張 超， 封先鋒， 李世光， 臧 源， 馬 麗

(1. 西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048 2. 西安理工大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。集成電路的基石即半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為制約我國進(jìn)一步發(fā)展的“卡脖子問題”。對集成電路相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)人才的教育和培養(yǎng)，是保證集成電路產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

“半導(dǎo)體物理”是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程、集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)等電子信息類專業(yè)的核心課程，內(nèi)容涵蓋半導(dǎo)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體載流子及其輸運(yùn)性質(zhì)、非熱平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體，pn結(jié)，金屬和半導(dǎo)體接觸，半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu),異質(zhì)結(jié)與納米結(jié)構(gòu)。該課程涉及理論知識面廣，基本概念繁多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往只能機(jī)械記憶而難以理解各項(xiàng)參數(shù)的物理含義，難以將理論知識應(yīng)用到具體的半導(dǎo)體專業(yè)實(shí)踐中去。因此，各高校都開設(shè)了不同層次不同形式的半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生深入理解理論知識，培養(yǎng)學(xué)生解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。目前，各高校開設(shè)半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的形式內(nèi)容都有所差異，特別是地方院校，限于教學(xué)經(jīng)費(fèi)與師資，存在一些不同程度的問題。因此，為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，加強(qiáng)人才培養(yǎng)質(zhì)量，本文針對目前半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，從實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)考核方式、實(shí)驗(yàn)安全等多個(gè)方面進(jìn)行了改革實(shí)踐。

1 地方院校開設(shè)“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”存在的困難

“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”是面向電子信息類專業(yè)針對半導(dǎo)體物理的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，其內(nèi)容涵蓋了半導(dǎo)體材料及器件相關(guān)特性參數(shù)的測量與表征。目前大部分院校的半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)為獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)，少部分院校將其設(shè)置為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

近年來，多所高校針對“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)進(jìn)行了探索與改革。陳平等人將半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)與工藝實(shí)習(xí)相結(jié)合，旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，但其課程銜接不適用于其他高校[1]。盛威等人提出了用半導(dǎo)體材料和器件模擬平臺搭建虛擬半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，彌補(bǔ)部分實(shí)踐不足，但對學(xué)生實(shí)際工程能力的培養(yǎng)還有所欠缺[2]。盛英卓等人從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上對半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，取得了良好的教學(xué)效果[3]。連曉娟將材料計(jì)算軟件MS引入到教學(xué)當(dāng)中，為半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)新的思路[4]。段曉玲等人從多角度探討了半導(dǎo)體工藝檢測課程實(shí)驗(yàn)存在的問題，并給出了一定的應(yīng)對措施[5]。通過以上的各種教學(xué)改革研究，半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)在近年來取得了長足的進(jìn)步。但值得注意的是，以上相當(dāng)一部分半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是在雙一流高校中開展的，對于地方本科院校，還有許多問題亟待解決。

目前，地方院?！鞍雽?dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)普遍存在教師隊(duì)伍建設(shè)不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法老套，考核方式單一，以及實(shí)驗(yàn)安全弱化等多方面問題。具體分析如下。

1.1 教師隊(duì)伍建設(shè)不足

實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍在高校中往往不被重視，特別在地方院校更為突出。不同于博士師資的理論課教師，大部分地方高校實(shí)驗(yàn)教師依然是碩士、本科學(xué)歷，缺乏相應(yīng)的培訓(xùn)再教育體系。有的高校將實(shí)驗(yàn)教師歸在教學(xué)輔助人員，在管理上與專任師資差別對待，打擊了實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的積極性。部分地方高校甚至沒有專職實(shí)驗(yàn)教師而采取理論課教師兼職帶實(shí)驗(yàn)的方式。由于實(shí)驗(yàn)師資配備不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師無暇進(jìn)行教學(xué)研究和改革，間接造成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法老套的問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍平均年齡偏大，青年教師不愿意進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)崗位。對于實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的建設(shè)是保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首要條件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍綜合水平是目前急需解決的問題。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)涉及面廣，需要多套精密昂貴的專業(yè)設(shè)備，如C-V測試儀，分光光度計(jì)，霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀等。地方高校由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)所限，往往難以大量購買多套半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前多數(shù)地方院校中產(chǎn)于上世紀(jì)七八十年代的儀器仍然還在工作，其實(shí)驗(yàn)方法早已落后先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，精度遠(yuǎn)不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，教學(xué)效果大打折扣。

