曾涛 常启兵 汪永清 陈云霞

摘要：通过“类像思维”方式在课堂教学中的引入，将理论性较强的《半导体物理学》课程中的重要知识点与生活常见的现象、事例或者熟知常识相联系，并采用多媒体动画等形式辅助讲解，可激发工科背景学生对该门课程的学习热情、增进课堂师生互动交流，并可获得令人满意的教学效果。

关键词：新工科；类像思维；半导体物理学；教学应用；效果评估

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）24-0194-03

当前，新型经济、科技及商业模式的快速发展，创新驱动政策及战略举措的高效实施为中国经济快速发展、国际形象的改善及综合国力的提升提供了前所未有的平台和机遇。在此背景下，科学知识的更新速率在不断加快，并且转化成社会所需产品与技术的周期在不断缩短，这对目前工程技术人才的整体素质都提出了全新要求[1]；此外，为了与世界工程人才培养体系接轨，我国在2016年06月正式加入《华盛顿协议》，成为国际工程认证体系的第18位成员国，意味着我国工科人才培养体系将由以往内需转变为现行输出模式[2]。因此，为了满足国家发展战略需求，加快经济和科技发展，对现行的高等工程教育体系框架的改革和创新已迫在眉睫，“新工科”这一概念在该历史环境下应运而生。

景德镇陶瓷大学新能源材料与器件专业的整体定位是培养以工程技术应用型为主的高等人才，这与我校自身发展定位密切相关。为了契合“新工科”发展理念，积极将专业培养模式与国际化接轨以迎接今后的工程教育体系认证，新能源材料与器件专业于2016年对其人才培养计划进行全面修订，其中最显著的特点就是增大了实践教学的学时比例（但原有理论课程多数保留），以提高学生的动手实践能力。然而，在总学时不变的情况下意味着要将课堂理论教学学时大幅度削减。值得注意的是，我校新能源材料与器件是从原来应用物理专业改名而来，原有课程体系设置对理论基础要求较高。且对于地方工科型院校来说，本科学生的理论基础参差不齐，如何在有限学时内将理论课程的教学效果最大化，这是专业任课老师无法回避且急需解决的命题。

笔者以《半导体物理学》（教材：刘恩科，第7版）课程理论教学为研究载体，根据新能源材料与器件的毕业生定位服务于光伏行业特点，首先对课程大纲中的授课内容进行删减，并对每章节中的重要知识点进行凝练以达到模块化目的。在随后的模块化知识要点教学过程中，引入“类像思维”教学方法，并引导学生在此基础上自学删减内容。学生在学习原本枯燥的理论知识过程中表现出极大的热情，由于“类像思维”教学方法更接地气，课堂上师生互动气氛更加热烈，从最终的学生教学评价及考试成绩作为判定指标可以得出：由于“类像思维”教学方法的引入，《半导体物理学》课程获得令人满意的教学效果。那么何为“类像思维”，如何将“类像思维”植入《半导体物理学》课程教学过程中？就这两问题，下文将定义形式及具体实施事例进行简单介绍，期望能给予同行些许启示。

一、何为“类像思维”？其在物理课程教学过程的发展与作用

“类像思维”是一种具有东方特色的类比思维，是中国人从古至今的经典思维方式，它深深烙上了中国传统的具象印记，从这个意义说，它是具有一定逻辑的形象思维。与类比思维相比，“由此及彼”、“触类旁通”是这两种方式共有的，而不同点在于“类像思维”是以具象贯彻思维始终，类比对象不限于同类事物，既可相同又可相似。因此，将“类像思维”运用于教学方法中更为灵活多变。例如在涉及到半导体材料中的缺陷及跃迁机制时，可以将阶梯教室里面单位面积的座位数比作晶格各能级上的电子能态密度，把学生当作电子，一个学生坐在某一排的某个座位上，即认为这个电子被晶格束缚。当有外来学生进入教室，在教室过道上走动时，可类比为间隙式缺陷；而当外来学生取代现有学生座位时，可类比为填隙式缺陷[3]；又如在大学物理课程中，在讲解海森伯格位置和动量的不确定关系时，可以将运动电子的动量和位置进行简单“类像”，比喻为人的思想和身体自由度，电子的动量为思维范畴，而电子的位置相當于人身自由度。引导学生设想一下如果一个犯罪分子被抓入监而失去人身自由时，他蹲在监狱里应该是百感交集，思维活跃度比其自由时更加活跃[4]。类似的“类像思维”在不同的理论课程教学中引入的教学案例还有很多，这里就不一一举例说明。该思维方式的引入目的就是要将原本抽象难懂的理论知识与学生的兴趣点联系起来，提高学生在课堂及课后学习的积极主动性，从而获得令人满意的教学效果。那么对于《半导体物理》课程而言，具体的“类像思维”教学又怎样植入课堂教学过程中呢？

