1、半 导 体 物 理实 验 的 教 学改 革 与 实 践 盛英卓 苏庆 张振兴 潘孝 军 王琦 兰伟 谢二 庆 兰 州 大学 物 理科 学 与技 术 学院 摘 要： 为适应新时期人才培养需要, 在我校教学项目的支持下, 对大四专业实验课程 半导体物理实验进行一系列的教学改革, 旨在侧重于学生的实践动手能力、 创新 能力和综合素质的培养和提高。 通过两年的实践, 教师和学生普遍感觉到新实验 教学体系的目的性、 整体性和层次性都得到了极大的提高, 教学内容和教学方式 的调整, 使学生理论联系实际的能力得到增强, 大大提高了学生的积极性和主 动性。 关键词 ： 半导体物理实验; 教学改革; 专业实验;
2、 作 者简 介： 盛英卓 (1984 ) , 女, 博士, 实验师, 研究方向:主要从事半导体 物理实验教学及实验室管理工作。 基 金： 国家自然基金青 年基金:碳纳米管仿生连接器的制备与性能研究 (项目编 号:51302122) 实验教学作为高校教学环节中的一个重要组成部分, 不仅因为其是课堂教学的 延伸, 更由于通过实验教学, 可以加深学生对理论知识的理解, 培养学 生的动 手能力, 拓展学生的创造思维1,2。实验教学分为基础实验和专业实验两部分 3,4:基础实验面向全校学生, 如大学物理实验、 普通化学实验等, 其主要任务 是巩固学生对所学基础知识和规律的理解, 旨在提高学生的观察、 分
3、析及解决问 题的能力, 提供知识储备5,6;与基础实验不同, 专业实验仅面向某一专业, 是针对专业理论课程的具体学习要求设计的实验教学内容, 对于学生专业方向 能力的提高具有极强的促进作用。 通过专业实验教学使学生能够更好的理解、 掌 握和应用基础知识和专业知识, 提高分析问题的能力并解决生活中涉及专业的 实际问题, 为学生开展专业创新实践活动打下坚实的基础。 1 半导体物理实验课 程存在的问题与困难 半导体物理实验是物理学专业电子材料与器件工程方向必修的一门专业实验课, 旨在培养学生对半导体材料和器件的制备及测试方法的实践操作能力, 其教学 效果直接影响着后续研究生阶段的学习和毕业工作实 践
4、。 通过对前几年本专业毕业生的就业情况分析, 发现该专业毕业生缺乏对领域内前沿技术的理解和掌握。 由于没有经过相关知识的实验训练, 不少毕业生就业后再学习过程较长, 融入 企事业单位较慢, 因此提升空间受到限制。 1.1 教学 内容简 单陈 旧 目前, 国内高校在半导体物理实验课程教学内容的设置上大同小异, 基础性实 验居多, 对于新能源、新型电子器件等领域的相关实验内容完全没有或涉及较 少。 某些高校还利用虚拟实验来进行实验教学, 其实验效果远不如学生实际动手 操作。 我校的半导体物理实验原有教学内容主要参照上个世纪七、 八 十年代国家对半导 体产业人才培养的要求所设置, 受技术、 条件所限
5、, 主要以传统半导体物理的基 础类实验为主, 实验内容陈旧。 但是在实验内容中添加新能源、 新型电子器件等 领域的技术方法, 对于增加学生对所学领域内最新前沿技术的了解, 掌握现代 技术中半导体材料特性相关的实验手段和测试技术是极为重要的。 1.2 仪器 设备严 重匮 乏 半导体物理实验的教学目标是使学生熟练掌握半导体材料和器件的制备、 基本物 理参数以及物理性质的测试原理和表征方法, 为半导体材料与器件的开发设计 与研制奠定基础。 随着科学技术的不断发展, 专业实验的教学内容应随着专业知 识的更新及行业的发展及时调整, 从而能更好的完成课程教学目标的要求, 培 养新时代的人才。 实验内容的调
6、整和更新需要有新型的实验仪器设备做保障, 但我校原有实验教 学仪器设备绝大部分生产于上个世纪六七十年代, 在长期实验教学过程中, 不 少仪器因无法修复的故障而处于待报废状态。 由于仪器设备不能及时更新, 致使 个别实验内容无法正常进行, 可运行的仪器设备也因为年代久远, 实验误差大、 重复性低, 有时甚至会得到错误的实验结果, 只能作学生“按部就班 ”的基础 实验, 难以进行实验内容的调整, 将新技术 新方法应用于教学中。 因此, 在改革之前半导体物理实验的实验设计以基础类实验为主, 设计性、 应用 性、综合性等提高类实验较少, 且无法开展创新类实验。缺少自主设计、创新、 协作等实践能力的训练
