吳宏偉+陳華俊

【摘 要】基于對當(dāng)前半導(dǎo)體物理教學(xué)模式的思考以及在實際教學(xué)過程中得到的教學(xué)效果反饋，提出幾點關(guān)于傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新構(gòu)想。將實驗教學(xué)融入到理論課程的教學(xué)中，充分利用多媒體教學(xué)工具和數(shù)值模擬軟件，以研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式代替灌輸式教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用半導(dǎo)體物理知識解決實際問題的能力。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體物理學(xué)；教學(xué)模式改革；教學(xué)方法創(chuàng)新

【Abstract】Based on the considering of present teaching mode for semiconductor physics and the feedback of teaching effect，we present several conceptions about the reformation and innovation in the education of semiconductor physics.Blending the experimental teaching into theory course， useing multi-media and numerical simulation software，replacing the force-feeding teaching mode with research teaching model，to improve students' learning interest and efficiency and train the capacity of solving the practical problem by applying the knowledge of semiconductor physics.

【Key words】Semiconductor physics；Teaching mode reform；Teaching method innovation

自第一塊基于半導(dǎo)體材料設(shè)計的晶體管從貝爾實驗室誕生以來，人們借助半導(dǎo)體器件已經(jīng)設(shè)計出了各種各樣的微電子器件滿足人們生產(chǎn)、生活的各種需求，人類從此進(jìn)入了飛速發(fā)展的微電子時代。隨著半導(dǎo)體物理的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步，微電子器件在尺寸上更加小型化和功能上更加多元化，集成電路上可容納的微電子元件每18個月可以翻一番，這一規(guī)律也被人們稱之為“摩爾定律”[1]。在半導(dǎo)體材料和功能器件飛速發(fā)展的今天，人們對半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)顯得更加重要。因此，國內(nèi)大多數(shù)理工科高等院校都開設(shè)了半導(dǎo)體物理學(xué)課程，為學(xué)生將來走進(jìn)以半導(dǎo)體物理為基礎(chǔ)的公司和企業(yè)工作打下理論基礎(chǔ)。然而，半導(dǎo)體物理學(xué)課程由于其涉及內(nèi)容范圍廣、知識點甚多、公式推導(dǎo)復(fù)雜以及內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)等原因使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會產(chǎn)生恐懼、厭學(xué)等情緒。另外，由于該學(xué)科領(lǐng)域是國際科學(xué)研究熱點之一，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，知識快速更新，新的理論和知識不斷涌現(xiàn)。因此，教授半導(dǎo)體物理學(xué)課程的教師應(yīng)該在教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采取更直接、形象的教學(xué)方法向?qū)W生闡釋半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識，并結(jié)合當(dāng)今該領(lǐng)域的科學(xué)研究前沿向?qū)W生展現(xiàn)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，提高學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生知識的積累和思維的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生利用半導(dǎo)體材料設(shè)計電子器件、搭建集成電路的技能。筆者結(jié)合近一年來對半導(dǎo)體物理學(xué)課程的講授與教學(xué)效果的反饋提出幾點關(guān)于半導(dǎo)體物理學(xué)課堂教學(xué)改革和創(chuàng)新的構(gòu)想。

1 半導(dǎo)體物理學(xué)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 理論與實驗課程結(jié)合不充分

