为验证性实验，采用高度集成的仪器对半导体样品特性进行测试。在实验过程中，大部分学生仅仅停留在数据记录的阶段，不能将数据的表现与书本的理论知识有机结合起来。部分原因是，学生对书本上的理论知识还没有完全消化吸收，不能灵活运用； 另一个重要原因是，实验缺乏设计性和趣味性，不足以激发学生探索科学兴趣，难以趋使其主动将实验内容与所学理论相衔接。其二：大部分测试样品为市场上已组装好的器件成品。学生不能很好理解制备工艺背后的原由，同时缺乏对半导体性质与器件结构之间关系的探索与分析过程，造成学生难以透彻地理解器件的工作原理。
（四） 课程考核方式不合理
当前高校的《半导体器件物理》课程中，大部分采用单一的期末闭卷考试方式对学生学习效果进行评估。虽然闭卷考试的方式具有操作简单、评估效率高、公平性强等优点，但是该考核方式同样具有诸多令人诟病的弊端。其一：这种单一的考核方式， 极大地伤害学生学习兴趣，容易造成大部分学生缺乏持之以恒的学习动力。当面对期末闭卷考试的压力时，学生往往临阵磨枪，死记硬背知识点和题目，不求甚解，只以不挂科为目标对待课程学习。其二： 传统闭卷考试题目的答案统一固定，综合类和设计类等开放性的题目缺乏，往往造成学生产生定势思维，极大地伤害学生的想象力、创新能力、逆向思维和发散思维的能力，背离了培养创新型的新时代人才目标。因此，为了适应时代的发展，《半导体器件物理》课程的考核评估方法的改革亟待开展。
三 《半导体器件物理》课程教学模式的改进策略
针对上诉半导体器件物理教学中出现的问题， 笔者结合自身三年对该课程教学经历及学生的反馈信息，提出以下四点对半导体器件物理教学模式的改革策略。
（一） 转变课堂教学方式
其一：采用翻转课堂教学模式。首先，课前布置精心设计的学习任务，学生通过线上教学平台自主学习，尝试寻找问题答案。然后，课堂上，学生分组进行讲解书本的知识点和问题的解答。教师听取学生发言过程，与他们相互讨论交流，从中发现学生对知识点的掌握程度，从而进行有针对性、补充性地教学。比如在 PN 结特性分析章节中，根据所发布半导体内载流子的分布、迁移，内建电场、电势的形成过程等内容及问题，学生可以有的放矢地结合教材和线上平台的教学资料进行自主学习相关理论知识。随后，学生将学习所思与困惑制作成PPT 上传至线上教学平台，供教师评阅。上课时， 学生分批演示讲解 PPT，教师对重点内容进行评价和剖析，并组织学生之间的互评。每一位学生可以在教师的点评，其它学员的 PPT 讲解和相互交流过程中，实现对理论知识进一步的理解掌握，从而提升自主学习、分析和解决问题的能力。其二：开展阅读问题模式教学。比如在半导体特性章节中，为了让学生理解半导体的晶格，掌握材料中载流子的来源，学会从载流子的浓度及分布推断出材料的导电特性等教学内容，教师上课时可以设置 5~6 个问题，引导学生认真审题，趋使学生带着问题，有针对性地仔细阅读教材，总结归纳教材知识点。然后， 组织学生分组讨论解答问题，教师从中协助学生完成课堂任务。学生分组互评完成情况，教师分析学生的易混、易错知识点，掌握学生的学习程度，及时调整课堂教学内容，实施针对性教学。此外，拓展线上学习途径，丰富线上平台教学资料，加强大型开放式网络课程（Massive Open Online Courses, MOOC） 或小规模限制性在线课程（Small Private Online Course, SPOC）等课程体系的建设，对于转变传统课堂教学模式和探索创新性的教学方式具有十分关键的作用。
（二） 自编讲义增加教学中的理论联系实践的内容
