許德富

摘 要：該文簡述了“學案導學”教學模式在樂山師范學院材料科學工程專業(yè)（光伏方向）的核心專業(yè)基礎課程“半導體物理學”中的實踐情況，具體包括教學模式的總體目標確定、教學內容的重新構建、導學案的編寫、課堂教學過程的實施、教學效果的評價等五個方面。

關鍵詞：材料科學 半導體物理 教學模式 學案導學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0181-02

半導體物理學是以半導體中原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導體器件內部電子運動過程為研究對象的學科，是固體物理的一個重要組成部分，凝聚態(tài)物理的一個活躍分支[1]。半導體物理學是一門公認的難教、難學的課程，為了提高半導體物理學的教學質量，相關院校的教師們提出了許多有益的建議和有效的方法，如類比學習法[2]、多媒體教學法、市場導向法[3]等?；谔岣哒n堂效率、改善半導體物理學課程的教學效果的目標，作者在樂山師范學院材料科學工程專業(yè)（光伏方向）的半導體物理學的教學中，對傳統(tǒng)的課堂教學模式進行改革，在半導體物理學的課堂教學中采用“學案導學”教學模式，該文就“學案導學”教學模式在樂山師范學院材料科學工程專業(yè)（光伏方向）的半導體物理學課程教學實踐作一簡述，供同行參考。

1 半導體物理學課程教學模式改革的必要性和迫切性

傳統(tǒng)半導體物理學的主要內容包含半導體的晶格結構、半導體中的電子狀態(tài)、雜質和缺陷能級、載流子的統(tǒng)計分布、非平衡載流子及載流子的運動規(guī)律、p—n結、異質結、金屬半導體接觸、表面及MIS結構等半導體表面和界面問題以及半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象[4]。但是近年來半導體物理發(fā)展迅猛，新現(xiàn)象、新理論、新的研究領域不斷涌現(xiàn)。上世紀50～60年代，屬于以固體能帶理論、晶格動力學理論、金屬—半導體接觸理論、p-n結理論和隧道效應理論為主的晶態(tài)半導體物理時代；70～80年代則形成半導體超晶格物理、半導體表面物理和非晶態(tài)半導體物理三足鼎立的格局；90 年代以后，隨著多孔硅、C60以及碳納米管、納米團簇、量子線與量子點微結構的興起，納米半導體物理的研究開始出現(xiàn)并深化；現(xiàn)在，以GaN為主的第三代半導體、有機聚合物半導體、光子帶隙晶體以及自旋電子學的研究，使半導體物理研究進入一個新的里程[5]。

半導體物理學是材料科學工程專業(yè)（光伏方向）的核心專業(yè)課程，是太陽能電池原理等后續(xù)專業(yè)課程的基礎。它是一門理論性較強同時又和實踐密切結合的課程。要透徹學習半導體物理學，既要求有較強的數(shù)學功底，熟悉微積分和數(shù)理方程；又要求有深厚的物理理論基礎，需要原子物理、統(tǒng)計物理、量子力學、固體物理等前置課程作為理論基礎。由于材料科學工程（光伏方向）培養(yǎng)目標側重于培養(yǎng)光伏工程專業(yè)技術人才，而不是學術型的研究人才，在課程設置方面有自己的獨特要求，學生在學習半導體物理之前，沒有系統(tǒng)學習過數(shù)學物理方程、量子力學、固體物體、統(tǒng)計物理等專業(yè)課程，所以理論基礎極其薄弱，這給該門課程的教學帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。而且半導體物理的理論深奧，概念多，公式多，涉及知識范圍廣，理論推導復雜，沿用“教師講學生聽”的傳統(tǒng)課堂教學模式，學生學習興趣不高，直接的結果就是課程教學質量較低，教學效果不好，學生學習普遍被動。面對發(fā)展迅猛的半導體物理和目前教學現(xiàn)狀，如果不對“教師講、學生聽”的半導體物理學的課堂教學模式進行改革，難以跟上形勢的發(fā)展。為此教師要在半導體物理學教學中采用了“學案導學”教學模式。

