《教育教学论坛》杂志社 _【官网】

 联系我们

点击这里给我发消息 韩编辑 984958817 点击这里给我发消息 韩编辑 984958817
联系电话:0311-80820729
 论文鉴赏
《半导体材料与器件》翻转课堂教学建设研究 ——以面向材料、化学等多个学科教学为例
发布时间:2022-04-11 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
《半导体材料与器件》翻转课堂教学建设研究
          ——以面向材料、化学等多个学科教学为例
黄妞,孙盼盼,倪世兵,吕晓伟 
(三峡大学 材料与化工学院,湖北 宜昌 443002)
[摘  要]《半导体材料与器件》是半导体科学的基础课程,主要教授半导体的能带结构、半导体中杂质、半导体中载流子统计和运动;半导体器件(PN结、金半结和晶体管)的基本结构、能带结构和工作原理。考虑到材料背景或化学背景的研究生在本科阶段大部分并未接触《量子力学》和《固体物理》,我们也需加增量子力学初步、晶体结构和能带理论方面的基础知识铺垫。此外,结合所在学院各个团队研究方向中与半导体相关的内容,本课程也探究和讲授相关科学问题和科学前言,从而促进研究生的科研工作。通过将以上内容拟成十大专题,指导学习小组选题、预习、准备组织PPT并讲解,再通过集体答疑和分组讨论,最后再提交思维导图作业;实现了学生自主学习,翻转课堂取得比传统以往课堂更优的学习效果。
[关键词]半导体材料;半导体器件;课程教学;翻转课堂
[作者简介]黄妞(1986-),女,汉,湖北宜昌/湖北荆门, 博士,三峡大学材料与化工学院材料科学系,副教授,研究方向:新能源材料与器件。
基金项目:2019年三峡大学研究生课程建设项目(项目编号:SDKC201909);2019年国家自然科学基金(批准号21902084);2020年武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室(批准号:2020-KF-11)。
一、《半导体材料与器件》课程内容和课程目标 [1-3]
《半导体材料与器件》是三峡大学材料与化工学院材料工程、化学、材料科学与工程三个硕士点的专业课程,从2013年开设课程至今。半导体材料与器件主要介绍半导体材料的基本知识和基础理论,包括:半导体的能带结构、半导体中浅/深杂质和其分别对载流子浓度/寿命的影响、载流子漂移运动/扩散运动、半导体材料的光吸收;半导体器件的基本知识和基础理论,包括:PN结、金属-半导体结、三极管和场效应晶体管的基本材料结构组成、能带结构和工作原理。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科,在以半导体材料为基础的新型光电、能量存储与转换产业(如:光/电催化、太阳能电池、锂电池、LED、传感器等)应用技术人才的知识结构中具有重要基础地位。
二、传统教授式模式介绍和其考核及成绩评定方式[4,5]
Ø 传统教学内容、教学方式及学时分配:
学时 教学内容 教学方式
2学时 绪论 PPT+板书授课
2学时 半导体的原子结合方式及晶体结构(1.1) PPT+板书授课
2学时 量子力学初步、半导体中的电子状态和能带(1.2) PPT+板书授课
2学时 半导体中载流子的有效质量(1.3)典型半导体的能带结构(1.4) PPT+板书授课
2学时 硅、锗中的杂质能级、III-V族化合物中的杂质能级(2.1、2.2) PPT+板书授课
2学时 缺陷能级(2.4) PPT+板书授课
2学时 热平衡状态下的载流子统计(3.1、3.2) PPT+板书授课
2学时 本征半导体和杂质半导体的载流子浓度(3.3、3.4) PPT+板书授课
2学时 载流子的漂移运动和迁移率、载流子散射及影响因素(4.1、4.2、4.3、4.4) PPT+板书授课
2学时 半导体的非平衡状态的产生和描述(5.1,5.2,5.3) PPT+板书授课
2学时 复合理论(5.4),载流子的扩散运动(5.6) PPT+板书授课
2学时 载流子的扩散长度、扩散系数与迁移率(5.7,5.9) PPT+板书授课
2学时 热平衡PN结及其能带图(6.1) PPT+板书授课
2学时 非热平衡PN结及其能带图和其电流电压方程(6.2) PPT+板书授课
2学时 实际PN结对理想PN结的偏离;晶Si电池的电流电压(6.2,10.4) PPT+板书授课
2学时 半导体的光吸收(10.1,10.2); PPT+板书授课
