邵静 孟维利 程宏伟

（蚌埠学院数理学院）

地方普通本科高校向应用技术型转型是我国优化高等教育结构、促进地方普通本科高校健康持续发展、提升本科毕业生质量与就业竞争力的重大战略举措[1]。根据教育部颁布的《关于地方普通本科高校转型发展的指导意见》，全国地方高校掀起了一场转型热潮[2-5]。为响应《指导意见》的号召，蚌埠学院将对本科生的培养目标更新为“培养具有创新能力的应用型人才”。理学院材料物理专业积极向这一培养目标靠拢，将材料物理、光电信息科学与工程专业课程相结合，增强了专业的工科属性，也决定了材料物理专业建设的方向。基于材料物理专业新增的光电方向内容，培养方案中设置了《太阳能电池基础》《光电功能材料与器件》《光电显示与光全息存储》《信息功能材料学》等光电特色鲜明的课程。而《半导体物理》是半导体科学的理论基础，它主要介绍了半导体材料和器件中的重要物理现象，阐述了半导体物理性质和理论，确定了半导体有关物理量的实验方法[6]。课程的目的和任务是使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法，为上述课程的学习奠定必要的理论基础。

作为材料物理专业必修课，《半导体物理》涉及大量的模型、概念和公式，需要较多的理论知识作为前提，涉及量子力学、热力学统计物理、电动力学和固体物理等学科[7]。而材料物理专业学生已经完成了这些先导课程，具有一定的理论基础。在这一背景下，学生仍然在学习过程中出现了“觉得枯燥”“课程内容很难”等负面的学习反馈，而学期末的考核结果也表明学生对课程内容的掌握有限。为了改变这一现象，首先要从采用新的教学方法，提高教师个人教学能力着手。经教研团队研讨分析，认为可以吸取前人经验[8-10]，首先进行相对容易开展的“双语教学”课程改革。一方面，推动双语教学课程建设，探索有效的教学方法和模式，可以切实提高大学生的专业英语水平和直接使用英语从事科研的能力[11]。另一方面，我们希望通过该教学实践，推动任课教师重新梳理教学内容，调节教学内容的难度，改变教学思路，探索出能够提升教学质量和提高学生学习动力的方法，同时为其他课程教学提供参考。我们在2018级材料物理和2019级材料物理的《半导体物理》课程教学中试行了双语教学。现在基于此浅谈一下双语课程教学的探索与实践所得。

一、梳理教学内容，调节双语课程内容难度和广度

半导体物理教材涉及的知识点范围广，部分内容难度较大。经典的中文教程（刘恩科版[12]）包括半导体物理基础、半导体器件基础和半导体的性质三部分，而经典的英文教程（尼曼版）[13]囊括了半导体物理基础、半导体器件基础和半导体基本器件三部分。受工科专业培养方向导向影响，本理论课程仅设置了48课时教学时长，难以覆盖所有教材内容。通过评估蚌埠学院学生一般水平，本课程教学内容以半导体物理基础为主，并将基础理论应用于半导体器件，前者包括量子力学基础、半导体能带结构、非平衡载流子、载流子输运章节，后者包括半导体pn结，金属-半导体的接触和场效应晶体管章节。为了增强课程学习的目的性，有必要建立一条章节脉络，帮助学生理清课程学习思路。如图1所示，在课程绪论部分就可以以场效应晶体管为例向学生介绍半导体器件结构。作为半导体物理课程中涉及的主要器件类型，场效应晶体管（MOSFET）结构明确，工作原理容易描述，非常适合为尚未接触半导体物理的学生作基础讲解。MOSFET的结构涉及三种基本结构单元—MOS capacitor（金属-氧化物-半导体电容器），MS junction（金属-半导体结）和pn junction（pn结），想要获得MOSFET的工作曲线（characteristics）则需要了解这三种结构在外加电场作用下的电流密度-电压关系（J-V），而作为组成这三种结构的基础单元，半导体的导电性与半导体中载流子密度n有关，n又取决于半导体的能带结构（E～k）。采用这种倒叙的方法可以向学生清晰地展示课程学习顺序，在之后的课程学习中，随时可以调出该“脉络”，以帮助学生明确章节学习目的。

图1 课程学习脉络

除了建立一条较为明确的学习脉络，还需要考虑教学所涉章节过多，因此有必要对每章节的内容进行筛选，调整教学内容的难度和广度。如量子力学基础部分时仅需要介绍单电子模型（一维无限深势阱）到半导体内的电子模型（理想单晶的周期性势场）的衍变对电子能态的影响，半导体能带结构部分以半导体的E～k关系为主，不再介绍k空间等能面相关的内容，非平衡载流子部分删除载流子间接复合的内容，pn结部分省略J-V关系的具体推导过程，主要介绍理想物理模型和实际情况下J-V曲线的偏离，MS结部分略过实际肖特基势垒相关内容，场效应晶体管只介绍晶体管的结构和工作原理，不再介绍晶体管传输或转移特性曲线的偏移。简言之，尽量减少复杂计算推导在授课过程中的比例，降低学生的畏难情绪。