二、将“类像思维”植入于《半导体物理学》课程教学过程中具体实施事例

（一）电子在量子态上的分布与鞋盒子背景模型

在指定教材第三章节的67页中“……如果计入电子的自旋，那么，k空间中每一个代表点实际上代表自旋方向相反的两个量子态”。对于这段话的理论基础就是“洪特规则”、“泡利不相容原理”及“能力最低原理”这三大理论的综合实际运用，该结论对于后面准确计算载流子的统计分布十分重要。如果任课老师单纯地将这三大原理照本宣科地讲一遍，最后得出课本中所描述的结论，相信课堂上的同学学习积极性立刻下降，甚至会质疑任课老师的执教水平。换一个角度来说，任课老师如果能从日常生活中找到同学所熟知的事例背景进行课堂植入，教学效果可能就完全不同。笔者在课堂中将k空间点“类像”，比喻为鞋盒子，然后对同学们进行提问：大家经常进入实体店买鞋或者网购买鞋，那么鞋盒子里面有几只鞋，它们是怎样排布的？相信所有人都知道答案。因此，将鞋盒中的两只鞋子所处的位置比喻成量子态（可容纳电子存在的状态），而将鞋比喻成填入对应量子态电子的话，电子在量子态中的排布状态就不言而喻了，正好印证了“一个k态上有两个平行且自旋方向相反的电子”。后面可对电子排布进行假设，如果不平行、不相反，鞋盒子内又会出现怎样的情形。学生根据生活经验当然知道，不仅要费力地将鞋装入，且鞋盒会出现明显形变（存储一定形变势能）。此时，再将能量最低原理进行讲解，学生对此知识点就十分清楚了。由此可以看出，就是这么一个简单事例的“类像”背景的植入，可将知识点所涉及的三大基础理论全部囊括，将原本抽象的理论具象化于生活中简单的事例背景下，让原本乏味的理论鲜活起来，加之任课老师适时穿插提问互动环节，可使得整个课堂教学气氛显得轻松且趣味性十足。

（二）P-N平衡态能带结构图与运河背景模型

在指定教材第六章节的183页中“随着扩散运动的进行，……这种情况为热平衡状态下的pn结（简称平衡pn结）”。如果对其进行理论描述，所得到的结论就是热平衡状态下没有宏观的电流经过pn结，或者说流经pn结的净电流为零。那么如何利用能带结构图对该过程进行简要描述，从描述中又如何得到最终的结论呢？如果任课老师仅仅将课本上所描述的段落平铺直叙地讲解，一部分基础较好的学生或者感兴趣的学生可以抓住该知识点，但肯定有相当多的学生在面对能带结构图进行看图说话时就显得较为吃力了。设想此时任课老师将pn结两端p型部分和n型部分比作运河闸口的两端部分，pn结截面比喻成闸口，水平面比喻成费米能级（费米能级的意义就在于其是衡量电子填充水平的一个重要度量），水比喻成实体电子的话，整个情形就十分了然了。未放闸之前，由于p型半导体的多数载流子为虚体的空穴或者说没有被水占据，其费米能级较低，p型侧（假设为运河段左侧）的水平面较低；而n型半导体的多数载流子为实体电子，其费米能级较高，n型侧（假设为运河段右侧）的水平面较高。前面讲到了将实体电子比喻成水，当闸口开闸后，由于势能的作用，水自然而然地从高地势流到低地势，最终整个运河将达到同一个水平面（具有统一的费米能级），达到了一个平衡的状态，此时轮船才可顺利通行，是在运河上船舶通行的基本原理，同学自然也知道这个道理，就可以对照平衡状态的能带结构图进行看图说话了。因此，将该知识点嵌套于熟知的模型背景中，能够使学生在课堂学习过程中的联想能力得到充分锻炼。

