張學(xué)亮

(貴州理工學(xué)院，貴陽(yáng) 550003)

新能源材料與器件專業(yè)與新能源、新材料產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，目的是研究開(kāi)發(fā)下一代高性能、綠色、低碳的能源新材料、新技術(shù)與器件(如新型化學(xué)電源、燃料電池、太陽(yáng)能電池和電解水材料)[1]。本專業(yè)擬培養(yǎng)新能源材料專門人才，要求掌握新能源材料的基本理論、制備過(guò)程、測(cè)試技術(shù)與分析方法，了解下一代能源材料科學(xué)的發(fā)展方向，具備開(kāi)發(fā)新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力[2]。

半導(dǎo)體物理與器件作為新能源材料與器件的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生了解半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)有重要意義，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解和掌握常見(jiàn)半導(dǎo)體器件的物理特性和相關(guān)應(yīng)用。該課程的教學(xué)效果與學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，有必要對(duì)半導(dǎo)體物理與器件課程進(jìn)行教學(xué)建設(shè)與改革。

1 半導(dǎo)體物理與器件課程的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 缺少合適教材

對(duì)于半導(dǎo)體物理與器件課程來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外都有一些經(jīng)典教材，如國(guó)內(nèi)劉恩科，羅晉生等主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，施敏等編著的《半導(dǎo)體器件物理》，國(guó)外Donald A.Neamen編著的《Semiconductor physics and devices》等。但現(xiàn)有教材大都不適用于工科學(xué)校，因?yàn)榻滩闹蟹爆嵉睦碚摵凸酵茖?dǎo)加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，影響了教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，教材中內(nèi)容過(guò)多，不利于學(xué)時(shí)較少的非物理專業(yè)進(jìn)行教學(xué)安排，而且有些專業(yè)知識(shí)對(duì)于剛接觸專業(yè)課的學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定困難。

1.2 公式推導(dǎo)難度大

半導(dǎo)體物理與器件課程理論深?yuàn)W、學(xué)科性強(qiáng)、公式推導(dǎo)復(fù)雜，缺乏引導(dǎo)式的教學(xué)方式，達(dá)不到理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相銜接的目的，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳[3]。應(yīng)用型本科類高校在半導(dǎo)體物理與器件課程上的學(xué)時(shí)分配較少，很難抽出時(shí)間對(duì)教材中的公式進(jìn)行全部推導(dǎo)，而學(xué)生自己推導(dǎo)又存在困難。

1.3 課程排布不具有連續(xù)性

半導(dǎo)體物理與器件課程一般安排在第五學(xué)期，要求學(xué)生先修完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、量子力學(xué)等相關(guān)課程。但由于不同專業(yè)方向?qū)W(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同以及課時(shí)沖突，上述課程不能完全安排。教師在講授半導(dǎo)體物理與器件課程之前，需花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)補(bǔ)充晶體結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)基礎(chǔ)、能帶論等內(nèi)容。

1.4 教學(xué)模式過(guò)于僵化

多媒體是一種很好的教學(xué)方式，高校也配備了多媒體教學(xué)設(shè)備，但不管是單獨(dú)用板書還是單獨(dú)用多媒體，或者是板書與多媒體相結(jié)合，學(xué)生都會(huì)對(duì)教師或板書產(chǎn)生依賴心理，而且會(huì)對(duì)課程中的公式推導(dǎo)過(guò)程選擇性忽視，只記住其中的結(jié)論，教學(xué)效果不理想。

2 教學(xué)改革內(nèi)容與具體方法

2.1 結(jié)合學(xué)校定位和專業(yè)特色選定合適教材

貴州理工學(xué)院是一所以工學(xué)為主體，工學(xué)、理學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的理工類本科院校。學(xué)校的人才培養(yǎng)方案是根據(jù)CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)思想制定的，強(qiáng)調(diào)教學(xué)必須以學(xué)生為中心，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