2学时 金属和半导体的接触(7.1,7.3) PPT+板书授课
说明:以往也考虑到学生未修过量子力学而补充了一点量子力学初步的知识,其他内容对应刘恩科的《半导体物理学》[6]相应章节,例如:6.2为第6章第2节。
 
 
Ø 传统考核评定:开卷笔试,成绩占70%;平时成绩占30%(到勤、课上活跃度)。
三、问卷调查学生专业知识基础铺垫情况
由于授课对象为来自不同本科院校不同专业背景的学生,需以“问卷调查”等形式了解他们专业知识铺垫情况。根据问卷结果,确定讲授内容范围、课后习题形式、学习小组等。
例如,通过组建QQ群,利用群内“投票”功能,要求所有选课学生投票回答下列选择题:①本科修过半导体物理吗?A修过、B没修改;②修过固体物理吗?A修过、B没修改;③有无修过接触过量子力学?A修过、B没修但接触过、C没有接触过;④有无修过材料科学基础且对晶体结构有清晰印象?A修过且对晶体结构有清晰印象、B修过但对晶体结构已没清晰印象、C没修过但再其他课程学过晶体结构相关内容、D都没有。通过查看学生投票结果,我们发现①绝大部分同学没有修过量子力学和固体物理,个数同学接触过一点量子力学,更个数修过半导体物理;②材料学背景的学生都修过材料科学基础但他们中小半数已对晶体结构没清晰印象,化学专业学生大部分没修过材料科学基础但有在其他课程内学过晶体结构相关内容但也已模糊。我们决定①补充晶体结构(材料科学基础中的内容)、量子力学初步(量子力学的少部分基础内容)、能带理论(固体物理中的内容)作为预备铺垫知识,并根据它们内在逻辑并结合知识点难易程度安排先后顺序和学时时间;②正确处理物理模型和数学分析的关系,不追求完整细致严密的数学推导过程,不布置计算类作业而要求绘制每个内容块(即下文提到的九个专题块)的思维导图,建立清晰的思维脉络、强化对物理概念理解和掌握;③根据学生已有专业基础,交叉分组,将修过半导体物理首先分散到不同小组,再兼具平衡分散材料背景和化学背景的学生。
四、翻转课堂
Ø 《半导体材料与器件》课程目标再拟
①知识培养[1-3] 理解掌握量子力学、固体物理、材料科学基础相关基础;半导体的晶体结构和能带结构;半导体中载流子的漂移和扩散;半导体的杂质和缺陷及对半导体性能的影响; 非平衡载流子的产生与复合机理;PN结的结构特性及其物理机理;其它半导体器件结构和工作原理。②能力素质培养[4-6] 培养半导体材料结构与性能分析能力;具备半导体材料与器件专业的基本素质;培养自学、组织交流、汇报工作能力。 ③此外,结合所在学院各个团队研究方向中与半导体相关的内容,本课程也探究和讲授相关科学问题和科学前言,从而促进研究生的科研工作。
Ø 《半导体材料与器件》课程内容再拟
梳理课程内容后拟定十大专题(topic),具体为:1.半导体的材料结构、2.量子力学初步、3紧束缚模型和能带、4.半导体中的杂质、5.半导体的非平衡态、6.漂移电流和扩散电流、7.半导体器件结构类型、8.PN结工作原理与LED,太阳能电池、9.金半接触和晶体管、10.科研相关。
Ø 《半导体材料与器件》学习组织形式再拟
采用专题汇报+讨论+思维导图作业方式进行,具体为:①3人小组选一个topic,该小组在教师指导下利用课下时间提前准备PPT和其它汇报材料,课上用45-60 min汇报该topic,之后15-20 min老师点评、其他学生提问。②再之后由3人小组两两组成的6人组分别进行60-90 min小组讨论,可通过PPT/文档/视频/图片辅助,期间老师不定时进入不同讨论小组,帮助讨论高效进行。③课后每人提交每个topic的思维导图,每个6人组每次讨论学习后,评出组内最佳提问者,最佳答疑者和最勤奋学习者,教师亦将纳入平时成绩。疫情期间,我们采用腾讯会议,开始所有学生和老师在一个会议室听PPT汇报并集体讨论,后由6人组各自申请会议号在不同会议室谈论,老师不定时进入不同会议室观察讨论情况并有时会做简要答疑。2020年春,学生的分组情况如下表所示:
Topic主题内容 3人组组号 3人组组员 6人组组成
半导体的材料结构 1 王紫昭 安军荣 鲍昱良 1号3人组+4号3人组
量子力学初步 2 李博闻 刘德宝 夏伟康
紧束缚模型和能带 3 余美玲 彭驰 袁晓慧 2号3人组+3号3人组
半导体中的杂质 4 骆禅 刘秋恒 龚涛
半导体的非平衡态 5 陈云龙 徐杰 周文燕 5号3人组+8号3人组
漂移电流和扩散电流 6 杨营 邓宇 周起云
半导体器件结构类型 7 金竹 肖锐 陈晨 6号3人组+10号3人组
PN结工作原理与LED,太阳能电池 8 刘洋 江宁波 陈国豪
