王春蘭， 宋立勛， 翟學(xué)軍

（西安工程大學(xué)理學(xué)院陜西省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710048）

0 引 言

半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵因素，亦是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最直接的上游環(huán)節(jié)［1］。半導(dǎo)體領(lǐng)域向來有“一代材料、一代技術(shù)、一代產(chǎn)業(yè)”的說法［2］。5G信息時(shí)代的到來，第3代半導(dǎo)體材料與第1、2代半導(dǎo)體材料優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同支撐著新一代信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，新能源與綠色環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。同時(shí)其具有廣闊的市場應(yīng)用前景，從面廣量大的高端應(yīng)用到日常消費(fèi)品主流市場。因此第3代半導(dǎo)體材料屬于戰(zhàn)略性先進(jìn)技術(shù)、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的前沿陣地［3］。

我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于重要攻堅(jiān)發(fā)展期，要加快推進(jìn)第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，關(guān)鍵是加快、加強(qiáng)第3代半導(dǎo)體材料相關(guān)專業(yè)人才建設(shè)，構(gòu)筑滿足行業(yè)“動(dòng)態(tài)需求”的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)體系，形成面向科技前沿、產(chǎn)業(yè)主戰(zhàn)場的人才培養(yǎng)格局。而半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)化人才培養(yǎng)體系，將是高校提升半導(dǎo)體材料方向及其相關(guān)技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的突破口［4-6］。

1 課程教學(xué)過程存在的問題

半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)課程，是微電子專業(yè)學(xué)生首次接觸的專業(yè)實(shí)驗(yàn)必修課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體材料制備及其測試方法的實(shí)踐操作能力［7-9］。同時(shí)在“新教育時(shí)代”視角下，半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)是一門隱性的德育課程，其內(nèi)容符合中國制造和大國工匠精神內(nèi)涵，對提升學(xué)生愛國情懷，文化素養(yǎng)和道德品質(zhì)具有重要的促進(jìn)作用，而這是原教學(xué)體系未能啟發(fā)式傳達(dá)的情感教育［10-12］。

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇性有限，內(nèi)容設(shè)置與實(shí)際應(yīng)用相脫離。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏重于第1代材料性能測試的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，忽視了材料制備環(huán)節(jié)，且未與當(dāng)前第3代半導(dǎo)體材料相依托，缺失實(shí)踐能力訓(xùn)練與培養(yǎng)。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備過于集成化，操作難度降低，數(shù)據(jù)重復(fù)性過高，采集易得，降低了實(shí)踐和探索意義。

（3）單一、機(jī)械的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，固化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方式。側(cè)重實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，降低了實(shí)驗(yàn)過程的趣味性和創(chuàng)新性。

（4）評價(jià)考核機(jī)制過于簡單，缺少有效反饋機(jī)制。實(shí)驗(yàn)成績均由預(yù)習(xí)、操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成；課外數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析等部分無途徑及時(shí)反饋，不能全面地評價(jià)和提升學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。

因此，半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)固化的課程體系難以滿足半導(dǎo)體行業(yè)人才需求，也不能促使學(xué)生形成積極的實(shí)驗(yàn)情感和反思意識，致使其教學(xué)效果達(dá)不到專業(yè)人才核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)［13-15］。這就需要對其課程教學(xué)過程進(jìn)行必要的重構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐探索。

2 課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)體系重構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐途徑

2.1 精細(xì)化培養(yǎng)模式，構(gòu)建“知行統(tǒng)一”教學(xué)目標(biāo)

專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教育理念，就是將工科人才培養(yǎng)和國家意志相融合，反映在教學(xué)目標(biāo)上為教授什么樣的知識、培養(yǎng)什么樣的人。因此本課程堅(jiān)持以學(xué)生為本，強(qiáng)調(diào)其個(gè)性能力發(fā)展，以學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展為主線；建立不同層次的實(shí)踐、應(yīng)用、創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。

在基礎(chǔ)技能層次，掌握半導(dǎo)體材料特性，測試原理和方法等；在實(shí)踐應(yīng)用層次，強(qiáng)調(diào)半導(dǎo)體材料制備方法的原理和實(shí)操過程，加強(qiáng)儀器的正確使用和安全規(guī)范等；在創(chuàng)新研發(fā)層次，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)可行性設(shè)計(jì)與分析環(huán)節(jié)，培養(yǎng)新材料應(yīng)用及其相關(guān)特性測試實(shí)訓(xùn)化能力。多層次踐行以“知行統(tǒng)一”的教學(xué)目標(biāo)，以達(dá)到滿足國家行業(yè)需求的高素養(yǎng)專業(yè)人才。

2.2 實(shí)訓(xùn)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，落實(shí)“動(dòng)態(tài)需求”教學(xué)內(nèi)容

2016年，我校微電子專業(yè)獲批陜西省高水平大學(xué)建設(shè)項(xiàng)目——半導(dǎo)體材料與器件實(shí)驗(yàn)平臺，以及校級實(shí)驗(yàn)室改造項(xiàng)目——微納器件加工千級超凈實(shí)驗(yàn)室。2018年，建成微電子虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺，包括半導(dǎo)體材料仿真實(shí)驗(yàn)，主要為線下同步化仿真的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及線上動(dòng)態(tài)補(bǔ)充化的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

整合已有的先進(jìn)科研與實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，以多層次、開放式的實(shí)驗(yàn)+實(shí)踐+科研+競賽實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目平臺為硬件支撐，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺為專業(yè)知識和技能的邏輯和延拓站，構(gòu)筑課內(nèi)教學(xué)與課外研學(xué)一體的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)體系，本質(zhì)上為學(xué)生的實(shí)踐、探索、創(chuàng)新提供有效的保障體系。