2 “學案導學”導學教學模式在半導體物理課程教學中的實施過程

“學案導學”教學模式由“學、教、練、評”四個模塊構成?！皩W”，就是學生根據(jù)教師出示的教學目標、教學重點、教學難點，通過自學掌握所學內容?！敖獭?，就是教師講重點、難點、講思路等?！熬殹保褪峭ㄟ^課堂訓練和課后練習相結合，檢驗學習效果。“評”，就是通過教師點評方式矯正錯誤，總結方法，揭示規(guī)律。“學案導學”教學模式相對于傳統(tǒng)教學模式的改革絕不是一蹴而就的課堂教學形式的簡單改變，而是一項復雜的系統(tǒng)工程，包括教學模式的總體目標確定、教學內容的重新構建、導學案的編寫、課堂教學過程的實施。

2.1 半導體物理學“學案導學”教學模式總體目標的確定

半導體物理學課堂教學模式創(chuàng)新的總體目標是：以材料科學工程專業(yè)（光伏方向）人才培養(yǎng)方案和半導體物理學課程教學大綱依據(jù)，以學生為主體，以訓練為主線，以培養(yǎng)學生的思維方式、創(chuàng)新精神和實踐能力為根本宗旨，倡導自主、合作、探究的新型學習方式，構建自主高效的課堂教學模式；注重學生的主體參與，體現(xiàn)課堂的師生互動和生生互動，關注學生的興趣、動機、情感和態(tài)度，突出學生的思維開發(fā)和能力培養(yǎng)；針對學生的不同需求，實行差異化教學，面向全體，分層實施。

2.2 根據(jù)人才培養(yǎng)方案構建合理有效的教學內容

半導體物理學的教材種類較多，經典教材包括：黃昆、謝希德主編的《半導體物理》（科學出版社出版）；葉修良主編《半導體物理學》（高等教育出版社出版）；劉恩科、朱秉生主編《半導體物理學》（電子工業(yè)出版社出版）。該校教研組經過認真分析，選擇劉恩科主編的《半導體物理學》第7版作為教材，該書內容極其豐富，全書共分13章，前五章主要講解晶體半導體的結構、電子的能帶、載流子的統(tǒng)計分布、半導體的導電性、非平衡載流子理論等基礎知識，第6章講PN結理論，第7章講金屬和半導體的接觸性能、第8章講半導體的表面理論、第9章講半導體的異質結構，第10、11、12章講解半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應，第13章講解非晶態(tài)半導體的結構和性質；該教材理論性很強，有很多繁雜的數(shù)學推導，要真正掌握教材所講內容，需要深厚的數(shù)學功底和物理理論功底。該校材料科學工程專業(yè)（光伏方向）立足于培養(yǎng)光伏工程的應用型人才，學生理論功底較為薄弱，故我們對理論推導不做過高的要求，但對推導的結果要形成定性的理解。具體要求學生掌握半導體物理學的基本理論、晶體半導體材料的基本結構、半導體材料基本參數(shù)的測定方法。根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，我們確定的主要理論教學內容有：（1）半導體中的電子狀態(tài)；（2）半導體中的雜質和缺陷能級；（3）半導體中載流子的統(tǒng)計分布；（4）半導體的導電性；（5）非平衡載流子理論；（6）PN節(jié)；（7）金屬和半導體接觸；（8）半導體表面理論。對半導體的光學性質、熱電性質、磁和壓電效應以及非晶態(tài)半導體不做要求。在課程實踐方面我們開設四個實驗：（1）半導體載流子濃度的測定；（2）少數(shù)載流子壽命的測量；（3）多晶硅和單晶硅電阻率的測量；（4）PN節(jié)正向特性的研究和應用。endprint

2.3 立足學生實際精心編寫導學案

“導學案”是我們指導學生自主學習的綱領性文件，對每個教學內容都精心編寫了“導學案”?！皩W案”主要包括每章節(jié)的主要內容、課程重點、課程難點、基本概念、基本要求、思考題等六個方面的內容。以“半導體中的電子狀態(tài)”為例，我們編寫的導學案如下：

2.3.1 本節(jié)主要內容

原子中的電子狀態(tài)：

（1）玻耳的氫原子理論；（2）玻耳氫原子理論的意義；（3）氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑；（4）索末菲對玻耳理論的發(fā)展；（5）量子力學對半經典理論的修正；（6）原子能級的簡并度。

