基于理论和实践教学协同效应的半导体物理教学研究

杨尊先 王嘉祥 郭太良 李福山 林志贤

1.福州大学物理与信息工程学院，福州 福建 350116

2.福州大学平板显示技术国家地方联合工程实验室，福州 福建 350116

半导体物理作为一门理论和实践并重的专业基础课，已成为凝聚态物理、材料物理、电子科学与技术、光电工程、微电子以及电路与系统、集成电路工程等专业一门重要的学科基础课。它为人们提供了一种学习和掌握半导体器件的基本结构和固体宏观性质的微观本质，描述和控制载流子运动的理论方法。近年来，半导体物理基础地位受到挑战，首先，受大学总课时数限制以及实践学时数增加的影响，半导体物理学时数渐减；其次，因半导体物理数学推导复杂，对数学要求高，学生普遍感到困难，学习兴趣和动力不足。最后，由于半导体物理难以直接应用，给学生造成本课程无用论的错觉。然而，随着科技发展和社会进步，新型半导体材料与器件研究取得了重大突破，新型半导体材料、器件与系统日益涌现。因此，对半导体物理的教学内容、教学方法、教学模式和教学评价体系等进行改革势在必行。

一、目前本课程教学中存在的问题和矛盾

近年来，随着国家对高校投入力度的加大，高校获取的经费剧增，在人才培养方面优势凸显。然而，一方面，在目前部分高校“重科研、轻教学”的考核环境下，一些高校教师把重心放在申请书撰写、项目申报及硕博士培养等方面；由于人才培养尤其是高素质人才培养方面评价体系不健全、见效慢，部分高校教师对本科生培养的兴趣和积极性不高，认识也不到位。因此，“重科研、轻教学”考核机制与高校人才培养首要任务间的矛盾成为本科生理论教学与实践教学融合的障碍。另一方面，半导体物理作为重要的专业基础课，涉及固体物理、热力学统计物理、量子力学等多学科，体系庞大、内容繁多，半导体物理学时有限与繁多授课内容之间失衡严重，教学互动困难，造成课堂信息量过大，学生跟不上，学生学习兴趣受影响。此外，半导体物理是建立在固体物理、材料学基础上的，部分学生基础薄弱，对很多半导体物理概念和公式难以理解，因而对半导体物理产生厌学和排斥情绪，学生学习积极性和教师授课热情受挫。传统的课程教学，通常采用“课本+黑板”的授课模式，仅强调理论知识和公式严谨推导，要求学生思维严谨和数学基础好，而由于半导体物理公式繁多、数学处理复杂，部分学生兴趣不高，对课程存在着严重畏难和厌学情绪，学习效果不佳。同时，由于半导体物理专业基础特性，难以实际应用，使学生学习兴趣锐减。因而，基于理论实践协同效应的半导体物理教学改革势在必行。

二、课程改革策略

（一）课程教学内容优化与调整

首先，对传统教学内容，依照重要性适当整合和取舍。半导体物理传统教学内容是以后从事半导体专业、电子科学与技术专业、微电子和光电信息工程行业的基础，是必须掌握的基本知识，其地位不可动摇。整合和优化传统教学内容是指教学材料整合和授课方式改变。根据半导体物理课程的特点，扩大教学内容中定性和半定量描述的比重，着重讲授器件工作原理及其电流电压模型，减少过繁的教学推导。同时，增加学生自学内容的比例，以夯实学生基础理论知识、培养和锻炼学生科学思维与创造性思维。其次，适当补充生活工作中的实际问题及科技前沿问题。理论联系实际，引导学生观察、分析生活中的半导体物理现象，帮助学生实现理性认识，将基础与前沿、经典与现代、理论与应用有机结合。既要强调本课程的专业基础性，又要注重时代性、前沿性及其应用性；既要深入揭示半导体物理规律内涵，又要适当拓展它在高新技术中的应用。最后，引导学生参与科研实践，增加课程实践学时，并增强实践实验教学与理论教学相结合和协同效应。在教学中鼓励学生进入实验室、参与项目实验设计、分析总结问题；引导学生观察、分析实验现象，让学生独立承担项目子课题，成为科研主体，将实验研究与理论专业知识贯通，实现感性认识到理性认识、形象思维向抽象思维、模仿思维向独立思维的过渡，使学生对半导体物理课程学习重要性有充分认识，并提高对该课程的学习兴趣。

（二）提倡引导性和多元化教学方法，发挥主动性和创造性，实现理论教学与实践教学深度融合

首先，提倡引导性教学,重视教学互动,培养创新意识,提高学生学习主动性。在半导体物理讲授中，提倡采用引导性教学方法,改变传统灌输教学，提高学生学习主动性,培养学生创新意识，让学生从接受知识的主体变成知识传授中的平等共同体，实现教与学统一、学与用深度融合。同时，要有意识地穿插思考题,培养学生勤学好问、深入钻研的好习惯。其次，采取多元化教学方法，实现理论与实践融合协同、教学与科研深度融合。采取灵活的教学方式，开展启发式教学，做到循循善诱，引导学生科学分析现象，总结半导体物理规律，并在分析中自行修正错误观念或观点，形成科学思维，让学生将科研实践中所遇到问题带入课程教学中，同时将课程教学理论应用到科研项目设计、实验现象及实验结果测试分析中，利用即时交流软件和网络论坛，以“学生提问—集体讨论—教师回答”形式将课堂讲授内容及实践中遇到的问题进行广泛交流和讨论，加深学生对理论知识及实践问题的理解，拓展课堂教学空间和时间，创造性地将理论教学与实践教学相融合。要加强与学生的情感交流，面对科研项目科学问题、实验现象及其分析测试结果，鼓励学生勤思考，敢于做独立判断，引导学生用不同方式思考问题；教师要对学生思维过程进行引导，及时发现其中的典型错误，引导学生分析错误所导致的后果，帮助他们回到思考的正确轨道上，逐步培养学生从单一思维向综合思维发展，让学生真正体验独立思考的重要性和成就感，在理论教学与平台实践相融合的教学中体验学习乐趣，进一步培养学生学习半导体物理的兴趣。