7、, 不仅极大地降低学生对专业实验的兴趣, 且不利于学 生实践和创新创业能力的培养, 半导体物理实验课程的改革势在必行。 2 半导体物理实验课 程改革的内容与举措 半导体物理实验开设时间为本科大四秋季学期, 该实验课与专业理论课半导体 物理学、 半导体器件、 薄膜物理学在同一学期进行。 随着半导体技术日新月异发 展的今天, 对半导体物理实 验的教学内容也提出了新的要求, 因此, 要求这门 实验课程不仅能够通过对半导体材料某些重要参数和特性的观测, 使学生掌握 半导体材料和器件的制备及基本物理参数与物理性质的测试方法, 而且可以在铺垫必备基础和实际操作技能的同时, 拓展学生在电子材料与器件工程领域
8、的 科学前沿知识, 为将来独立开展产品的研制和科学研究打下坚实的基础。 2.1 实验 基础设 施的 建设 2013 年年底, 基于我校本科教学项目的资金支持, 半导体物理实验教学团队通 过调研国内外高校现行半导体物理实验教学资料, 结合我校实验教学的自身特 点, 按照创 新教育的要求重新设计了半导体物理实验内容, 并根据所开设实验 教学内容合理配置相应的实验仪器设备, 新配置仪器设备具有一定的前瞻性, 品质优良, 数量合理, 保证实验教学质量。 由于作为一门专业实验课, 每学年只 有一个学期承担教学任务, 为了提高仪器设备的利用率, 做到实验设备资源的 不浪费, 计划成立一间半导体物理实验专属
9、的实验室, 用于陈放新购置的实验 设备, 在没有教学任务的学期, 该实验室做为科研实验室和创新创业实验室使 用。 通过近三年的建设, 半导体物理实验专属实验室 新能源材料与电子器件 工程创新实验 室建成并投入使用, 该实验室为电子材料与器件工程方向的本科 生毕业论文设计以及全院本科生的创新创业实验设计提供了基本保障, 更为重 要的是该实验室的建成极大地改善了半导体物理实验的原有教学条件, 解决了 实际困难, 使得半导体物理实验教学效果显著提升。 不仅加强了学生对专业核心 知识理解和掌握, 而且启发学生综合运用所学知识创造性地解决实际问题, 有 效提高学生的实践动手能力、创新能力和综合素质。 2
10、.2 实验 教学内 容的 更新 半导体物理实验是一门 72 学时的实验课, 在 专属实验室建成后, 按照重视基础、 突出综合、 强调创新、 提升能力的要求, 逐 步培养与提高学生的科学实验素质和创新能力, 构建了“九八五 ”新的实 验内容体系, 包括如下三个层次 (表1) 。 表1 半导体物理实验内容的三个层次 下载原表 第一层次为 “九”个基础型实验, 涵盖对半导体材料的物理性质 (结构、电学、 光学) 的测定, 通过对物理量的测量验证物理规律, 训练学生观察、 分析和研究 半导体物理实验现象的能力, 掌握常用基本半导体物理实验仪器的原理、 性能和 测量方法等。 第二层次为 “八”个提高型实
11、验 (综合、 应用性实验) , 学生通过第一层次的实 验训练后, 已掌握了基本的实验方法和技能, 在此基础上, 开展综合性实验, 可以培养学生综合运用所学知识以及分析和解决问题的能力。 通过应用性实验培 养学生将来利用设备原理从事生产或者技术服务的能力。 第三层次为 “五”个设计创新型实验, 学生需运用多学科知识、 综合多学科内容, 结合教师的科研项目进行创新研究, 通过设计型实验可以锻炼学生组织和自主 实验的能力, 着力培养学生创新实践能力和基本的科研素质。 每个基础型实验4 学时, 提高型实验8 学时, 创新型实验12 学时, 规定基础型 为必修实验, 提高型、 创新型为选作实验。 九个基
12、础型实验全部完成后, 学生可 根据兴趣和毕业设计要求在提高型、创新型实验中各分别选做一定数量的实验, 在开课学期结束时完成至少 72 个学时的实验并获得成绩方为合格。 2.3 实验 教学方 式的 优化 在教学方式上, 建立以学生为中心、 学生自我训练为主的教学模式, 充分调动学 生的主观能动性。 将之前老师实验前的讲解转变为学生代表讲解实验内容, 然后 老师提问并补充完善, 在整个实验安排过程中, 实验内容由浅入深、 由简单到综 合、 逐步过渡至设计和研究创新型实验。 三个层 次的实验内容形成连贯的实验梯 度教学体系, 在充分激发学生学习兴趣的同时, 培养学生自主学习、 自发解决问 题的能力。