晶體中的電子狀態(tài)：

（1）電子共有化運動；（2）電子共有化運動使能級分裂為能帶。

半導體硅、鍺晶體的能帶：

（1）硅、鍺原子的電子結構；（2）硅、鍺晶體能帶的形成；（3）半導體（硅、鍺）的能帶特點

2.3.2 課程重點

（1）氫原子能級公式，氫原子第一玻耳軌道半徑，這兩個公式還可用于類氫原子。（今后用到）

（2）量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示。

（3）晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動。

（4）半導體（硅、鍺）能帶的特點：

①存在軌道雜化，失去能級與能帶的對應關系。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶，上能帶稱為導帶，下能帶稱為價帶。

②低溫下，價帶填滿電子，導帶全空，高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶，使晶體呈現(xiàn)弱導電性。

③導帶與價帶間的能隙（Energy gap）稱為禁帶（forbidden band），禁帶寬度取決于晶體種類、晶體結構及溫度。

④當原子數(shù)很大時，導帶、價帶內能級密度很大，可以認為能級準連續(xù)。

課程難點：原子能級的簡并度為（2l+1），若記入自旋，簡并度為2（2l+1）；注意一點，原子是不能簡并的。

基本概念：電子共有化運動是指原子組成晶體后，由于原子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上，可以由一個原子轉移到另一個原子上去。因而，電子將可以在整個晶體中運動，這種運動稱為電子的共有化運動。但須注意，因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層中轉移。

基本要求：掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式；掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點；掌握硅、鍺能帶的特點。

思考題：（1）原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同，原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同。（2）晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響。

2.4 以學生為主體組織課堂教學

在每次上課的前一周，我們將下周要學習的內容的導學案印發(fā)給學生，人手一份，讓學生按照導學案的要求先在課余時間提前預習，對一些基本概念要有初步的理解，對該課內容要形成基本的認識。比如，我們在學習“半導體中的電子狀態(tài)”這一內容時，要求學生通過預習要清楚：孤立原子中的電子所處的狀態(tài)是怎樣的；晶體中的原子狀態(tài)又是怎樣的；半導體硅、鍺的能帶有何特點。在課堂教學中我們的教學組織程序是一問、二討論、三講解、四總結。一問，是指通過提問，抽取個別同學回答問題，了解學生的自主學習情況。二討論是指讓同學們就教師提出的問題開展自主深入的討論。例如就晶體中電子的狀態(tài)這一問題，讓學生討論什么是共有化運動；電子的共有化遠動是如何產生的；電子的共有化運動有何特征；電子的共有化運動如何使能級分裂為能帶。讓學生暢所欲言，充分發(fā)表自己的意見，教師認真聆聽，發(fā)現(xiàn)學生的錯誤認識，為下一步的講解做好準備。三講解是指就三個方面的知識進行講解，其一是就學生討論過程中的錯誤認識和錯誤觀點及時的糾正；其二是對學生不具備的理論知識進行補充講解，例如學生不具備量子力學基礎，就要給學生補充講解量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經典意義上的軌道實質上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方，電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示；其三是就難點進行講解，比如原子能級的簡并度，學生理解起來較為困難，就需要教師深入細致地講解；四總結就是歸納本堂課要掌握的重點知識，那些基本概念必須掌握，那些基本公式必須會應用。

3 “學案導學”教學模式在半導體物理課程教學中有效性的評價

在樂山師范學院材料科學工程專業(yè)（光伏方向）的2011級、2012級三個班半導體物理學的教學中，采用“學案導學”教學模式，取得了良好的教學效果。這體現(xiàn)在以下三個方面：一，學生養(yǎng)成了在課前自主學習的良好習慣，在課堂上積極參與討論，活躍了思維，激發(fā)了學生的學習熱情；二，學生帶著問題上課，澄清了很多模糊的認識，極大地提高了學習效率；三，從考試成績看，優(yōu)秀率和合格率大幅度提高，表明學生對半導體物理學的基本理論、對半導體材料的基本特性、對半導體材料參數(shù)的測試方法均有較好的掌握。這說明學案導學教學模式在半導體物理學的教學中是成功的。

參考文獻

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[4] 劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 彭英才，X.W.Zhao，傅廣生.半導體物理研究的回顧與展望[J].自然雜志， 2004（6）.endprint