（三）P-N光伏效应类像思维教学举例

同样的“类像思维”方式教学还可以用于pn结在光照条件下产生光生伏打效应的解释。其实对于基于半导体pn技术发电的光伏电池来说，光子照射到pn结上会产生电子-空穴对，这个结论学过电工电子学相关课程的工科学生都已了解。而对于光伏电池来说，最重要的是让电子和空穴这两个“冤家对头”分开，二者在未见面之前让其中之一能够从外电路走一走，就能对外电路负载做功，这是对太阳能电池工作原理的一个总结性概述。那么太阳能电池到底是如何工作的，细节是什么？此时，如果我们假设pn结p端为A房间，而n端为B房间的话，在AB两房间隔墙处站着一个指挥分流者（这就是pn结内建电场所扮演的角色，具体方向是由p指向n），它能够使得光照所产生的光生电子-空穴对分离，电子被扫到B房子（n区），而空穴被扫到A房子（p区）。随着高光照不断地激发电子空穴的产生，相应的AB房间的空穴和电子数目越来越多。此时任课老师可以提问，AB房间的空穴和电子会不会无限累积呢？在回答这个问题时，任课老师可以将B房间的电子比喻成瘦子，而A房间的空穴比喻成胖子，但无论胖瘦，A和B房间的各自总面积是不变的，可以想象当两间房间人越来越多的时候，其拥挤程度是不言而喻的。因此无论是A还是B房间、是胖子还是瘦子，都会觉得空气不新鲜，呼吸越来越困难，都想逃脱房间到外面去呼吸新鲜空气。此时，A和B各自房间中的拥挤压力越来越大，体质不好的胖子和瘦子最后因其自身原因消失，但是新补充的胖子和瘦子将维持A和B各自房间中的人员总数不变，达到各自房间中人头数的动态平衡，这种状态对应于pn结光伏电池的开路状态，而AB各自房间的人拥挤压力就是开路电压产生的原因。如果将A、B房间门都打开，可以让学生身临其境去想象一下A房间的胖子（空穴）和B房间瘦子（电子）是个怎么样的心情，他们肯定想以最快的速度逃离房间，而此时瘦子的运动能力明显是比胖子要强的（这点在半导体物理学第一章已有所阐述，即一般来说半导体材料中电子的有效质量要小于空穴），所以瘦子按照规定路线（外部电路）跑出的时候，胖子还没有跑出A房间（或即将跑出房间），当瘦子跑到A房间门口遇见胖子时，这对冤家将互相掐架一起消失。其实讲到这里，课堂上同学们都明白尽管電子和空穴复合，但是对应于扮演瘦子角色的电子来说已经在外电路上走了一圈，完成了其对外电路负载做功的使命。如上所述，一个简单的类像思维类比，可将一个较为复杂的问题置于一个能让学生身历其境的模型背景中，并用诙谐的语言进行描述，可以更容易让学生快速掌握知识要点，从而完成规定的教学任务。

三、结语

窥一斑而知全豹，通过以上“类像思维”定义的阐述及其在《半导体物理学》教学中实施案例的简介，不难发现该种思维教学的实质就是如何将抽象的理论知识具象化，让学生在熟悉的现象、事例或者常识背景下快速接受指定教学内容，并培养其在该种思维模式下的自学能力。该种思维模式教学来源于生活而又高于生活，可以让学生在课堂理论授课中不受传统课堂教学思维的束缚、放松心态，让原本枯燥乏味的抽象理论知识在熟悉的背景下变得生动有趣，在教学互动环节中任课老师如能恰到好处地穿插提问答疑，对于活跃课堂气氛也大有裨益。

归根结底，“类像思维”模式在《半导体物理学》课堂教学中的引入，需要任课老师积极对教材各章节的知识进行凝练分类，并找到恰当的现象、事例或者熟知常识背景进行植入。当然，类似课程教学研究表明，该类型教学方法的引入虽然可以激发学生对此类抽象理论课程的学习激情，但背景设置及其课堂描述语言无法像授课教材中一样达到对知识描述的准确性，多少会出现不恰当之处。任课老师应该根据堂课授课情况及时调整，抓住学生已调动起来的积极性，回到课本准确阐明对应的知识要点，获得令人满意的课堂教学效果。[4]

参考文献：

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-9.

[2]华尔天，计伟荣，吴向明.中国加入《华盛顿协议》背景下工程创新人才培养的探索与实践[J].2017，（1）：82-85.

[3]汤乃云.微电子专业“半导体物理”教学改革的探索[J].中国电力教育，2012，（5）：59-60.

[4]夏辉.生活化类比在物理教学实践中的应用举例[J].当代教育理论与实践，2016，8（8）：74-77.