目前，大多數(shù)高等院校所開設(shè)的半導(dǎo)體物理學(xué)理論課程與實驗課程是相分離的并由不同任課教師講授。另外，理論課程與實驗課程在開課的時間上也不一致，通常是理論課程的老師講授完所有相關(guān)課程以后，學(xué)生再去實驗室隨實驗指導(dǎo)教師完成實驗學(xué)習(xí)，理論與實驗課程在時間上一般相差半個學(xué)期。這樣的安排會導(dǎo)致兩方面的問題：第一，理論課程與實驗課程教師的不統(tǒng)一。理論課程的教師僅僅完成理論部分的教學(xué)任務(wù)，不能從學(xué)生的角度考慮實驗教學(xué)對理論基礎(chǔ)的補(bǔ)充對學(xué)生理解理論內(nèi)容的作用。同時，實驗指導(dǎo)教師也僅僅考慮自己在實驗教學(xué)過程中應(yīng)該完成的教學(xué)任務(wù)，并不能與理論課程教師進(jìn)行很好地溝通，在教學(xué)效果上不能產(chǎn)生合力作用。第二，理論課程與實驗課程時間的不統(tǒng)一。理論課程的教學(xué)時間與實驗課程的教學(xué)時間相差半個學(xué)期導(dǎo)致學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中所產(chǎn)生的疑問和想法很難及時的在實驗中解決和證實。學(xué)生很難將學(xué)到的知識及時運(yùn)用到實際的應(yīng)用中，這不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣也影響了學(xué)習(xí)的效率。

1.2 多媒體教學(xué)工具運(yùn)用不充分

半導(dǎo)體物理學(xué)課程因具有理論性強(qiáng)，物理概念抽象，物理過程難以觀察等特點。因此，授課教師應(yīng)該設(shè)計一些課程動畫以讓學(xué)生直觀感受半導(dǎo)體材料中難以觀察到的物理過程，深刻理解物理概念。然而，很多高等院校雖然開設(shè)了半導(dǎo)體物理課程，但是大多數(shù)教師依然是網(wǎng)上搜索下載別人的課件，或者僅僅是復(fù)制一些課本上的文字內(nèi)容以及少數(shù)的圖表內(nèi)容，很少有授課教師花時間將一些半導(dǎo)體物理過程，如載流子濃度、費(fèi)米能級隨溫度及摻雜濃度的變化等用動畫形式向?qū)W生展示。筆者了解到，半導(dǎo)體物理學(xué)課程授課教師以課件向?qū)W生展示文字和圖表信息和以板書形式向?qū)W生展示物理公式推導(dǎo)過程所得到的教學(xué)效果并不理想。老師花了很多時間推導(dǎo)公式，講解公式得到的結(jié)論和物理意義，然而學(xué)生往往不能透徹理解和體會，得到的教學(xué)效果往往事倍功半，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也可想而知。

1.3 教師對科學(xué)前沿涉及不充分

筆者了解到，老師對半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的科學(xué)前沿不關(guān)心，在講課過程中也很少涉及到前沿內(nèi)容的講解。老師嚴(yán)格按照教材上的內(nèi)容講解，至于教材里的基礎(chǔ)知識在電子器件中是怎樣應(yīng)用的內(nèi)容基本不作闡述。對于基于半導(dǎo)體物理的科學(xué)研究前沿知識，授課教師更是視為與本課程無關(guān)的內(nèi)容而被忽略。然而，以半導(dǎo)體物理學(xué)為基礎(chǔ)的實際應(yīng)用以及科研前沿介紹是使學(xué)生消化所學(xué)內(nèi)容和提高學(xué)習(xí)興趣的一個關(guān)鍵措施。如果授課教師可以以教材中的部分內(nèi)容為出發(fā)點，向?qū)W生介紹其在實際生活中的應(yīng)用以及目前的科學(xué)研究現(xiàn)狀，必然會引起學(xué)生對這些內(nèi)容的重視，并通過網(wǎng)絡(luò)搜索、查閱專業(yè)書籍等手段學(xué)習(xí)相關(guān)知識點。

2 半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)模式改革的構(gòu)想

如何有效地提高學(xué)生對半導(dǎo)體物理課程學(xué)習(xí)的興趣以及加強(qiáng)教師對半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)效率的重視是目前半導(dǎo)體物理學(xué)課堂教學(xué)過程中需要解決的問題。筆者結(jié)合在半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)過程中所遇到的問題和學(xué)生給予的教學(xué)反饋信息，提出幾點對半導(dǎo)體物理課堂教學(xué)模式改革的構(gòu)想。

