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        地方普通本科高?!栋雽w物理》雙語教學實踐與探索*

        2022-03-07 09:34:38邵靜孟維利程宏偉
        智庫時代 2022年7期
        關鍵詞:英文物理教學內容

        邵靜 孟維利 程宏偉

        (蚌埠學院數理學院)

        地方普通本科高校向應用技術型轉型是我國優(yōu)化高等教育結構、促進地方普通本科高校健康持續(xù)發(fā)展、提升本科畢業(yè)生質量與就業(yè)競爭力的重大戰(zhàn)略舉措[1]。根據教育部頒布的《關于地方普通本科高校轉型發(fā)展的指導意見》,全國地方高校掀起了一場轉型熱潮[2-5]。為響應《指導意見》的號召,蚌埠學院將對本科生的培養(yǎng)目標更新為“培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應用型人才”。理學院材料物理專業(yè)積極向這一培養(yǎng)目標靠攏,將材料物理、光電信息科學與工程專業(yè)課程相結合,增強了專業(yè)的工科屬性,也決定了材料物理專業(yè)建設的方向?;诓牧衔锢韺I(yè)新增的光電方向內容,培養(yǎng)方案中設置了《太陽能電池基礎》《光電功能材料與器件》《光電顯示與光全息存儲》《信息功能材料學》等光電特色鮮明的課程。而《半導體物理》是半導體科學的理論基礎,它主要介紹了半導體材料和器件中的重要物理現象,闡述了半導體物理性質和理論,確定了半導體有關物理量的實驗方法[6]。課程的目的和任務是使學生獲得半導體物理方面的基本理論、基本知識和方法,為上述課程的學習奠定必要的理論基礎。

        作為材料物理專業(yè)必修課,《半導體物理》涉及大量的模型、概念和公式,需要較多的理論知識作為前提,涉及量子力學、熱力學統(tǒng)計物理、電動力學和固體物理等學科[7]。而材料物理專業(yè)學生已經完成了這些先導課程,具有一定的理論基礎。在這一背景下,學生仍然在學習過程中出現了“覺得枯燥”“課程內容很難”等負面的學習反饋,而學期末的考核結果也表明學生對課程內容的掌握有限。為了改變這一現象,首先要從采用新的教學方法,提高教師個人教學能力著手。經教研團隊研討分析,認為可以吸取前人經驗[8-10],首先進行相對容易開展的“雙語教學”課程改革。一方面,推動雙語教學課程建設,探索有效的教學方法和模式,可以切實提高大學生的專業(yè)英語水平和直接使用英語從事科研的能力[11]。另一方面,我們希望通過該教學實踐,推動任課教師重新梳理教學內容,調節(jié)教學內容的難度,改變教學思路,探索出能夠提升教學質量和提高學生學習動力的方法,同時為其他課程教學提供參考。我們在2018級材料物理和2019級材料物理的《半導體物理》課程教學中試行了雙語教學?,F在基于此淺談一下雙語課程教學的探索與實踐所得。

        一、梳理教學內容,調節(jié)雙語課程內容難度和廣度

        半導體物理教材涉及的知識點范圍廣,部分內容難度較大。經典的中文教程(劉恩科版[12])包括半導體物理基礎、半導體器件基礎和半導體的性質三部分,而經典的英文教程(尼曼版)[13]囊括了半導體物理基礎、半導體器件基礎和半導體基本器件三部分。受工科專業(yè)培養(yǎng)方向導向影響,本理論課程僅設置了48課時教學時長,難以覆蓋所有教材內容。通過評估蚌埠學院學生一般水平,本課程教學內容以半導體物理基礎為主,并將基礎理論應用于半導體器件,前者包括量子力學基礎、半導體能帶結構、非平衡載流子、載流子輸運章節(jié),后者包括半導體pn結,金屬-半導體的接觸和場效應晶體管章節(jié)。為了增強課程學習的目的性,有必要建立一條章節(jié)脈絡,幫助學生理清課程學習思路。如圖1所示,在課程緒論部分就可以以場效應晶體管為例向學生介紹半導體器件結構。作為半導體物理課程中涉及的主要器件類型,場效應晶體管(MOSFET)結構明確,工作原理容易描述,非常適合為尚未接觸半導體物理的學生作基礎講解。MOSFET的結構涉及三種基本結構單元—MOS capacitor(金屬-氧化物-半導體電容器),MS junction(金屬-半導體結)和pn junction(pn結),想要獲得MOSFET的工作曲線(characteristics)則需要了解這三種結構在外加電場作用下的電流密度-電壓關系(J-V),而作為組成這三種結構的基礎單元,半導體的導電性與半導體中載流子密度n有關,n又取決于半導體的能帶結構(E~k)。采用這種倒敘的方法可以向學生清晰地展示課程學習順序,在之后的課程學習中,隨時可以調出該“脈絡”,以幫助學生明確章節(jié)學習目的。