1.3 教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法老套、考核方式單一

近年來半導(dǎo)體行業(yè)飛速發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)不斷更新，涌現(xiàn)了許多與半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)相關(guān)的新內(nèi)容。而目前的半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容因循守舊，與先進(jìn)技術(shù)差距較大，與行業(yè)實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。對于半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新勢在必行。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多為教師現(xiàn)場演示，由于設(shè)備場地限制，實(shí)驗(yàn)分組人數(shù)較多，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高，無法有效掌握實(shí)驗(yàn)操作技能及實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)考核方式上，部分高校采取實(shí)驗(yàn)報(bào)告平均成績加權(quán)得到最終實(shí)驗(yàn)成績的方式，忽略了學(xué)生的操作技能及對實(shí)驗(yàn)原理的理解與掌握，存在部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告互相抄襲的情況。因此，為保障良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才，對于半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)考核方式都應(yīng)該進(jìn)行深入的改革。

1.4 實(shí)驗(yàn)安全弱化

目前，多數(shù)高校在半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基本沒有涉及到對學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全的培訓(xùn)。而半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)涉及到多個(gè)危險(xiǎn)源，如對硅單晶樣品進(jìn)行缺陷觀察時(shí)，需要用到酸堿等危險(xiǎn)化學(xué)品；在進(jìn)行激光反射法及X射線衍射法測量單晶硅晶向使會(huì)有強(qiáng)激光及X射線產(chǎn)生；在汞探針法測量時(shí)，會(huì)用到有毒金屬汞。因此，對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全的教育是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提。

2 我校在“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”中所采取的舉措

“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生在知識應(yīng)用和基本實(shí)驗(yàn)技能方面得到系統(tǒng)地訓(xùn)練。我校結(jié)合自身地方高校特點(diǎn)，通過調(diào)研大量高校半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)情況，采取多方面舉措，進(jìn)行“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力、符合現(xiàn)代社會(huì)及行業(yè)需求的復(fù)合型人才。

2.1 成立課程教學(xué)小組

實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍弱化，綜合實(shí)力不足等問題，我們成立了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程小組，定期進(jìn)行課程小組教學(xué)研討會(huì)，對半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)相關(guān)的新理論、新技術(shù)、新方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。加強(qiáng)同其他高校半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)相關(guān)專家之間的交流學(xué)習(xí)。重視實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的進(jìn)修，選派實(shí)驗(yàn)教師攻讀博士學(xué)位。通過以上舉措，可以較好的提升實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍綜合水平，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力保障。

2.2 更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺，良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的必要條件。由于地方高校教學(xué)經(jīng)費(fèi)所限，無法進(jìn)行大批量先進(jìn)設(shè)備的購置。因此，我們首先通過改變實(shí)驗(yàn)授課方式，在半導(dǎo)體物體實(shí)驗(yàn)室中同時(shí)開設(shè)不同實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)只需保證至少兩臺套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備即可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在這種授課方式下，我們對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了分批次更新，購置了新型C-V測試儀、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀、汞探針臺等設(shè)備。由于每種設(shè)備只購置兩套，且分批次進(jìn)行，有效的解決了教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張的問題。這種模式下的實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率得到了極大的提高。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心，是培養(yǎng)人才的核心關(guān)鍵點(diǎn)。對于半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，各個(gè)學(xué)校各有側(cè)重。課程小組認(rèn)為，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)上承“固體物理”、“半導(dǎo)體物理”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，下啟“半導(dǎo)體器件”、“半導(dǎo)體工藝”、“半導(dǎo)體材料”等專業(yè)核心課程，同時(shí)還要為后續(xù)的專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)打好基礎(chǔ)。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)涵蓋半導(dǎo)體材料微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、基本參數(shù)以及半導(dǎo)體器件工藝參數(shù)的測試。而對于半導(dǎo)體材料的制備、激光器的應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在其他相關(guān)專業(yè)課程中開設(shè)，不應(yīng)占據(jù)半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。課程小組基于“半導(dǎo)體物理”課程教學(xué)內(nèi)容及其與其他課程的連貫性，設(shè)置了多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置如表1所示。