13、 2.4 实验 考核机 制的 改革 目前大部分实验课的成绩由每次实验后的 “ 实验报告”的平均成绩决定, 然而 单独一份实验报告并不能够完整反应学生的实际动手操作能力和对实验内容的 熟悉程度。 因此, 本课程将此改革为总成绩由每次 “实验”的平均成绩决定。 每 次实验成绩包括实验预习、 实验操作和实验报告三部分, 实验开始前通过问答以 及学生讲解实验内容来给出实验预习成绩;实验操作成绩是个团队成绩反映每组 实验学生在实验过程 中的动手能力以及组员之间的相互协助情况;针对提高型和 创新性实验, 特别是创新性实验, 要求以科技论文的形式来撰写实验报告, 以 此来锻炼本科生的科技论文写作能力。 通过
14、三部分综合来给出的实验成绩更注重 对知识的掌握、能力的提高和综合素质的培养等方面的考核。 3 半导体物理实验课 程改革后的成效 半导体物理实验在我校本科教学项目的支持下, 购置并更新了实验设备建立了 专属实验室, 构建了 “九八五”新实验内容体系, 并采用新的教学方式和考核机制, 教师和学生普遍感觉到新实验教学体系的目的性、 整体性和层次性都 得到了极大 的提高。 教学内容和教学方式的调整, 使学生理论联系实际的能力得 到增强, 提高了学生的积极性和主动性。 实验中学生实际动手的机会增多, 对知识的渴求程度明显加强, 为了更好地完 成创新设计实验, 部分本科生还会主动去查阅研中英文科技文献,
15、真正做到了 自主自觉的学习。 通过实验课程的教学, 学生掌握了科技论文的基本格式, 数据 处理的图表制作, 了解了科学研究的过程, 具备了基本的科研能力, 也为学生 的毕业设计打下了良好的基础。 与此同时, 利用新购置的实验设备建立的实验室, 在做为科研实验室和创新创 业实验室使用时, 也取得了优异的成绩。依托本实验室, 2015 年“ 国家级大学 生创新创业训练计划 ”立项3 项, 2016 年“ 国家级大学生创新创业训练计划 ” 立项4 项。 4 结语 专业实验作为学生继续攻读研究生和进入社会就业前的重要实践和创新能力训 练, 对提高学生的创新、 实践能力有着非常重要的作用, 因此专业实验
16、的教学内 容应随着专业知识的更新及行业的发展及时调整, 做到与科研紧密衔接, 为学 生研究生阶段的学习打下坚实的基础;做到与企业零距离接轨, 提高毕业生的实 践能力。 参考文献 1 荣昶, 赵向阳, 蔡 惠萍.实验教学与创新能力培养探析J.实验室研究与探 索, 2004, 23 (1) :12-14. 2 周引穗.专业实验课 教学在培养跨世纪人才中的作用J.高等理科教育, 2001 (3) :63-65. 3 刘向阳, 郑海务.专 业实验室建设与改革实践J.实验室研究与探索, 2010, 29 (2) :145-148. 4 何晓阳, 朱亚平, 余志, 等. 专业实验室建设的探索与实践J.实验
17、室研究 与探索, 2003, 22 (3) :107-109. 5 陈延如, 赵琦, 王 利平, 等. 专业实验教学体系改革与实践研究J. 高校实 验室工作研究, 2016 (4) :116-118. 6 糜玉林, 朱爱红.以 评促建, 积极推进基础实验教学改革J.实验技术与管 理, 2008, 25 (7) :18-19. 7 曾明荣.浅谈专业实 验建设存在的问题与对策J.实验技术与管理, 1996, 13 (3) :53-55. 8 杨秀英, 李增荣, 杨玉芳.专业实验教学改革与实践J.教育教学论坛, 2012 (19) :208-209. 9 王文华, 熊正烨, 师文庆, 等.电子科学与技术专业创新人才培养的专业实 验教学研究J.高校实验室工作研究, 2015 (1) :93-95. 10 黄紫洋, 王雪松, 吴阳, 等.化学工程与工艺本科专业实验室建设方案的构 建与实施J.高校实验室工作研究, 2016 (4) :74-75. 11 李建军, 王姝娅, 杜涛, 等.集成电路工艺实验教学的探索与实践J.实验 室研究与探索, 2015, 34 (11) :162-165.
