半导体物理启发式教学改革探讨

摘 要 半导体物理是一门介于理论与实践之间的课，由于它的理论性，导致老师难教，学生难学。本文提出启发式教学方法，采取不断提问题的方法，问题一环扣一环，直到最后引出上课内容，这样一方面在没有降低知识难度的情况下降低了学习难度，另一方面提高了学生的学习兴趣，增强了学生的思考精神。

关键词 半导体物理 启发式教学 启发式问题

中图分类号：G424 文献标识码：A

半导体物理是研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科，是固体物理学的一个重要分支。研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、电子在外电场和外磁场作用下的输运过程、半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等[1-4]。

从上面的半导体物理研究内容可以看出，半导体物理是一门介于理论与实践之间的课，由于它的理论性，导致老师难教，学生难学。因此怎么教是一个非常值得探讨的问题。文献[5-6]提出了基于研究性学习的教学思想，培养学生的创新意识和科学工作能力，取得了一定的教学效果。文献[7] 提出了采用多媒体、课堂互动、“头脑风暴”和课程实验结合的 “形象化”的教学方法，激发了学生的学习兴趣，促使学生能更深刻地理解半导体物理理论。

本文首先分析半导体物理教学现状，然后提出两种启发式教学思路，并举例说明，最后总结启发式教学效果。

1 教学现状

1.1 教材难度较大

目前大多数院校选用的教材是电子工业出版社出版的刘恩科主编的《半导体物理学》，该书偏重于理论阐述和推导，需要学习者具有良好的数学和物理相关基础知识。但是，由于半导体物理课程比数学课程晚两个学期开课，到半导体物理开课的时候，大部分同学数学都忘得差不多；另外大部分学校微电子专业都取消了量子力学和固体物理课程，学生没有学习物理理论的前导知识，就直接进入半导体物理的学习。因此，加大老师了教学难度，同时也增加了学生的学习压力。

1.2 教学模式单一

目前半导体物理教学基本采用“老师讲学生听”的模式[8]，由于半导体物理阐述的大部分都是微观物理结构、微观物理现象和微观物理理论推导，这些知识抽象枯燥，如果只是采取单纯的“老师讲学生听”模式，缺少老师和学生之间的互动，需要学生有比较好的想象力，因此无形中增加了学生的学习难度。另外一方面，长期采用这种教学方法，不利于带动学生的探索精神，学生获得的知识也仅限于课本知识，不利于学生创新能力的培养。

1.3 学生认识偏差

目前，高校工科学生中大多有重技术轻理论的思想，具体到微电子学专业的学生， 重电路设计轻半导体物理及器件的研究[9]。这使学生学习半导体物理的积极性不高。如果学生的半导体物理及器件的理论知识的基础不扎实，会导致学生的电路设计尤其是模拟集成电路设计能力的停留在初步阶段，难以提高。

2 启发式教学思路

针对目前的教学现状，为了让学生能通过简单的问题启发明白半导体物理知识，因此本文提出以下两种启发式教学思路。第一种思路是从宏观现象中寻找与微观现象相匹配的例子引出问题，宏观现象都是现实生活中能够看到或感觉到的东西，以这样的例子来引出问题，让学生理解微观现象的难度大大降低；第二种思路是从电路的工作角度引出微观现象，电路的工作原理都是工科学生比较感兴趣的东西，如果能从电路的工作角度一环一环引出微观现象，让学生的学习兴趣一下提高不少，也培养了学生的思考精神。下面分别对这种两种教学思路举例说明。

2.1 从宏观现象中寻找与微观现象相匹配的例子引出问题

比如讲授能级分裂的时候，设置如下启发问题：

问题1：50个座位的教室能坐多少人？（提示：必须遵守一人一座的原则）

答：50人。

问题2：如果想在这个教室坐下100人怎么办？

答：只能加50个座位。

问题3：一个原子的一个电子轨道能容纳多少个电子？（提示：必须遵守一电子一轨道的原则――包里不相容原理）

答：一个电子。

问题4：两个原子挨在一起，他们的相同能量的电子轨道相交了，这个时候相当于两个电子在同一能量轨道上，如果还必须遵守一电子一轨道的原则，怎么办呢？

答：增加一条轨道，相当于一条轨道变成两条轨道。

问题5：如果N个原子挨在一起，如果还是按照一个电子一轨道的原则，那他们相同能量的电子轨道怎么办呢？

答：增加N-1条轨道，也就是相当于一条轨道变成N条轨道。

2.2 从电路的工作角度引出微观现象

比如讲授半导体掺杂前，可以设置如下启发问题：

问题1、电子设备是怎么工作的？

答：电流驱动的。

问题2、电流又是怎么形成的？

答：载流子的定向运动形成电路。

问题3、载流子怎么产生的？

答：通过本章节的学习，大家将会找到答案。

3 结束语

半导体物理是一门介于理论与实践之间的课，由于它的理论性，导致老师难教，学生难学。本文提出启发式教学方法，采取不断提问题的方法，问题一环扣一环，直到最后引出上课内容。通过在教学中采用启发式教学的效果看，对于复杂的微观问题，老师容易讲明白了，学生也容易听明白了。因此启发式教学一方面在没有降低知识难度的情况下降低了学习难度，另一方面提高了学生的学习兴趣，增强了学生的思考精神。

基金项目：电子科技大学中山学院质量工程建设项目资助（项目编号：ZLGC2012JY12）

参考文献

[1] 沈伟东，刘旭，朱勇，等.用透过率测试曲线确定半导体薄膜的光学常数和厚度[J].半导体学报，2005（2）：335-340.

[2] 唐莹，孙一翎，李万清.MATLAB在半导体课程教学中的应用[J].长春理工大学学报（高教版），2009（10）：126-127.

[3] 孙连亮，李树深，张荣，等.半导体物理研究新进展[J].半导体学报，2003（10）：1115-1119.

[4] 江锡顺.提高应用型本科院校半导体物理教学质量的方法研究[J].滁州学院学报，2011（5）：110-111.

[5] 王印月，赵猛.改革半导体课程教学 融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003（1）：71-73.

[6] 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（7）：47-48.

[7] 王强.半导体物理的形象化教学[J].中国现代教育装备，2009（1）：92-93.

[8] 张健.浅析独立学院“半导体物理”的有效教学[J].科教文汇（下旬刊），2009（10）：208.

[9] 耿莉，徐友龙，张瑞智.创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究[J].电气电子教学学报，2009（S1）：85-88.