趙紀(jì)紅，李賢斌

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春130012）

0 引言

半導(dǎo)體材料在微電子工業(yè)及光電子領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位，然而，在國內(nèi)外專門設(shè)置“半導(dǎo)體材料”課程的大學(xué)寥寥無幾，作為中國大陸第一個(gè)半導(dǎo)體系，吉林大學(xué)半導(dǎo)體系自1959年建系初始，“半導(dǎo)體材料”課程即被列入首批開設(shè)的四門專業(yè)課之一。60多年來，吉林大學(xué)在半導(dǎo)體材料的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究以及人才培養(yǎng)等多個(gè)方面積累了豐富的寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前，“半導(dǎo)體材料”課程被列為微電子專業(yè)的重點(diǎn)專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)優(yōu)秀的人才，在保持前輩們優(yōu)秀的教學(xué)思想和理念的基礎(chǔ)上，吉林大學(xué)對(duì)“半導(dǎo)體材料”進(jìn)行新的教學(xué)改革，目標(biāo)將“半導(dǎo)體材料”課程建設(shè)成國內(nèi)具有重要特色的專業(yè)課程。本次教學(xué)改革著重從夯實(shí)專業(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)、學(xué)習(xí)興趣導(dǎo)向、科研能力培養(yǎng)、科學(xué)前沿拓展和實(shí)際應(yīng)用等方面對(duì)本專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行綜合能力的培養(yǎng)。

為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)微電子領(lǐng)域人才的需求［1］，培養(yǎng)具有綜合性的高素質(zhì)人才是當(dāng)前高等院校教師的主要目標(biāo)。培養(yǎng)的學(xué)生不僅要具有堅(jiān)實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)，并且還應(yīng)具有運(yùn)用知識(shí)、科研探索和創(chuàng)新等多方面的能力。傳統(tǒng)的“半導(dǎo)體材料”課程內(nèi)容主要是對(duì)理論知識(shí)的講授，而且知識(shí)點(diǎn)較分散缺乏系統(tǒng)性，已不能滿足當(dāng)前培養(yǎng)綜合性高素質(zhì)人才的需求?！鞍雽?dǎo)體材料”課程開設(shè)前需要用到“半導(dǎo)體物理”、“結(jié)晶學(xué)”、“熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理”等課程的理論知識(shí)，同時(shí)該課程也為“半導(dǎo)體器件”、“集成電路”等課程提供必要的理論基礎(chǔ)儲(chǔ)備。課程還涉及半導(dǎo)體材料的提純、晶體生長、薄膜生長、雜質(zhì)帶工程及實(shí)際應(yīng)用問題。與其它課程不同，作為國際前沿的研究熱點(diǎn)，具有新功能的半導(dǎo)體材料不斷地被開發(fā)和研究，因此，隨著科學(xué)研究的進(jìn)步、新材料的開發(fā)探索和對(duì)材料生長機(jī)制理解程度的深入，教學(xué)人員需不斷跟進(jìn)材料發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)并需要在教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容上做及時(shí)的更新和完善。

1 教學(xué)改革方式

1.1 課程內(nèi)容

我校開展的“半導(dǎo)體材料”課程教學(xué)改革，是以楊樹人先生等編著的《半導(dǎo)體材料》教材中的知識(shí)框架為基礎(chǔ)［2］，結(jié)合科學(xué)前沿在課程的緒論部分拓展半導(dǎo)體材料的理論知識(shí)背景；在區(qū)熔提純內(nèi)容之前增添相圖的基礎(chǔ)理論知識(shí)；在課程的最后加入新型二維半導(dǎo)體材料的相關(guān)介紹。整個(gè)課程內(nèi)容包括半導(dǎo)體材料的導(dǎo)論、硅和鍺的化學(xué)制備、相圖的基礎(chǔ)理論、區(qū)熔提純、晶體生長、硅和鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷、硅外延生長、III-V族化合物半導(dǎo)體、III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長、III-V族多元化合物半導(dǎo)體、II-VI族化合物半導(dǎo)體、低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料、照明半導(dǎo)體材料、其他半導(dǎo)體材料及新型二維半導(dǎo)體材料等。

該課程內(nèi)容需要用到“半導(dǎo)體物理”課程中的半導(dǎo)體的物理性質(zhì)及摻雜理論等基礎(chǔ)知識(shí)；同時(shí)需要用到“熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理”課程中的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)；也需要“結(jié)晶學(xué)”課程中的半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷理論等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；本課程涉及半導(dǎo)體材料的提純技術(shù)、晶體生長理論和原理、薄膜生長方法及半導(dǎo)體材料的制備和特性控制、半導(dǎo)體材料的加工和應(yīng)用等內(nèi)容。