2.1 理論課程與實驗教學(xué)有機(jī)融合

半導(dǎo)體物理學(xué)不僅是一門具有很強(qiáng)系統(tǒng)性的理論課程，更是一門具有很強(qiáng)可操作性的實驗課程。因此，以理論引導(dǎo)實驗，以實驗驗證理論，是半導(dǎo)體物理學(xué)課程不可缺少的環(huán)節(jié)。然而，通常高校開設(shè)的半導(dǎo)體物理學(xué)理論課程與實驗課程往往是分離的且兩者之間時間跨度大，這種不合理的安排導(dǎo)致理論教學(xué)過程得不到實驗的驗證，實驗課程得不到理論的指導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程時，由于半導(dǎo)體物理學(xué)理論知識具有知識點繁多，理論推導(dǎo)復(fù)雜，物理過程難以理解等問題，特別容易產(chǎn)生厭學(xué)和抵觸情緒。因此，半導(dǎo)體物理學(xué)的理論課程和實驗課程可以調(diào)整為同一人授課，并且理論和實驗部分的課程安排不應(yīng)該有明顯的界限，授課教師可以按照需要將理論和實驗課程合理調(diào)整。例如，理論課程的回旋共振內(nèi)容講解完后，可以在下一節(jié)課帶領(lǐng)學(xué)生動手做回旋共振實驗，讓學(xué)生親自動手測量半導(dǎo)體硅、鍺等材料的有效質(zhì)量，進(jìn)而讓學(xué)生回顧前面所學(xué)內(nèi)容，親身感受到半導(dǎo)體物理學(xué)中是如何獲得有效質(zhì)量以及有效質(zhì)量的意義。

此外，授課教師也應(yīng)該將部分簡單易操作的實驗在課堂上加以演示，將理論推導(dǎo)得到的結(jié)果以實驗的形式及時加以驗證，將知識點穿插在實驗演示過程中講解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率以及學(xué)習(xí)興趣。比如，授課教師可以組織學(xué)生走上講臺，以剛學(xué)不久的理論知識為基礎(chǔ)，親自動手測量實驗數(shù)據(jù)，觀察實驗現(xiàn)象和總結(jié)實驗結(jié)論。整個實驗以學(xué)生為主，實驗過程中遇到問題，由老師引導(dǎo)學(xué)生解決問題，分析產(chǎn)生問題的原因。這樣一來，就充分調(diào)動了學(xué)生的潛在興趣和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力，提高了學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)理論知識的掌握。

2.2 理論講解與多媒體教學(xué)工具的有機(jī)結(jié)合

半導(dǎo)體物理學(xué)課程的教學(xué)中除了需要講解復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)以外，還需要向?qū)W生講解復(fù)雜的物理過程。例如，半導(dǎo)體材料中的電子是怎樣在周期性勢場中運(yùn)動的，半導(dǎo)體的載流子濃度怎樣隨著溫度和摻雜濃度變化等一些物理過程。然而，這些物理過程是一個微觀過程，學(xué)生很難建立起物理圖像。授課教師可以將這些復(fù)雜的物理過程和抽象的物理概念通過動畫的形式向?qū)W生展現(xiàn)，使內(nèi)容更加直觀化、形象化，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和降低學(xué)習(xí)難度。