引入第3代半導(dǎo)體材料，系統(tǒng)優(yōu)化半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)訓(xùn)體系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容項(xiàng)目化，如表1所示。充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的優(yōu)勢，讓學(xué)生設(shè)身處地地實(shí)際感受到行業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)手段，不斷更新、豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以科研思維方式組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的探究興趣，分析問題的科研意識，解決實(shí)際問題的創(chuàng)新思維，真正有效落實(shí)“動(dòng)態(tài)需求”人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容。

表1 半導(dǎo)體材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的3個(gè)層次

2.3 多樣化互動(dòng)空間，革新“有效傳播”教學(xué)方法

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)能力是不同的，實(shí)驗(yàn)進(jìn)度存在差異性。要在有限課程時(shí)間內(nèi)，加強(qiáng)傳播手段和話語方式創(chuàng)新，增加關(guān)聯(lián)知識傳遞的再傳遞和挖掘，形成高效課程空間。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，主要采取現(xiàn)場知識點(diǎn)播和操作規(guī)范培訓(xùn)法，以及問題指導(dǎo)方法；在實(shí)踐應(yīng)用階段，進(jìn)行引導(dǎo)分析問題或開放式的自主、組隊(duì)實(shí)踐方法；在創(chuàng)新研發(fā)階段，采用互動(dòng)研討方法；不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)、同一實(shí)驗(yàn)室的不同實(shí)驗(yàn)采用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)指導(dǎo)方法，如圖1所示。針對性地靈活選擇或轉(zhuǎn)化運(yùn)用教學(xué)方法，多角度激發(fā)學(xué)生積極實(shí)驗(yàn)動(dòng)力，培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)化專業(yè)素養(yǎng)。

圖1 全網(wǎng)覆蓋半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)室平面示意圖

2.4 常態(tài)化實(shí)驗(yàn)反思，架構(gòu)“實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)”評價(jià)反饋

實(shí)驗(yàn)課程實(shí)訓(xùn)化，必須要關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的情感部分［16］。因此本課程引入北京師范大學(xué)最新關(guān)于實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的知識+方法+情感評價(jià)體系，同時(shí)創(chuàng)新性地引入學(xué)生自評和團(tuán)隊(duì)互評兩大部分，重點(diǎn)評價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)態(tài)度、合作精神、交流能力、解決問題的能力等實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)指標(biāo)點(diǎn)，具體如表2所示。此外，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)不同，因此評價(jià)指標(biāo)點(diǎn)的分值比例要隨之調(diào)整。

表2 大學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)評價(jià)的全部指標(biāo)

同時(shí)，依托智能移動(dòng)、雨課堂等建立網(wǎng)絡(luò)反饋機(jī)制平臺，將實(shí)驗(yàn)過程評價(jià)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能及時(shí)有效地反饋學(xué)生，學(xué)生也可以依托網(wǎng)絡(luò)平臺與教師再學(xué)習(xí)或探討，從而培養(yǎng)學(xué)生常態(tài)化實(shí)驗(yàn)反思意識和精益求精的科學(xué)素養(yǎng)。

2.5 深度化課程體驗(yàn)，拓展“實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵”教學(xué)理念

半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)課程具有前沿交叉融合的特點(diǎn)，課程需不斷注入前沿行業(yè)領(lǐng)域的新鮮內(nèi)容，激活學(xué)生積極意識形態(tài)。利用網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布“先導(dǎo)課”，引導(dǎo)學(xué)生提前介入實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的新途徑。對于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，針對不同批次的學(xué)生，選擇不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，促進(jìn)獨(dú)立探索，強(qiáng)化基本實(shí)踐能力。結(jié)合實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，恰當(dāng)設(shè)計(jì)障礙式實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和探究能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供多次重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)情境。

結(jié)課前，學(xué)生小組以項(xiàng)目答辯法來交流團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)過程。課外，結(jié)合實(shí)踐競賽，課外鼓勵(lì)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，自制簡易實(shí)驗(yàn)設(shè)備，智能移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。教師逐步采用雙語教學(xué)，將科研與應(yīng)用領(lǐng)域的常用詞匯及專業(yè)科學(xué)用語進(jìn)行傳授和引導(dǎo)，多渠道提高實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感，拓展新教學(xué)理念，從而多方位訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)效果回歸實(shí)踐創(chuàng)新

重構(gòu)的半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，促進(jìn)了半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)教育內(nèi)涵資源建設(shè)，提高了課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)涵和質(zhì)量。學(xué)生了解了行業(yè)發(fā)展需求，掌握了實(shí)踐應(yīng)用的知識和技能，加深了對微電子專業(yè)的熱愛，降低了對實(shí)驗(yàn)課的浮躁心理，積極影響了后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)。

依托本實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)體系，近3年，在中國“互聯(lián)網(wǎng)+”、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽等競賽中獲得國家級獎(jiǎng)5項(xiàng)，省級獎(jiǎng)3項(xiàng)，校級4項(xiàng)?？佳袖浫÷史€(wěn)定在25%以上，畢業(yè)生受到華為、中芯國際、紫光、士蘭微等大中型企業(yè)的青睞，畢業(yè)生實(shí)踐能力強(qiáng)，責(zé)任感強(qiáng)。

4 結(jié) 語

半導(dǎo)體材料作為基礎(chǔ)硬科技，支撐著“新興技術(shù)”的產(chǎn)業(yè)化落地，支撐著新時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。因此為響應(yīng)“新興產(chǎn)業(yè)”高素質(zhì)核心人才培養(yǎng)，而積極開展半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)課程重構(gòu)研究，深度精細(xì)化課程教學(xué)育人模式，創(chuàng)新切實(shí)可行且緊跟行業(yè)需要的教學(xué)實(shí)訓(xùn)體系，提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神等高核心素養(yǎng)的專業(yè)人才。