表1 半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)層次，分別包括基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)五個(gè)，提高型實(shí)驗(yàn)三個(gè)，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)六個(gè)。基礎(chǔ)型和提高型實(shí)驗(yàn)全部為必修，使得學(xué)生掌握基本的測量手段，理解相應(yīng)半導(dǎo)體物理基本概念的物理含義，學(xué)會(huì)相對大型復(fù)雜儀器的使用，并應(yīng)用于半導(dǎo)體物理相關(guān)參數(shù)測量中。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光測量實(shí)驗(yàn)為必修，其余五個(gè)實(shí)驗(yàn)為選修，但要求學(xué)生至少選做兩個(gè)。通過綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生能夠針對相應(yīng)測試目標(biāo)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成對學(xué)生能力的培養(yǎng)。

2.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)考核方式

課程小組利用云課堂，引入線上線下教學(xué)相結(jié)合的模式。通過提前發(fā)布實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生自主線下進(jìn)行學(xué)習(xí)，課上教師隨機(jī)提問，有效解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度不高，無法有效掌握實(shí)驗(yàn)操作技能的問題。

由于原有實(shí)驗(yàn)考核方式太過單一，無法真實(shí)有效的評測學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。課程組設(shè)置了四模塊的考核方式，包括預(yù)習(xí)成績、實(shí)驗(yàn)操作成績、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績、實(shí)驗(yàn)考試成績。通過多樣的考核手段，對學(xué)生進(jìn)行多個(gè)維度的考察，取得了良好的效果。

2.5 開展實(shí)驗(yàn)安全教育

實(shí)驗(yàn)安全是一切工作的前提。課程組建立了實(shí)驗(yàn)室安全考試系統(tǒng)，通過學(xué)生自主網(wǎng)上學(xué)習(xí)并進(jìn)行答題，獲得實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入許可證后方可開展實(shí)驗(yàn)，有效的保障了實(shí)驗(yàn)的安全開展。在實(shí)驗(yàn)室安全考試的過程中，加入了半導(dǎo)體行業(yè)工程實(shí)踐對環(huán)境所產(chǎn)生的影響，培養(yǎng)了學(xué)生的工程職業(yè)道德，為后續(xù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)等工程實(shí)踐活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。

3 實(shí)踐成效

我?！鞍雽?dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)多方面的改革均取得了顯著的效果。實(shí)驗(yàn)課程小組的建立提高了實(shí)驗(yàn)人才隊(duì)伍的綜合實(shí)力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)化更新為學(xué)生接觸專業(yè)前沿、貼近工程實(shí)際提供了機(jī)會(huì)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革使得學(xué)生打破了時(shí)空的限制，通過線上預(yù)習(xí)、線下試驗(yàn)、線上復(fù)習(xí)使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度極大提高，促進(jìn)了學(xué)生對于學(xué)習(xí)成果的鞏固。實(shí)驗(yàn)考核方式的優(yōu)化改變了以往學(xué)生只重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輕視實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的現(xiàn)象，讓學(xué)生在能力、知識、素養(yǎng)多方面得到鍛煉。實(shí)驗(yàn)安全考試系統(tǒng)的建立保障了學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全開展，并使得學(xué)生在安全、環(huán)境、工程職業(yè)道德等方面得到了培養(yǎng)。

4 結(jié)語

“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”對于學(xué)生理論知識的深入理解以及工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)十分重要。通過從實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)考核方式、實(shí)驗(yàn)安全等多個(gè)方面對半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列改革，有效的促進(jìn)了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，為培養(yǎng)新時(shí)代半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)人才提供了有力保障。