此外，授課教師可以將一些重要的物理過程以作業(yè)的形式布置給學(xué)生，要求學(xué)生課下以自己的理解制作動畫。由于半導(dǎo)體物理課程通常是安排在大學(xué)三年級學(xué)習(xí)，所以學(xué)生已具備了簡單的電腦制作知識以及數(shù)值計算軟件Matlab和Mathematica等，制作半導(dǎo)體物理學(xué)課程中的物理過程動畫是可以完成的。學(xué)生的作品可以在下一次課堂上展現(xiàn)并由學(xué)生向大家講解其理解的物理過程與物理概念，在講解過程中老師可以判斷學(xué)生理解的有無偏差。如果學(xué)生有理解錯誤的地方，老師可以及時糾正并加以重述和解釋。如果學(xué)生對概念和物理過程理解的正確，老師可以對其加以肯定并強(qiáng)化概念和過程，讓班級其他同學(xué)能加深印象。這樣不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性和參與意識，淡化了課內(nèi)外的時間界限，教學(xué)不再只是課內(nèi)的事情。

2.3 基礎(chǔ)理論與科學(xué)前沿的有機(jī)結(jié)合

半導(dǎo)體物理學(xué)不僅是微電子器件、集成電路等實際生產(chǎn)應(yīng)用方面的基礎(chǔ)理論，而且還是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的重要研究方向之一。同時，因為該學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展極為迅速，新的理論和研究前沿不斷涌現(xiàn)，研究領(lǐng)域不斷拓展，學(xué)科之間交叉頻繁導(dǎo)致教材的內(nèi)容陳舊，基礎(chǔ)理論不夠用的尷尬局面[2]。高等院校開設(shè)半導(dǎo)體物理學(xué)這門課程其本意是要培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握半導(dǎo)體物理學(xué)基本概念和基礎(chǔ)知識，結(jié)合半導(dǎo)體物理學(xué)實驗課程培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和發(fā)明新型微電子器件的能力。因此，授課教師在講授半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)理論的同時還必須要介紹最新的研究成果，向?qū)W生傳遞最新研究成果與教材上相關(guān)內(nèi)容的關(guān)系以及最新研究成果在哪些方面具有突破性的進(jìn)展。在保持原有基礎(chǔ)理論體系的完整性的同時，加入大量發(fā)展成熟的新理論和新知識，突出研究熱點問題不僅可以讓學(xué)生對半導(dǎo)體的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢有一個清晰的認(rèn)識，也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握，還可以培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新的能力。

除此以外，很多高校都有大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，授課教師可以作為項目指導(dǎo)教師鼓勵學(xué)生積極申報學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，根據(jù)學(xué)生的不同興趣和愛好，選定幾個有針對性的課題讓學(xué)生參加，定向式培養(yǎng)和指導(dǎo)學(xué)生完成課題，提高學(xué)生動手能力和運(yùn)用已學(xué)知識解決實際問題的能力。同時，授課教師也可以鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的想法做一些挑戰(zhàn)杯、學(xué)術(shù)研究以及應(yīng)用型專利申請等項目。創(chuàng)新項目的參與過程不僅可以讓學(xué)生更深刻地掌握已學(xué)知識，而且可以讓學(xué)生意識到半導(dǎo)體物理學(xué)的重要性和實用性。

3 結(jié)論

半導(dǎo)體物理學(xué)的教學(xué)模式不應(yīng)該是一成不變的傳統(tǒng)教學(xué)模式，而是應(yīng)該不斷融入新知識、新理論、新方法的開放式教學(xué)模式。教學(xué)活動應(yīng)該以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率為主要教學(xué)目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力為教學(xué)宗旨。隨著科技進(jìn)步和社會的發(fā)展，半導(dǎo)體物理學(xué)教學(xué)模式和教學(xué)方法亟待改革和創(chuàng)新，調(diào)整陳舊的教學(xué)模式，摒棄僵化的教學(xué)方法，更新過時的教學(xué)理念，采用先進(jìn)的教學(xué)方法，利用豐富的教學(xué)資源，為國家培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的新一代大學(xué)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1]晏世雷.晶體管與半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展[J].物理教師，2002（5）：48-50.

[2]王印月，趙猛.改革半導(dǎo)體課程教學(xué)融入研究性學(xué)習(xí)思想[J].高等理科教育， 2003（1）：69-71.

[責(zé)任編輯：田吉捷]