課程涉及到半導(dǎo)體材料的發(fā)展史，講解中以微電子器件在實(shí)際中的應(yīng)用來揭開半導(dǎo)體芯片的層層面紗，從而讓學(xué)生意識(shí)到半導(dǎo)體材料的重要性，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀使學(xué)生建立學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體材料”課程對(duì)于芯片科技強(qiáng)國的使命感。用晶體管和集成電路的發(fā)明背景將學(xué)生們帶入硅谷的發(fā)展史，使學(xué)生們領(lǐng)略到晶體管之父肖克萊及其八大弟子的學(xué)術(shù)風(fēng)采，從而讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到課程的重要意義并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合當(dāng)今研究的熱點(diǎn)半導(dǎo)體材料如氮化稼的研究進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用，一方面，讓學(xué)生們了解半導(dǎo)體材料及器件與我們的日常生活密不可分，另一方面，讓學(xué)生們認(rèn)識(shí)到課堂所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論是如何深刻影響半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的。課程內(nèi)容中除了典型的第一、二、三代半導(dǎo)體材料外，還涉及到前沿的半導(dǎo)體材料，包括微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體、低維半導(dǎo)體和各種新型的半導(dǎo)體材料，如鍺硅合金、碳化硅、石墨烯、六方氮化硼、III-V族和II-VI族二元及多元化合物半導(dǎo)體材料，以及半導(dǎo)體材料的最前沿的研究進(jìn)展及應(yīng)用領(lǐng)域。從而，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)了解半導(dǎo)體材料的發(fā)展以及半導(dǎo)體材料在科學(xué)研究、科技進(jìn)步、日常生活中的應(yīng)用。另外，講授“半導(dǎo)體材料”課程的教師應(yīng)將課程內(nèi)容與其自身的科研工作緊密聯(lián)系，既可以加深對(duì)講授知識(shí)的理解程度，也可以將自己在科研中涉及到與課程內(nèi)容相關(guān)的研究方法和科研成果展示給學(xué)生。這樣設(shè)置的課程內(nèi)容既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、明確學(xué)習(xí)方向，還要求授課教師時(shí)刻跟進(jìn)半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展，從而達(dá)到教研相長的目的。

1.2 教學(xué)方法

教學(xué)方法的合適與否直接影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收效果和理解程度，教師授課的內(nèi)容不在量而在質(zhì)，因此教學(xué)方法改革至關(guān)重要。知識(shí)的傳遞不能只靠課堂上的灌輸式授課，“授人以魚不如授人以漁”。教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”是相互的，因此，教學(xué)效果一定要有反饋才能評(píng)價(jià)其質(zhì)量。在課堂上教師應(yīng)加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，時(shí)刻掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)接受的程度，對(duì)存在的問題及時(shí)做出響應(yīng)，從而根據(jù)反饋信息對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法做出相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)。

再者，學(xué)生不能單一地只從課堂教學(xué)來獲取知識(shí)，知識(shí)的獲取應(yīng)該是多途徑、多渠道、多樣化的，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。結(jié)合課程在實(shí)際中的應(yīng)用，通過設(shè)置課程調(diào)研任務(wù)來培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、搜集資料、獨(dú)立思考、合作交流等多方面的學(xué)習(xí)能力。如今的教學(xué)形式不再單一化，特別在后新冠疫情時(shí)代，課堂教學(xué)可與線上互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)相互結(jié)合；合理利用資源，同時(shí)還可利用觀看教學(xué)視頻、實(shí)地參觀、實(shí)踐教學(xué)等多種方式來建立多元化的教學(xué)模式，從而有效地提升教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，達(dá)到知識(shí)傳遞的最佳效果。