二、融合中英文教材优点，定量计算和定性理解相结合

中文教材内容更倾向于通过公式来解释相应的现象和规律，因此物理模型涉及的推导过程更加严谨，定量计算占比较大，知识点较为发散，总体难度较大。而地方高校学生在学习过程中往往对教材依赖过重，容易对课程产生一种“难度大”的初印象，从而陷入畏难情绪。英文教材对物理模型的推导多采用类比或直接套用既有结论的方式，描述方式更加生动形象，理解起来相对简单。以有效质量为例，英文教材中直接对微观电子使用牛顿第二定律，引出有效质量的概念（1），而关于电子有效质量表达式的推导，英文教材中直接代入微观粒子动量和能量的关系，对此公式两侧求导变形可得到有效质量的表达式（2）；而中文教材中首先采用泰勒级数展开的方式求得能带极值附近的电子的有效质量表达式（3），再通过有效质量表达微观电子的速度和加速度（4），最后围绕这几个公式解释有效质量的概念和意义。英文教材中类比的方式虽然能够简化公式推导过程，但这种方式有时会导致部分概念不够清晰。如非平衡半导体中过剩载流子的双极输运问题，英文教材提出了双极输运的概念，简单推导了双极输运方程，但是并没有对双极输运现象的成因给出明确的解释，学生很难理解“过剩电子和过剩空穴能够以共同的迁移率和扩散速度共同运动”的成因。而中文教材淡化了双极输运的概念，通过丹倍效应解释了附加电场强度对连续性方程的影响。因此在双语教学过程中，虽然以英文教材为主，但可以在教授某些知识点时吸取更为严谨的中文思维的特点，通过定量计算和定性理解相结合的方式，使学生更容易接受和理解课程内容。

此外，中英文教材对每章节前言部分的处理也不同。中文教材每一章前言主要概述本章重点内容，而英文教材每章前沿部分包含对前一章内容的简单总结和对本章内容的概述，起到了承上启下的作用，建立了课程学习过程中章节间的联系，对于学生把握整体学习框架更为有利。

三、灵活调整中英文授课比例

双语课程教学过程中必然需要使用中、英两种语言进行授课，但中、英文的比例需要根据具体情况进行分配。地方高校学生英语水平普遍不是很高，双语学习的经历也较少，对全英文教学的接受能力很低。使用少量英文词汇授课时更能够调动学生听课积极性，但英文使用比例过高时，反而可能使学生滋生畏难心理。因此，有必要随时根据学生课堂表现调整授课过程中教学课件和讲解中的中英文比例。笔者在教学过程中，开始时使用中/英（7/3）口语+全英文课件进行绪论部分授课，后调整为中文口语+中/英文（3/7）课件，而涉及器件物理部分调整为中文口语+中/英（1/1）课件。本质上，双语教学是一种教学改革方法，而教学改革的目的是提高教师教学质量和学生听课质量。虽然使用双语教学能够提高学生的学习能动性，克服学生对继续深造的畏难情绪，但使学生掌握教学内容才是根本。双语教学应切忌本末倒置。

四、理论与实践相结合，注重基础理论的应用

《半导体物理》课程教学中基础理论部分占据约80%的内容，虽然教学中基于物理模型的适量的推导不可缺少，但公式推导过程不是重点，结合物理模型增强学生对公式的理解，掌握其应用才是核心。在教学过程中将所学的理论或公式与具体应用联系起来，也可以避免漫长的理论学习过于空泛。如在介绍半导体的导电性能时，以石墨烯透明电极的研究为例，分析本征石墨烯和掺杂石墨烯能带结构的区别，了解本征石墨烯载流子迁移率高但电导率较低的特点，理解掺杂在提升石墨烯导电性能中的作用；在讲解pn结的结构时，以太阳能电池和发光二极管为例，介绍内建电场的作用，前者使电子-空穴对分离，后者在正向偏压下形成一薄层，成为电子-空穴复合薄层，从而实现辐射复合。我们同学期还开设了《光电功能材料与器件》实验课程，课程中设置了硅基光电池性能，LED二极管发光性能等实验，与半导体物理课程内容一致，能够加强学生对半导体物理理论知识的理解和应用能力。此外，根据学生学习情况，还可以适量的摘选相关英文文献进行解读，使学生了解如何应用所学半导体物理知识分析和解决实际问题。

五、丰富教学素材和教学方法

为了使教学过程更加生动形象，任课教师应充分利用网络资源，丰富教学课件的演示形式。而根据不同的演示方式的需要，教师也应灵活采用与之相适应的教学方法。应该重点标出需要掌握的核心结论或公式，并围绕该结论或公式进行针对性练习，每章节结束后应对本章重要结论或公式进行归纳总结，引导学生对重要知识点加深印象。对于涉及复杂计算的知识点，可以采用图解法帮助学生更加迅速地了解公式推导过程，如半导体能带结构（E～k关系）的推导。采用对比法也可以帮助学生加深对知识点的理解和记忆，如通过图示对比可以将正向偏压、零偏压和反向偏压下pn结结区电场变化与结区电势/能级变化和结区宽度变化对应起来。此外，灵活插入演示视频可以直观地向学生展示相关的物理过程或现象。如介绍MOSFET的结构和应用时，可以插入介绍芯片加工过程或晶体管之于芯片的短视频[14，15]。灵活多样的教学方法可以改变枯燥乏味的被动式学习氛围，激发学生的学习主动性，增强学生的创新意识。

综上所述，笔者重新梳理了《半导体物理》双语课程的教学内容，适当删减了教学内容并降低了教学内容的难度，使之适用于我院学生；在教学过程中吸取了中英文教材的优点，抽象思维与具象思维并行，理论与实践相结合，并采用灵活多变的教学方法，引导学生理解相关理论知识，并锻炼了其应用理论知识分析并解决实际问题的能力。据统计，两届双语课程实践确实产生了一定的教学效果。本课程期末考核通过率提升了约15%，而毕业生中选择半导体物理相关方向就业或继续深造的比例也增加至35%。虽然导致该结果的因素较为复杂，但我们确实从此次双语教学实践中看到了提升教学质量和学生学习质量的可能。本课程双语教学过程所总结的经验也为蚌埠学院材料物理专业其他课程改革提供了参考。