金半接触和晶体管 9 甘生龙 皮球 黄妞 7号3人组+9号3人组
科研相关 10 李延凤 谢镐 牛健
说明:①原计划学生汇报10个Topic,但后来老师对1-6个topic的重难点内容插入了一次回顾课,10Topic的分享只能进行到第9个, Topic6分享成员为原成员+甘生龙,Topic7分享成员为原成员+皮球,Topic9由原计划的Topic10 成员分享,Topic10由于课时限制本次并未进行。6人的讨论组成员不变。②绪论课2学时,每个topic占3学时共27学时,中间复习课3学时,共32学时。
Ø 《半导体材料与器件》考核方式再拟
平时考核70%,汇报PPT30%(老师给一分数段,再让每一修课学生在QQ群内选投一分数,最后取平均分) + 小组讨论70%。小组讨论70%的分配为:汇报PPT30%(老师给一分数段,再让每一修课学生在QQ群内选投一分数,最后取平均分) ;小组讨论占70%。小组讨论70%的分配为:参与小组讨论30%(不按时到勤-5%,中途离开5%-30%,早退-5%);提问题关键性能触发大家思考讨论20%;在讨论过程中发言、分享资料让大家理解消化知识点30%;相应Topic的思维导图作业(思维导图要涵盖所有知识点并突出重难点并论述解析过程,也要突出课前课中课后收获以便老师评分) 20%
期末考核30%,例如:期末考试为开卷,题目为:一、谈谈2020春学习半导体材料与器件的感受、收获和反思(500字以内)。(10分)二、请你从上课讨论的9个主题中任选一个主题,以思维导图呈现你对其认识。要求1.内容丰富涵盖上课知识点可以另外查资料添加新的内容;2.专业、准确度高、有条理和层次;3.重点内容突出、关键概念和重难点内容阐释清晰。(90分)
五、如何有效翻转的几点体会
Ø 分组合理 交叉分组,将修过半导体物理首先分散到不同小组,再兼具平衡分散材料背景和化学背景的学生,这样小组内就有小老师,学生的专业背景更宽、思维更开阔、关注点更多、讨论的问题更广。
Ø 合理安排学生工作量 由于学生已要投入很多的课外时间课前预习和课后完成每个Topic思维导图作业,故每个3人小组只被要求汇报一个topic,防止过度的课外工作量使学生疲倦。
Ø 老师多次指导topic汇报 每个topic汇报前,老师需和3人小组至少碰头两三次,第一次告知基本要求并提供学习资料包括PPT、书中章节、其它公开课视频等,第二次检查PPT汇报准备情况并答疑和提问并提出改进意见,第三次3人小组对教师先做PPT汇报,这样这一小组就学会如何更好地自学、组织交流、和准确汇报工作。
Ø 老师及时安排复习课 若学生出现知识点混淆,难点理解不透,教师需根据情况及时插入对前面内容的重难点复习课,就如上面提到的。
Ø 考核评定要配套及时 平时成绩占比高,评价合理推动翻转。平时成绩是PPT汇报得分(最高100分)乘以系数0.3,再加上每个topic得分(最高100分)加权后平均再乘以系数0.7。例如,每次topic讨论学习后,每个6人组内选出最佳提问者,最佳答疑者和最勤奋学习者,他们相应这个Topic平时成绩会额外加2分(但不超过100分);再在学生提交思维导图作业后(每个topic讨论学习后,2~3 d提交),我们会尽快(0.5~1 d)给出每位同学的平时成绩并点评。这样有利于学生们,其一掌握每个Topic的知识脉络和重难点,并互相效法且根据老师评论将思维导图绘制地更好;其二感受到小组学习受激励——成员提好问题+成员更清晰细致全面的回答+老师监督辅助,若如此他们各自将获得更高的平时成绩而更自主学习,例如上面提到的。
六、结束语
2020年春,新型冠状病毒突发,教师和学生都隔离在家,授课以网络进行。腾讯会议在那个阶段很畅通,学生不能在实验室做实验因而能将许多课外时间投入到该课程的学习,翻转课堂效果非常良好。若是正常线下学习,研究生们得绝大部分课外时间将投入到研究课题开题、实验、数据分析、反馈和成果整理中。这时授课教师需要评估学生能在课堂之外投入大致多少课外时间,建议根据情况选择以上十个专题中的部分专题仍以翻转课堂形式开展(部分学生在2020春的期末卷中提到若是在智慧教室,大家面对面的集体/分组讨论交流效果应是比网上分组讨论更好),其余专题通过传统讲授(教师能在更短时间更清晰地教授知识)和评估方式进行。
[参考文献]
[1] 张俊举,等.“半导体物理”课程教学改革[J].电气电子教学学报, 2018 . 
[2] 陈治明,等.半导体物理学简明教程[M].机械工业出版社,2016 .
[3] 张志强,等.“半导体物理基础”课程研究型教学模式的设计与实施[J].煤炭高等教育,2017 .