具體到“半導(dǎo)體材料”的實(shí)際教學(xué)課堂中，教師首先要設(shè)計(jì)好教學(xué)大綱并搭建課程內(nèi)容框架，對(duì)教學(xué)內(nèi)容做好整體性把握，對(duì)各章節(jié)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并按層次和重難點(diǎn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分類，且注重前后知識(shí)點(diǎn)的連貫性和邏輯關(guān)系，課程內(nèi)容的講授應(yīng)重點(diǎn)突出，而不是千篇一律。教師應(yīng)啟發(fā)式地教學(xué)而不是機(jī)械式灌輸，注重學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的思考，通過多設(shè)疑問、多舉實(shí)例來引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和運(yùn)用。在課堂教學(xué)開始前，教師專門設(shè)置一個(gè)與本次課內(nèi)容相關(guān)的問題，該問題能體現(xiàn)出課程知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際中的具有應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的探索和思考，最后，在課堂教學(xué)內(nèi)容完成后給出解答，做到前后呼應(yīng)。在課堂教學(xué)中，也可通過設(shè)置問答的方式來加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，如采用小程序在線問卷的方式來及時(shí)反饋學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況。對(duì)于所提出的問題的答案應(yīng)允許百家爭(zhēng)鳴、百花齊放，正確地引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生積極表達(dá)自己對(duì)問題的觀點(diǎn)和想法，不能只關(guān)注對(duì)錯(cuò)，而是要讓學(xué)生明白現(xiàn)象背后的本質(zhì)。通過討論和回答問題，使學(xué)生們積極地參與到課堂教學(xué)中來，并培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考問題的能力，從而加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。通過教與學(xué)的互動(dòng)實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的相長。另外，為提高學(xué)生的課堂注意力和專注度，教師要在多媒體課件的形式和結(jié)構(gòu)安排上多用心，多媒體課件應(yīng)條理清晰、層次分明、重點(diǎn)突出，杜絕通篇文字，同時(shí)要結(jié)合文字與圖片、動(dòng)畫、視頻等多種表達(dá)形式來增加學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)的關(guān)注程度。在板書設(shè)計(jì)上應(yīng)精心安排內(nèi)容，板書內(nèi)容與多媒體課件應(yīng)相互補(bǔ)充，避免內(nèi)容重復(fù)。要做到重要知識(shí)點(diǎn)突出、條理清晰。通過板書教學(xué)一方面可提高學(xué)生聽課的注意力并及時(shí)跟進(jìn)課程內(nèi)容，另一方面，也使課程重難點(diǎn)突出，做到知識(shí)點(diǎn)一目了然。在每次課堂教學(xué)結(jié)束后，通過布置多種形式的課堂作業(yè)，不僅可以使學(xué)生加深對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的理解并了解課程內(nèi)容在實(shí)際中的運(yùn)用，還可以使教師及時(shí)地了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

利用線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，將課程內(nèi)容錄制成教學(xué)視頻并上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，按知識(shí)點(diǎn)將其分解為短視頻，并按照重難點(diǎn)進(jìn)行劃分。重難知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容視頻可用做學(xué)生們的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。而對(duì)于僅需要簡單了解的課程內(nèi)容，學(xué)生們只需課后自行觀看教學(xué)視頻即可，這樣，可更加有效合理地利用課堂教學(xué)時(shí)間。課堂外，教師還可通過手機(jī)客戶端向同學(xué)們推送半導(dǎo)體行業(yè)和集成電路前沿的研究動(dòng)態(tài)，并介紹行業(yè)信息與課程內(nèi)容的相關(guān)性。

作為與半導(dǎo)體工業(yè)界結(jié)合非常緊密的課程，“半導(dǎo)體材料”的課程內(nèi)容涉及半導(dǎo)體體單晶的生長工藝過程、絕緣層上硅（SOI）的制備工藝過程、半導(dǎo)體薄膜單晶的生長過程，也涉及單晶硅晶圓的加工過程和集成電路芯片的制造過程等。為直觀地了解和學(xué)習(xí)相關(guān)工藝過程，一方面可在多媒體課件中適當(dāng)?shù)丶尤雱?dòng)畫來形象地展現(xiàn)材料生長工藝過程另一方面利用教學(xué)視頻來輔助介紹半導(dǎo)體加工和制造過程。在課堂內(nèi)容外，可與國內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)和工廠合作，組織學(xué)生參觀學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的制造過程。此外，吉林大學(xué)的微電子教學(xué)中心為“半導(dǎo)體材料”課程設(shè)置了系列的配套實(shí)驗(yàn)課程，如硅單晶的生長、傅立葉變換紅外吸收光譜測(cè)定、非平衡載流子壽命測(cè)試、外延層中雜質(zhì)濃度測(cè)量、硅單晶中缺陷的觀察、半導(dǎo)體工藝等實(shí)驗(yàn)。涉及到相應(yīng)的課程內(nèi)容時(shí)，可組織學(xué)生參觀與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，講授實(shí)驗(yàn)原理和操作流程，目的在于加深學(xué)生對(duì)理論課程內(nèi)容的理解。另外，吉林大學(xué)集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)具有國際先進(jìn)的半導(dǎo)體薄膜材料生長設(shè)備，如化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（CVD）、分子束外延系統(tǒng)（MBE）、原子層沉積系統(tǒng)（ALD）、熱蒸發(fā)及磁控濺射鍍膜系統(tǒng)等。通過參觀材料生長設(shè)備，一方面使實(shí)驗(yàn)、科研與授課內(nèi)容相輔相成，促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解；另一方面，通過走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室使同學(xué)們了解最前沿的科研動(dòng)態(tài)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)科研和學(xué)習(xí)的雙重興趣。

