张 华，李 蛟，王卫伟，李秋红

(山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255000)

1 引言

半导体物理学是固体物理学的一个分支[1]，是微电子科学的理论基础，主要研究半导体材料的原子状态、电子状态、杂质和缺陷对半导体材料中载流子的浓度和分布的影响及其对半导体器件物理性能的影响[2]。与许多理工科高校一样，我校也将《半导体物理》列入研究生教育培养方案。该课程属于材料科学与工程学科硕士研究生专业基础课程，是学习、理解和研究半导体材料的必修课程。随着半导体科学的快速发展，理论知识不断扩展以及材料制备和加工技术的不断进步，半导体行业不断深化的竞争对我国的半导体产业提出了严峻的挑战，也给半导体物理专业教育提出了更高的要求[3]。然而，传统半导体物理在教学中面临着知识点多、内容广、理论性强等困难，在现下常规的“教师讲学生听”的教学模式下，不论是教师的教学工作还是学生的学习工作都已经很难取得良好的教学效果。为适应新时代的教学要求，对传统教学方法和教学策略进行改革变得非常迫切和必要。

2 现行《半导体物理》教学的困境及解决措施

2.1 知识面广、知识点多而繁杂、理论深度高

《半导体物理》课程是一门理论性很强的课程，它需要学习者具备良好的基础知识，包括高等数学的微分方程求解、线性代数的矩阵和行列式、量子力学基础、晶体结构和基础电学等知识。但是，一方面很多工科院校都取消或大幅削减了《统计力学》和《量子力学》等基础学科课程[4]；另一方面，选课研究生的来源差异很大，有些来自化学专业，有些来自材料专业，还有一些金属、高分子等专业本科毕业的研究生，他们的知识基础差异很大，往往缺乏学习半导体物理的前导知识，因此加大了教师教学的压力，也增加了学生学习的难度。

为此，我们在课堂教学中需要将课程知识体系整理出一条简明清晰的主线，据此主线知识为脉络，为选课学生补习学习和理解相关课程知识所必需的前导知识，这样才能使学生能从宏观上把握该课程的主要知识结构脉络。本课程大多数高校都采用刘恩科主编的《半导体物理学》为主要参考书，该书是以半导体材料特殊的电学性质为切入点，引导出半导体材料的能带结构及载流子的分布和运动规律等理论，进而构建起半导体物理的主要知识脉络。其中，知识点涉及能带的形成原理、电子及空穴的有效质量、能态的分布及态密度的计算、平衡载流子的分布状况、非平衡载流子的产生和复合规律、杂质对半导体态密度和导电类型的影响、载流子的漂移和扩散运动等。基于了解和掌握这些理论知识的基础上再来讨论半导体材料界面特性，如金属/半导体肖特基结的能带弯曲状态、pn结结区的能带弯曲及其导致的电流单向导通特性、三极管的放大原理、MOS、FET等结构的工作原理等。我们在课堂教学中不妨把该知识脉络更加显性的展示和强调出来，所有的讲解贯穿和围绕主知识脉络进行。

2.2 学生对课程认识偏差导致学习主动性不高

目前，绝大多数工科学校存在重技术轻理论的倾向。强调动手实践能力本身没有错，但现下的科研和实践中渐渐形成了不求甚解和只为发表论文的风气，这导致学生在学习较为晦涩的理论知识时积极性不高，而不扎实的理论基础不利于学生将来的科研探索和产品研发等工作。为提高学生的学习积极性，经过教学改革中一段时间的探索，我们采用案例教学法来解决这个问题。我们采用的案例教学以半导体物理学领域的科研、材料设计和工程问题为背景，将教学知识点融入具体的科研和应用案例中，通过教师和研究生对案例的共同讨论和层层剖析，使学生对案例的各方面有充分的认知。基于这些分析和认知得出具体案例的解决方案。这种基于实际案例分析的教学法既可以充分调动学生参与解决具体问题的积极性，又有利于培养学生的创新意识和科学工作能力，已经在教学实践中收到了较好的实际效果。

2.3 教学方法和教学策略过于单一

目前我校的《半导体物理》教学基本采用的是常规教学模式，即以教师讲授为主，辅以幻灯片展示，形式上还是传统的“填鸭式”。由于该课程涉及的内容主要是微观物理结构及理论推导，内容本身较为抽象，这种单一的教学模式缺少师生和学生之间的讨论与互动，不利于带动学生的探索精神，甚至连教材内容本身都难以深入理解，更无助于学生创新能力的培养。为改善教学效果，除了课堂教学在技术方法上采用之前提到的案例教学法之外，我们在新的教学策略中大幅度的增加了学生的参与度。我校在前几年的教学改革中曾尝试过由教师主讲课程主体知识脉络，由学生查阅资料对主体知识进行深入理解和运用的教学方式，但未取得理想的效果。其原因大致可归纳为当下学生较为普遍的知识壁垒心理，即学生会下意识的区分哪些内容属于课程内容，哪些不属于，然后下意识得排斥课程主体脉络之外的知识。认为这些内容不应该包含在本课程的学习范围中，对这些扩展知识的学习存有较强的排斥心理。但事实上，如之前的分析所指出的，外围知识的缺失会导致主线知识的理解障碍，甚至无法理解。例如，半导体能带结构是构建在波矢空间上的，而波矢空间是个倒易空间，如果不了解倒易空间和倒易矢量的性质则无法从根本上理解晶体的能带结构。针对这种实际情况，我们采用了翻转课堂的教学模式，将主线知识交由学生来组织、提炼，包括从图书馆和网络上查阅资料，结合参考书对知识内容进行提炼和概括，交流材料幻灯片的制作和课堂上的质疑和讨论四个环节；由任课教师负责讲解学生缺失的知识以利于学生对相关理论的理解。经过两个教学周期的实施，我们发现学生对这种教学模式的认同程度非常高，一方面体现了研究生阶段学生学习的自主性；另一方面，教师在学生学习过程中的辅助作用也体现得非常好。

2.4 实验环节对理论教学的支撑力度差

我校最早的《半导体物理》课程是不包括实验环节的，课程设立的主要目的在于让学生了解半导体材料的基础知识和基本理论，以方便解释科研上的一些实际问题。经过几个教学周期的实施，许多研究生反映由于实验环节的缺失导致他们无法把课堂学习的理论知识运用在科研实践中，因为缺乏最基础的课程实验验证和模仿环节的训练导致其在后续科研实践中无法有效的使用课程内的知识来解释和解决实际问题。为此，我们陆续在课程中增设了实验环节，从最初的基础验证实验，如四探针电阻率测试、少子寿命测试等，至今已经结合各研究生导师所从事的科研实际设立了多种综合实验，将课堂实验教学和研究生的科研实践紧密联系起来，极大的调动了学生参与学习、分析和讨论的积极性，增加了课程实验对理论教学的支撑力度。

3 结语

随着现代半导体物理技术的迅猛发展，半导体物理的知识不断翻新，行业竞争的不断深入对人才素质要求不断提高，这些都对高校《半导体物理》课程的教学活动提出了更高的要求。为适应时代的发展，当前世界各国都在进行课程与教学改革。结合我校的研究生精品课程建设项目，根据本校教学实践需要，我们自行编订适合本校研究生学习的讲义，在课程教学中，明晰课程知识主体脉络，采用案例教学法和翻转课堂等教学手段提升学生的学习积极性，注重理论学习与科研实践相结合，增加了课程的实验教学环节，培养学生分析和解决实际问题的能力，将课堂教学逐步提升到培养学生创新和实际动手操作能力的轨道上来。