[4] 黄妞,等.OBE教育理念在一个教学内容单元(半导体的光吸收)上的应用[J].教育科学,2019.
[5] 黄妞,等.新能源材料与器件专业中“半导体物理与器件”课程教学[J].科教导刊,2019.
[6] 刘恩科,等.半导体物理学[M]-7版.电子工业出版社,2011 .
A Study on the Construction of Flipping Classroom Teaching in Semiconductor Materials and Devices
 —— take the teaching of materials, chemistry and other subjects as an example
Niu Huang, Panpan Sun, Shibing Ni and Xiaowei Lv
(College of Materials and Chemical Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)
Abstract: Semiconductor Materials and Devices is a basic course for semiconductor science. It mainly involves the band structure of semiconductors, impurities in semiconductors, carrier statistics and transportation in semiconductors, and the material structures, band structures and operational principles of semiconductor devices (PN junction, metal-semiconductor junction and transistor). In view of the fact that most of the graduate students with material background or chemical background have not been equipped by Quantum Mechanics and Solid Physics at their undergraduate stage, we also need to introduce the basic prerequisite knowledges of quantum mechanics, crystal structure and band theory. In addition, combined with the research direction of each group in the college, this course also explores and incorporates several semiconductor-related scientific issues and scientific frontiers, thus promoting the scientific research of the graduate students. By drawing up the above contents into ten topics, guiding the study groups to select topics, preview, prepare, and organize PPT and give reports, and then through collective discussion and group discussion, and finally submission mind-map homework, the students can learn independently and flip the classroom to achieve a much better learning result than former traditional classroom.
Keywords: semiconductor materials; semiconductor devices; course teaching; flipping class