再者，可適當(dāng)?shù)匕才耪n后文獻(xiàn)調(diào)研任務(wù)。如在學(xué)期開始的第一次課后可安排學(xué)生查閱文獻(xiàn)調(diào)研“摩爾定律的極限與延長方法”，通過文獻(xiàn)調(diào)研讓學(xué)生們從多方面了解微電子領(lǐng)域和集成電路發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)，認(rèn)識(shí)限制我國芯片發(fā)展的主要“卡脖子”問題。在期末課程的最后，可安排學(xué)生調(diào)研新型二維半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展，通過文獻(xiàn)匯報(bào)和多媒體課件展示兩種形式考察學(xué)生的完成情況，利用翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)模式來鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研、分類匯總、語言表達(dá)等多方面的綜合能力。

1.3 考核方式

除課程內(nèi)容豐富完善和自成體系、教學(xué)方法的多樣化外，“半導(dǎo)體材料”課程的考核方式也在與時(shí)俱進(jìn)。課程評(píng)價(jià)不再是單純的期末閉卷考試的考核方式。而是通過多渠道來全面考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。成績的評(píng)定包括課堂作業(yè)、課后作業(yè)、課后調(diào)研、期中考試成績、期末考試成績。其中，課堂作業(yè)、課后作業(yè)和課后調(diào)研占20%，期中考試成績占25%，期末考試成績占55%。布置課上作業(yè)的目的在于既能使教師及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度并隨時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容和講授方式，也能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并加強(qiáng)聽課專注力。布置課后作業(yè)的目的在于使學(xué)生加深對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容的理解，鞏固課程內(nèi)容。布置課后調(diào)研任務(wù)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、分類整理和表達(dá)等多方面的綜合能力。期末考試試題應(yīng)著重考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力，教學(xué)的宗旨是讓學(xué)生深刻理解“半導(dǎo)體材料”課程中涉及的概念、材料性質(zhì)、生長原理和材料制備的方法，而不是生硬地暫時(shí)性記憶知識(shí)。這種綜合的考評(píng)方式能比較客觀、公平、公正地評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。依照課程考核結(jié)果，授課教師對(duì)教學(xué)方法和內(nèi)容做出改進(jìn)，從而不斷提升課程的教學(xué)效果。

2 結(jié)語

“半導(dǎo)體材料”課程分別在課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法和考核方式幾個(gè)方面進(jìn)行了綜合性的改革。在課程內(nèi)容設(shè)置上，基于楊樹人先生等編著的《半導(dǎo)體材料》教材的知識(shí)框架體系增添了相圖的基礎(chǔ)理論知識(shí)和新型二維半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展兩部分內(nèi)容。課程內(nèi)容包括半導(dǎo)體材料的生長理論知識(shí)、半導(dǎo)體材料的生長方法和提純技術(shù)、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用領(lǐng)域和前沿動(dòng)態(tài)。通過學(xué)習(xí)課程，使學(xué)生們?nèi)媪私獍雽?dǎo)體行業(yè)所涉及的相關(guān)知識(shí)并培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的興趣。在教學(xué)方法上，通過轉(zhuǎn)被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)的方式調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式來提高教學(xué)的效率和水平，利用實(shí)踐教學(xué)、多媒體等手段激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣；將科學(xué)前沿的動(dòng)態(tài)及時(shí)輸入到課堂教學(xué)中，進(jìn)而使同學(xué)們切實(shí)體會(huì)到課堂知識(shí)在實(shí)踐中的運(yùn)用。最終，通過多渠道多途徑的教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考和解決問題等多方面的能力。

在考核方式上，通過課上、課后作業(yè)，期中考試、期末考試等多種考察方式來合理地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。教學(xué)改革的最終目的在于以教學(xué)為本提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，探索提升學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)方法，為國家培養(yǎng)高素質(zhì)的微電子學(xué)科人才。