基于创新型人才培养的“半导体物理”教学改革探索
摘 要：本文从“半导体物理”在微电子科学中的重要性和教学现状出发，结合“半导体物理”系统性和理论性较强、学科发展迅速的特点，对“半导体物理”教学内容、教学方法、教学手段和考核形式等方面进行了一些探索性的教学改革与实践，以期有效提高“半导体物理”教学效果，并为“半导体物理”教学质量的提升和创新型人才的培养提供新的思路和方法。
关键词：半导体物理；教学改革；创新型人才
中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2017）04-0077-02
“半导体物理”是微电子科学的理论基础，是电子科学与技术、微电子科学与工程、集成电路设计等专业的主干课之一，本課程的学习对学生深入掌握专业基础知识和增强解决实际问题的能力影响深远[1-2]。一方面半导体物理内容广、概念和物理模型多，理论性和系统性均较强；另一方面该学科日新月异，新概念、新技术层出不穷。而传统的“半导体物理”教学内容缺乏对半导体物理前沿研究成果和研究方向的介绍，且教学方法单一，不利于高素质创新型人才的培养。我们结合教学实际中存在的问题，优化整合教学内容，丰富教学手段，改革考核形式，提高教学质量，以满足专业自身发展和创新型人才培养的要求。
一、“半导体物理”课程及教学现状
西安科技大学“半导体物理”课程采用的教材为刘恩科等主编的《半导体物理学》（第七版，电子工业出版社），该教材是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，电子科学与技术类专业精品教材[3]。综合教学实践与教材特点，对“半导体物理”课程的特点以及教学过程中存在的主要问题归纳如下。
（一）教材内容知识点多理论性强，传统教学模式难以理论联系实际
“半导体物理”课程内容主要分为三大部分：第一部分为半导体的基本知识和性质，主要讲述半导体中的电子状态、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子；第二部分为与半导体器件结构相关的接触现象，主要包括p-n
结、金属和半导体的接触、半导体表面与MIS结构、半导体异质结构等；第三部分为半导体的一些特殊效应，如半导体的光、电、热、磁等基本性质。课程涉及内容广、概念多，易混淆知识点较多，物理模型推导复杂，要求学生在前期学习中掌握量子力学、热力学与统计物理学以及固体物理等多门基础学科的理论知识。因此，学生在学习中，在相关知识点上难以衔接，对相关理论的掌握存在一定困难。另外第二、三部分的内容主要阐述半导体的实际应用，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，对于没有接触过半导体器件以及集成电路制备工艺的学生而言，就会觉得课堂教学枯燥、乏味。
（二）教材内容无法追踪科技前沿，不利于学生创新能力的培养
现代微电子技术发展迅速，与磁学、生物医学等学科之间的交叉和渗透越来越强，研究领域不断拓展，新的理论不断涌现[4]，而“半导体物理”教材内容的更新相对较慢，对半导体物理前沿的新动态、新成果、新概念介绍得不够。因此，如何在有限的课时内既要讲授教材内容，又要穿插相关科技前沿是一个值得深入探讨的问
题。另外传统的教学方法单一，不利于学生解决问题能力的培养及创新能力的培养。为了培养和造就高素质的创新型人才，“半导体物理”教学改革也势在必行。
二、“半导体物理”教学改革探索与实践
从上面的分析可以看出，“半导体物理”理论性强、内容丰富、体系庞大，是一门理论与应用相结合的课程。传统的“半导体物理”课程教学方法单一、教学内容对半导体物理前沿研究成果和研究方向的介绍不够，不利于学生创新能力的培养，因此如何在教学过程中激发学生的学习兴趣，使学生在深刻地理解半导体物理相关基础知识的同时，了解半导体物理前沿研究成果和研究方
向，实现半导体物理基础理论学习与培养创新意识的有机统一，需要教师积极探索新的教学模式。
（一）注重课程建设
对传统的“半导体物理”教学内容进行整合，引入半导体物理领域某些前沿研究成果，实现教学内容的创新，是“半导体物理”教学改革的突破口。现代教育是培养人的综合素质的教育。培养适应当前科技进步、社会经济发展、日益激烈的国际竞争要求的和具有创新精神、创新能力的人才，是大学教育的中心任务。因此，在课程教学改革中在保持课程知识结构与整体系统性的同时，合理安排教学内容，在注重课程的“基础性和应用性”的同时，密切跟踪本学科科技前沿与研究热点，在教学中结合相关内容引入对微电子技术未来发展方向的介绍，适当增加新的理论，补充增加关于微电子技术及产业的起源、现状和发展趋势的内容。由于“半导体物理”教学中对半导体物理特性的分析采用经典物理与量子理论相结合的方式，我们在教学中充分利用半导体物理基础理论的这一特点，在进行与量子效应相关内容的教学时，引入对诸如自旋场效应晶体管（SpinFET）、单电子晶体管等新概念器件和量子效应器件的介绍。在教学中通过对半导体物理前沿研究成果和研究方向的介绍，为学生创新活动注入动力；同时结合微电子科学技术进步和产业发展使学生认识到扎实的半导体理论基础是创新的基础，从而深化学生对该门课程重要性的认识，激发学生的学习热情。