教學(xué)模式為OBE模式(Outcomes-based education)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生最后取得的學(xué)習(xí)成果。在OBE模式的指導(dǎo)下，每門課程必須清楚制定出學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后應(yīng)達(dá)到的能力和水平，并通過(guò)教學(xué)文件中制定的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容來(lái)完成，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。為達(dá)成此目標(biāo)，在選擇教材時(shí)應(yīng)偏向理論推導(dǎo)相對(duì)簡(jiǎn)單、以器件為主和面向應(yīng)用的教材。

2.2 結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)編制教學(xué)文件

半導(dǎo)體物理與器件課程的概念多、公式多，如果只是向?qū)W生灌輸抽象的概念，則很難提高學(xué)生的積極性，容易使學(xué)生進(jìn)入越理解不了越記公式，越記公式越理解不了的惡性循環(huán)。

結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，對(duì)教學(xué)文件進(jìn)行了如下改善：首先，在導(dǎo)論部分就讓學(xué)生清楚了解課程結(jié)構(gòu)，通過(guò)觀看精心選擇的多媒體文件來(lái)讓學(xué)生對(duì)本課程所學(xué)有一個(gè)認(rèn)識(shí)。其次，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，讓學(xué)生了解每一章所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，舉一些實(shí)際例子，讓他們熟悉教師的講授線索和講課風(fēng)格。最后，要用通俗易懂的語(yǔ)言讓學(xué)生對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行聯(lián)想。例如，在講晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以座位為例來(lái)講授點(diǎn)陣、晶面、晶向等概念。

在講授電子遷移時(shí)，可以讓學(xué)生想象水的流動(dòng)。在講能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將費(fèi)米能級(jí)比作水平面，異質(zhì)結(jié)之間電子的遷移可以看做是水流的運(yùn)動(dòng)。

2.3 采用多種專業(yè)軟件使基本公式可視化

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，一些計(jì)算機(jī)輔助及模擬軟件逐漸被應(yīng)用于科學(xué)研究中，這些軟件具有清晰的界面，可將一些物理現(xiàn)象可視化，非常適合引入半導(dǎo)體物理與器件課程教學(xué)中，比如MATLAB、Aether、Mathematica等軟件。

MATLAB是Mathworks公司出品的一款功能強(qiáng)大的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，可以用MATLAB軟件模擬一些物理現(xiàn)象，并分析器件的特性，使結(jié)果以圖形化輸出[4]。

使用MATLAB軟件輔助教學(xué)可以幫助學(xué)生掌握公式在實(shí)際分析中的運(yùn)用方式，形成圖像記憶，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如，費(fèi)米分布函數(shù)f(E)是一個(gè)重要概念，它描述了在熱平衡條件下能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率。對(duì)于非物理專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，剛開(kāi)始接觸這個(gè)概念理解起來(lái)非常困難，而應(yīng)用MATLAB就可以讓學(xué)生清晰直觀了解費(fèi)米分布函數(shù)受溫度影響的規(guī)律[5]。

Aether軟件是我國(guó)自主研發(fā)的集成電路設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)器件和電流進(jìn)行仿真模擬。將Aether軟件引入半導(dǎo)體物理與器件課程教學(xué)中可以使學(xué)生理解半導(dǎo)體器件的工作原理、電路特性以及參數(shù)對(duì)性能的影響，使教學(xué)內(nèi)容更直觀。例如，在降解MOSFET結(jié)構(gòu)時(shí)，利用Aether軟件可以對(duì)電路進(jìn)行仿真，使學(xué)生更深刻認(rèn)識(shí)到MOSFET結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及各個(gè)參數(shù)對(duì)輸出電路的影響[6]。

Mathematica軟件是一款科學(xué)計(jì)算軟件，較結(jié)合了數(shù)值和符號(hào)計(jì)算引擎、圖形系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、文本系統(tǒng)，可以利用其開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體物理與器件課程的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。這樣既可以減少對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的投入，又可以讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理模型和理論公式，加深對(duì)半導(dǎo)體物理概念和器件原理的理解[7]。