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“半导体物理”教学改革与实践初探论文

发布时间:2019-12-02 09:22:59 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:“半导体物理”是微电子工程与技术相关专业的理论基础,由于对先修课程的知识要求高、基本概念多、理论推导繁琐、实验条件不足等,使大多数学生对传统“半导体物理”课程的学习兴趣不高。针对传统教学中存在的诸多问题,笔者探索研究了新的教学模式,将材料计算软件MaterialStudio引入课堂教学过程中,有效加强了理论知识与科研实践的结合,激发了学生的学习兴趣,为“半导体物理”教学质量的提升和微电子技术创新型人才的培养提供了新的思路和方法。

关键词:半导体物理;教学改革与实践;Materials Studio;创新能力

本文引用格式:连晓娟.“半导体物理”教学改革与实践初探[J].教育现代化,2019,6(18):49-50.

一 引言

        随着人工智能、物联网、5G通信以及工业控制等系列行业的创新发展,全球的半导体产业迎来了又一次的大革命。一直以来,中国政府都非常重视中国半导体产业的发展,尤其是高端芯片的自给自足,因其与国家的国防安全紧密相连,因此,大力发展我国的半导体产业势在必行。要发展我国的半导体产业,人才培养是至关重要的,而作为半导体产业的理论基础课程,高校“半导体物理”的教学质量直接影响了半导体方向其它专业课程的学习。由于“半导体物理”的理论推导复杂,概念繁琐,学科交叉性强,涉及到很多固体物理、量子力学等其它基础课程的内容,大部分学生在学习“半导体物理”的课程时都存在一定的难度。笔者根据自身在南京邮电大学微电子专业的“半导体物理”这门课程的教学实践,通过将材料计算软件Material Studio引入课堂教学过程中,取得了较好的教学效果。不仅加强了理论知识与科研实践的有效结合,激发了学生的学习兴趣,而且为“半导体物理”教学质量的提升和微电子技术创新型人才的培养提供了新的思路和方法。

二 传统教学中存在的问题

       南京邮电大学“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[1]。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[1-6]。

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(一)教材内容知识点多、更新慢

        首先“半导体物理”课程涉及的知识点多,理论推导复杂,学科交叉性强,需要固体物理、量子力学等多门先修课程的基础知识,学生学起来感觉繁琐,抓不住重点。其次,“半导体物理”教材内容的更新相对缓慢,对半导体物理前沿的新动态以及新的科研成果介绍得不够,跟不上半导体科学的快速发展。

(二)教学方式单一、实验环节薄弱

        传统的教学模式主要以教师课堂讲授为主,学生习惯了被动地接受知识,缺乏主动性和创造力,不利于培养半导体产业的创新型人才。此外,半导体物理的学习强调理论与实验相结合,而目前大多数高校的“半导体物理”课程采用的是课堂教学,实验环节薄弱,对于没有接触过半导体器件制备、测试以及封装工艺的学生而言,很难深刻地理解和掌握半导体物理的相关知识点。

三教学改革与实践探讨

        针对传统教学中存在的诸多问题,笔者探索研究了新的教学模式,目的是把学生置于教学的主体地位,创设使学生主动参与的教学情景,将科研中使用的材料计算软件Material Studio引入“半导体物理”的课堂教学实践中,加强了理论知识与科研实践的有效结合,试图解决传统教学中理论知识与实际应用脱节的问题,最终目的是培养具有创新实践能力的半导体产业的各项人才。

(一)更新课程内容,改革教学手段

         首先在课程内容的建设方面,由于传统的“半导体物理”教学内容偏重于对概念和定理的学习,对知识的来源及其在实际的研究中如何应用涉及得比较少。因此,我们在“半导体物理”的教学改革中应补充增加关于半导体产业的起源、现状和发展趋势的内容。在“半导体物理”课程的前面两节内容中补存增加这一部分内容,激发学生的学习兴趣。其次,半导体物理的特点是概念多、理论多、物理模型抽象,不易理解。为了让学生能够掌握半导体物理中的理论和模型,我们要充分利用现在的多媒体教育技术,在教学过程中通过嵌入反映抽象物理过程与原理的动画,例如:制作半导体中电子的共有化运动、施主能级和施主电离、受主能级和受主电离以及非平衡载流子的注入和复合过程的动画视频,加强教学的直观性和生动性,让学生能够更好地理解抽象的物理模型。

(二)教学与科研有效的结合

       “半导体物理”是一门涉及到原子/分子尺度上的半导体材料及其相关器件中载流子分布的学科。为了让学生更好地掌握“半导体物理”的理论知识,最好的方式是通过半导体物理学相关的实验来加深学生对知识的理解和掌握,然而这些实验设备价格高、维护成本昂贵。为了解决这一现实问题,我们可以考虑将科研中使用的材料计算软件Materials Studio引入“半导体物理”的课堂教学中。Materials Studio中的CASTEP模块可以用来研究半导体材料的诸多特性,例如:能带结构、电学和光学性质、缺陷结构等[7]。本人在讲授“半导体物理”中的能带理论时,结合最新的研究热点,以新型二位材料MXene为例,通过将模型导入界面并运行得到MXene的三层原子结构图及其能带图,如图1所示,在课堂教学中实时地给学生进行操作演示,让学生能够更好地学习半导体物理学抽象的物理模型和概念。此外,学生也可以自己通过Materials Studio软件对不同半导体材料进行探索性研究,例如:改变半导体材料的晶格常数或者对半导体材料进行掺杂等等,调动学生学习的主动性和创造力,激发学生的学习兴趣,培养学生的创新实践能力。

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四 结束语

        “半导体物理”由于概念多、理论性强、物理模型抽象,使得大部分学生的学习兴趣不高。为了增强学生学习的主动性和积极性,提高“半导体物理”课程的教学质量,笔者在“半导体物理”课程的教学过程中,采用现代化教学手段,在课堂教学中引入了材料计算软件Materials Studio进行实时教学,有效调动了学生学习的主动性,为半导体产业培养创新型人才提供了一种新的思路和方法。

参考文献

[1]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,2017.
[2]张铭,王如志,汪浩,等.基于研究性学习的半导体物理课程教学改革[J].科教文汇(上旬刊),2011(07):47-48.
[3]徐跃.融入研究性学习思想的半导体物理教学改革与实践[J].科技创新导报,2014(35):141-142.
[4]徐大庆,童军,张岩.基于创新型人才培养的“半导体物理”教学改革探索[J].黑龙江教育,2017(4):77-78.
[5]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(13):59-60.
[6]王月,张笑笑,李雪,等.实用型人才培养模式下半导体物理课程改革的探索[J].教育现代化,2018(24):1-2.
[7]李泓霖.Materials Studio辅助半导体物理学教学改革与实践[J].高教学刊,2018(11):126-128.

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