        圖1 課程學習脈絡

        除了建立一條較為明確的學習脈絡,還需要考慮教學所涉章節(jié)過多,因此有必要對每章節(jié)的內容進行篩選,調整教學內容的難度和廣度。如量子力學基礎部分時僅需要介紹單電子模型(一維無限深勢阱)到半導體內的電子模型(理想單晶的周期性勢場)的衍變對電子能態(tài)的影響,半導體能帶結構部分以半導體的E~k關系為主,不再介紹k空間等能面相關的內容,非平衡載流子部分刪除載流子間接復合的內容,pn結部分省略J-V關系的具體推導過程,主要介紹理想物理模型和實際情況下J-V曲線的偏離,MS結部分略過實際肖特基勢壘相關內容,場效應晶體管只介紹晶體管的結構和工作原理,不再介紹晶體管傳輸或轉移特性曲線的偏移。簡言之,盡量減少復雜計算推導在授課過程中的比例,降低學生的畏難情緒。

        二、融合中英文教材優(yōu)點,定量計算和定性理解相結合

        中文教材內容更傾向于通過公式來解釋相應的現象和規(guī)律,因此物理模型涉及的推導過程更加嚴謹,定量計算占比較大,知識點較為發(fā)散,總體難度較大。而地方高校學生在學習過程中往往對教材依賴過重,容易對課程產生一種“難度大”的初印象,從而陷入畏難情緒。英文教材對物理模型的推導多采用類比或直接套用既有結論的方式,描述方式更加生動形象,理解起來相對簡單。以有效質量為例,英文教材中直接對微觀電子使用牛頓第二定律,引出有效質量的概念(1),而關于電子有效質量表達式的推導,英文教材中直接代入微觀粒子動量和能量的關系,對此公式兩側求導變形可得到有效質量的表達式(2);而中文教材中首先采用泰勒級數展開的方式求得能帶極值附近的電子的有效質量表達式(3),再通過有效質量表達微觀電子的速度和加速度(4),最后圍繞這幾個公式解釋有效質量的概念和意義。英文教材中類比的方式雖然能夠簡化公式推導過程,但這種方式有時會導致部分概念不夠清晰。如非平衡半導體中過剩載流子的雙極輸運問題,英文教材提出了雙極輸運的概念,簡單推導了雙極輸運方程,但是并沒有對雙極輸運現象的成因給出明確的解釋,學生很難理解“過剩電子和過??昭軌蛞怨餐倪w移率和擴散速度共同運動”的成因。而中文教材淡化了雙極輸運的概念,通過丹倍效應解釋了附加電場強度對連續(xù)性方程的影響。因此在雙語教學過程中,雖然以英文教材為主,但可以在教授某些知識點時吸取更為嚴謹的中文思維的特點,通過定量計算和定性理解相結合的方式,使學生更容易接受和理解課程內容。

        此外,中英文教材對每章節(jié)前言部分的處理也不同。中文教材每一章前言主要概述本章重點內容,而英文教材每章前沿部分包含對前一章內容的簡單總結和對本章內容的概述,起到了承上啟下的作用,建立了課程學習過程中章節(jié)間的聯(lián)系,對于學生把握整體學習框架更為有利。