（三）加强学生对概念、器件工作原理的理解，增强学生逻辑思维能力

首先，将科研项目中所研制的器件结构和性能，与半导体物理中的经典器件相关联，以加深学生对各种经典器件结构和特性的理解。其次，可通过绘制具有代表性的器件结构，并用半导体模拟软件向学生演示，加深其对典型器件及新型器件结构和性能的理解，激发学生求知欲，吸引学生参与课堂和实践教学。例如在学习MOS及其MOSFET 章节时，利用集成电路辅助设计工具和软件，获取并列举不同设计条件和结构参数的MOS及MOSFET 器件性能，让学生消除对芯片及系统集成的畏惧感，进一步领悟和感受半导体物理学习的重要性。可再次基于软件模拟动画结果，让学生及时发现问题并解决问题。通过动画等将复杂半导体物理问题与知识简单化、形象化，能极大地拓宽学生视野，增强学习兴趣，激发学生运用基础理论实现科技创新的勇气和欲望。最后，可引导学生进行科研实践，能激发他们对半导体物理现象的理解和领悟，进一步激发其学习课程的兴趣和勇气。

（四）完善基于实践教学科研平台的运行机制和体制

基于半导体物理实践教学新方法，应适当加大半导体物理教学中一线科研人员和教师的实践性课程、研究性课程的学时比重，拓展本课程实践性项目教学，让学生有机会、全身心融入科研平台，还需要进一步完善本课程实践教学科研平台运行机制，搭建课程实践教学自主研究平台，支持教师开展课程理论和应用相关科技立项，参与平台承担的科研项目，并积极带领学生参加各类科技竞赛。

首先，建立具有实效性的本科生导师制。本科生在进入大学后即通过选拔考核与双向选择，确定本科生的导师。本科生导师也是其半导体物理实践课程及其后续毕业设计的指导教师，在一体化培养模式下，实时发现学生兴趣和特长，并协助学生确立发展方向与目标等。

其次，建立本科生实践课程科研创新实践基地。本科生正处于思维逐渐走向成熟、可塑性极高的创新旺盛期，他们在学习半导体物理基础知识和专业知识后，因网络时代知识学习途径多元化，他们在交叉学科、实验实践等方面有独特的优势。可通过与企业建立与本科生实践课程相关的科研创新实践实验基地，让本科生自主选择实践基地实习，了解企业文化，为自己将来就业并快速融入企业提前做好准备，同时也将自己所学理论知识、专业知识与企业实际应用有效衔接和融合。可规定基地每年面向本科生开放仪器设备机时和提供实验技术人员指导时间，对实践基地予以考核和补贴。

再次，建立和完善本科生科研团队制。在本科生导师制基础上，进一步鼓励具有半导体物理理论基础知识和实践应用经验等不同特长的优秀本科生组成针对某个目标的科研团队，针对目前社会和生产所需进行自主创新。院系根据科研团队需要，安排科研团队的指导教师。这类科研团队的主要目标是进行各类专业前沿知识的学习和运用，参与校级、省级及国家级创新创业大赛，以竞赛促进学生的自主学习和动手能力培养，进一步提升学生创新能力。

最后，设立基于本科生科研平台的科研专项基金。依托科研平台设立本科生科研专项基金，安排专人负责经费管理，资助学生进行科技立项。学生科技立项须以科研团队的名义进行，通过项目申请、项目答辩和专家评审方可确定资助名单，本科生科研专项基金主要用于外协加工、材料购买等。此外，学校应对科研团队指导教师和获奖的参赛小组或竞赛队伍给予补贴和奖励。

（五）制定和完善本科生课程科研平台管理办法，保障平台正常运转

首先，实施安全教育及提前预约制度。在进实验室前，须对学生进行安全教育并考核，掌握安全操作、防伤害技能等。同时，实施平台预约管理制度。要求学生必须提前预约，填写实验内容，拟定实验方案和预期实验结果等，实验员根据实验室使用情况安排实验。

其次，导师和指导教师从科研方向、总体方案制订和实验结果分析等方面进行管理。教师要注重培养本科生的实践能力、团队协作精神，对实验进程、仪器操作、安全管理等方面加以引导和帮助。

三、结束语

基于多年半导体物理教学实践经验，我们针对半导体物理教学实践中所面临的问题和矛盾，从优化和调整半导体物理教学内容、建构理论与实践深度融合协同的新教学模式、完善面向本科生的半导体物理科研平台运行机制以及制定半导体物理科研平台管理办法等方面进行了探索性综合改革，取得了优良的成绩。通过优化和整合教学内容并创新性地建构理论与实践教学深度融合协同的新教学模式，加大半导体物理教学中一线科研人员和教师的实践性、研究性课程学时的比例，开设半导体物理主题项目实践教学模式，并通过“建立本科生导师制”“建立与本科生实践课程相关的科研创新实践基地”“建立和完善本科生科研团队制”和“设立半导体物理科研平台本科生科研专项基金”等系列手段，实现半导体物理教学质量和教学效果跨越式提高。但由于基于理论教学与实践教学深度融合协同的半导体物理教学改革和实践本身是一项复杂系统工程，涉及课程计划和课程评价标准制定、半导体物理教学实践应用教学体系建立和运行机制确立等诸多方面，因此要培养出高素质的半导体物理方面创新人才，仍需继续进行开创性工作。