结合现有的教材内容体系，选取合适的科技应用例子进行分析讨论。如：课堂演示硅、锗等半导体工业生产的具体过程，介绍采用的仪器设备和各个步骤的功能与作用，可以使学生更为直观地感受半导体掺杂过程，理解 P 型和 N 型半导体的形成及杂质补偿作用应用。针对半导体器件特性的内容（如： PN 结，晶体管及 MOS 晶体管），除了增加相应的光刻及掺杂过程，还可以将教材中 PN 结和 MOS 结构在手机、笔记本电脑等智能设备芯片的核心地位及其功能进行有机结合向学生介绍，从而激发学生的好奇心。自编讲义是对现有教材的补充，目的是为了构筑书本上抽象的理论知识和具体的实际应用之间的桥梁，从而能够显著地提高学生学习的兴趣和积极性，增强学生理论联系实际的能力，进而加快对课程概念的理解，加强学习者的实践创新意识。
（三） 开发具有设计性、探索性的综合实验项目
选择合适的仿真软件，开发半导体材料设计的基础性实验和半导体器件设计的探索性创新实验。其中，基础性设计实验内容主要涉及模拟半导体制备、掺杂过程，通过改变材料类型，杂质种类，掺杂浓度等参数，从而直接地系统性研究外在因素对半导体材料电学特性的影响及其规律。与此同时， 在半导体器件设计的探索性创新实验中，学生可以使用仿真软件自主设计半导体材器件特性，从而能够直观地看到半导体器件的微观结构，观察到载流子浓度在器件中的分布情况，进而理解能带结构、电场分布、电子空穴迁移等在器件内部的变化。由此， 学生可以将形象、直观的实验现象与有关的抽象物理数学理论内容有机地联系起来，有利于掌握课堂上学习的复杂的理论知识。此外，探索性创新实验能够极大地激发学生的学习兴趣，增强学生的自信心，训练学生查阅资料、提出问题、分析问题、处理问题的能力，从而提升培养学生的实践创新能力， 同时可以加深学生对课程学习目的及意义的理解。
（四） 建立注重学习过程的考核方式
课程的考核评估制度，不仅仅会影响学生学习习惯与学习热情，对教师改善教学效果和提高教学质量也有至关重要的参考作用。其一：对学生整个学习过程中的考核评估，以教学过程中学生参与学习活动及其分析、解决问题能力为考核指标，进而可以持之以恒地磨砺学生学习能力。教师在日常教学工作中，通过持续不断地向学生强化、渗透正确的学习方式及学习目的，可以潜移默化地引导学生养成良好的学习习惯，进而提高学生学习效率。此外， 良好的考核方式可以有效地引导学生理解学习的目的，即学习不仅仅是掌握知识本身，更是要掌握分析问题、解决问题的方法及能力，进而具备创新力、逆向思维和发散思维的能力。其二：针对学习过程的考核方式，不仅仅能够有效准确地评估学生的学习成果，同时也是对教学质量的反馈，可以为教师在后期的教学过程中调整教学计划与教学方式提供必要的参考信息。因此，在探索新型全程考核方式过程中，关键途径之一在于开展注重学生学习过程的多样化教学形式。在教学过程中，教师应该让学生明确课程性质、章节的学习目标、课堂学习要求、具体考核方法，进而学生可以合理地规划自己的学习时间。因此，在新的考核制度中，课程的总成绩应该涵盖学生的分组讨论参与度、PPT汇报情况评估、作业成绩、线上学习成绩、随堂任务、期中和期末考试等部分。在实行新的考核制度的过程中，我们可以采取摸索前进模式，逐步发展，直至建立一整套成熟的考核评估制度。
四 小结
本文根据《半导体器件物理》课程教学过程中的问题，笔者提出了四点教学改革策略：（1）改变课堂教学方式，以加强师生间的互动交流；（2）自编讲义构筑理论与实际应用的桥梁，引导学生将理论与当前科技的发展相联系；（3）开发、设计具有探索性和趣味性的实验，以增强学生实践创新能力。注重理论与实践并举的教学方式，可以有效地促进学生对复杂物理过程的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力。（4）建立注重学习过程的考核方式，着重强调学习过程的重要性，培养学生的良好学习习惯。
参考文献
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