（二）创新教学方法
1.采用教师讲授为主，学生讨论为辅的教学方式。课堂讲授始终围绕教学大纲，抓住核心，突出重点和难点；重点、难点的教学内容，要精讲，突出背景、主线、难点要点剖析到位；讨论采用教师积极引导、学生自由发言和章节做小结等形式；对于课程中的一般内容，通过安排学生自学、给思考题，培养学生自学能力；开展学科进展讲座，让了解学生微电子学科前沿及发展动态。引导学生从期刊、网上获取学科发展信息。
2.加强实践教学环节。根据微电子学科发展的特点进行了认真的改革和设计，加大了实验实践环节，开展专业工具训练，组织了包括半导体新材料与新结构器件创新组、模拟数字集成电路设计创新组、电力电子技术创新组等兴趣小组。通过这些小组，在指导教师的指导下，学生结合所学专业知识和专业发展动态，凝练研究方向，采用仿真与实验相结合的方式开展相应的科研创新实践活动，学生对科研创新实践活动的兴趣提高了，而且在这些实实在在的科研创新实践活动中，学生发现问题，通过自学和合作解决问题的能力得到了锻炼，学生在实践环节中加深了对理论基础知识的理解，达到在创新活动中提高创新意识和创新能力的目的。
（三）改革教学手段
充分利用现代多媒体教育技术生动、形象等特点，突出“半导体物理”课程的重点、难点，注重内容的动静结合、快慢相宜，课程团队将多年的教学积累和资源系列化、精品化，编写、制作并完善了全部电子教案和多媒体课件，在教学过程中通过动态嵌入反映抽象物理过程与原理的动画，使抽象的物理概念與物理模型形象化，弥补了传统课堂教学的不足，在提高教学效果方面取得了良好的效果。
（四）优化考核形式
为了能使考核方式体现在“半导体物理”教学的全过程中，我们采用了问题讨论、习题练习、实践实验评测以及闭卷考试等全方位的考核方式，形成既注重理论基础的考核，又体现能力培养教学目标的分层次综合考核体系。这使得闭卷考试成绩所占比例由过去的不少于70%，逐步向少于50%的目标靠近。
1.重视平时考查和综合训练。在学完每章节之后，均给出和重点难点知识点相关的思考题；通过随堂练习，测试学生的课堂掌握程度；结合对半导体物理的介绍，要求学生查阅相关文献，完成一篇小论文。通过把以上这些多形式的考查记入学生的平时成绩，在实现督促学生及时消化所学知识点的同时，培养学生独立思考以及收集处理信息的能力。
2.增加实验实践考核环节。把专业工具训练考核以及科研创新实践活动与课程内容学习相结合，例如通过仿真模拟和实验测试，加深学生对半导体材料及器件结构相关接触概念的理解，既考核了学生对基本知识的理解和掌握程度，还培养了学生对专业工具的使用，有助于锻炼和培养学生的创新能力。这些灵活多样的考核，不仅能够比较全面地反映学生的水平，还有利于激发学生学习“半导体物理”的热情，培养学生的创新能力，从而促进教学质量的提高。
“半导体物理”是一门介于理论与实践之间的课程，经过多年的微电子专业“半导体物理”课程教学实践，我们针对“半导体物理”教学中存在的主要问题，通过调整教学内容，改革考核形式，及时补充微电子科技前沿知识，并基于“以教师为主导，以学生为主体”的指导思想，采用互动式教学方式，并借助于多媒体技术及网络交流平台等手段，结合实验实践教学以及创新小组和各层级的大学生创新项目，实现教学质量和教学效果的提高。但“半导体物理”教学改革是一项复杂的工程，涉及诸多方面，要使之真正跟上当今微电子科技飞速发展的要
求，培养出合格的高素质创新型人才，还需广大微电子专业教育工作者做更多的研究和探索。
参考文献：
[1]胡云峰.半导体物理启发式教学改革探讨[J].科教导
刊：上旬刊，2013，（3）.
[2]刘德伟，李涛.半导体物理课程教学改革探讨[J].中国
电力教育，2013，（34）.
[3]刘恩科，朱秉生，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子
工业出版社，2012：3.
[4][美]S.M.Sze，Kwok K.Ng；耿莉，张瑞智译.半导体器件
物理：第3版[M].西安：西安交通大学出版社，2008：1.