        三、靈活調整中英文授課比例

        雙語課程教學過程中必然需要使用中、英兩種語言進行授課,但中、英文的比例需要根據具體情況進行分配。地方高校學生英語水平普遍不是很高,雙語學習的經歷也較少,對全英文教學的接受能力很低。使用少量英文詞匯授課時更能夠調動學生聽課積極性,但英文使用比例過高時,反而可能使學生滋生畏難心理。因此,有必要隨時根據學生課堂表現調整授課過程中教學課件和講解中的中英文比例。筆者在教學過程中,開始時使用中/英(7/3)口語+全英文課件進行緒論部分授課,后調整為中文口語+中/英文(3/7)課件,而涉及器件物理部分調整為中文口語+中/英(1/1)課件。本質上,雙語教學是一種教學改革方法,而教學改革的目的是提高教師教學質量和學生聽課質量。雖然使用雙語教學能夠提高學生的學習能動性,克服學生對繼續(xù)深造的畏難情緒,但使學生掌握教學內容才是根本。雙語教學應切忌本末倒置。

        四、理論與實踐相結合,注重基礎理論的應用

        《半導體物理》課程教學中基礎理論部分占據約80%的內容,雖然教學中基于物理模型的適量的推導不可缺少,但公式推導過程不是重點,結合物理模型增強學生對公式的理解,掌握其應用才是核心。在教學過程中將所學的理論或公式與具體應用聯(lián)系起來,也可以避免漫長的理論學習過于空泛。如在介紹半導體的導電性能時,以石墨烯透明電極的研究為例,分析本征石墨烯和摻雜石墨烯能帶結構的區(qū)別,了解本征石墨烯載流子遷移率高但電導率較低的特點,理解摻雜在提升石墨烯導電性能中的作用;在講解pn結的結構時,以太陽能電池和發(fā)光二極管為例,介紹內建電場的作用,前者使電子-空穴對分離,后者在正向偏壓下形成一薄層,成為電子-空穴復合薄層,從而實現輻射復合。我們同學期還開設了《光電功能材料與器件》實驗課程,課程中設置了硅基光電池性能,LED二極管發(fā)光性能等實驗,與半導體物理課程內容一致,能夠加強學生對半導體物理理論知識的理解和應用能力。此外,根據學生學習情況,還可以適量的摘選相關英文文獻進行解讀,使學生了解如何應用所學半導體物理知識分析和解決實際問題。

        五、豐富教學素材和教學方法

        為了使教學過程更加生動形象,任課教師應充分利用網絡資源,豐富教學課件的演示形式。而根據不同的演示方式的需要,教師也應靈活采用與之相適應的教學方法。應該重點標出需要掌握的核心結論或公式,并圍繞該結論或公式進行針對性練習,每章節(jié)結束后應對本章重要結論或公式進行歸納總結,引導學生對重要知識點加深印象。對于涉及復雜計算的知識點,可以采用圖解法幫助學生更加迅速地了解公式推導過程,如半導體能帶結構(E~k關系)的推導。采用對比法也可以幫助學生加深對知識點的理解和記憶,如通過圖示對比可以將正向偏壓、零偏壓和反向偏壓下pn結結區(qū)電場變化與結區(qū)電勢/能級變化和結區(qū)寬度變化對應起來。此外,靈活插入演示視頻可以直觀地向學生展示相關的物理過程或現象。如介紹MOSFET的結構和應用時,可以插入介紹芯片加工過程或晶體管之于芯片的短視頻[14,15]。靈活多樣的教學方法可以改變枯燥乏味的被動式學習氛圍,激發(fā)學生的學習主動性,增強學生的創(chuàng)新意識。

        綜上所述,筆者重新梳理了《半導體物理》雙語課程的教學內容,適當刪減了教學內容并降低了教學內容的難度,使之適用于我院學生;在教學過程中吸取了中英文教材的優(yōu)點,抽象思維與具象思維并行,理論與實踐相結合,并采用靈活多變的教學方法,引導學生理解相關理論知識,并鍛煉了其應用理論知識分析并解決實際問題的能力。據統(tǒng)計,兩屆雙語課程實踐確實產生了一定的教學效果。本課程期末考核通過率提升了約15%,而畢業(yè)生中選擇半導體物理相關方向就業(yè)或繼續(xù)深造的比例也增加至35%。雖然導致該結果的因素較為復雜,但我們確實從此次雙語教學實踐中看到了提升教學質量和學生學習質量的可能。本課程雙語教學過程所總結的經驗也為蚌埠學院材料物理專業(yè)其他課程改革提供了參考。

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