高校半導(dǎo)體物理教學(xué)改革研究

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摘要：大學(xué)半導(dǎo)體物理課程是一門理論性與實踐性并重的課程，隨著核心素養(yǎng)理念培養(yǎng)的不斷深入，要求大學(xué)半導(dǎo)體物理課程改革現(xiàn)有的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的社會適應(yīng)能力作為目標(biāo)，提升學(xué)生的實踐操作能力與知識應(yīng)用能力。通過對核心素養(yǎng)內(nèi)涵進(jìn)行分析，從高校人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，探究了核心素養(yǎng)下高校半導(dǎo)體物理教學(xué)改革創(chuàng)新策略。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革

大學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)課程不僅是對半導(dǎo)體材料進(jìn)行研究的一門理論性課程，還是對微電子器件、集成電路實際應(yīng)用的一門實踐性課程。要求學(xué)生能夠熟練掌握理論性知識，還要具備熟練的實踐操作能力。在具體的教學(xué)過程中，需要以理論指導(dǎo)實踐，運(yùn)用實驗來驗證理論，特別是在核心素養(yǎng)的視角下，如何將培養(yǎng)學(xué)生的核心實踐技能與半導(dǎo)體物理課程素養(yǎng)，是高校半導(dǎo)體物理教學(xué)改革的重要內(nèi)容。由于半導(dǎo)體物理課程的知識點繁多，理論計算與推導(dǎo)比較復(fù)雜，通過培養(yǎng)大學(xué)生學(xué)科的核心素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的實踐操作能力與知識應(yīng)用能力，是促進(jìn)高校半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革的重要途徑。

一、大學(xué)生核心素養(yǎng)內(nèi)涵分析

核心素養(yǎng)是指當(dāng)代大學(xué)生通過學(xué)習(xí)應(yīng)該具備終身學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)能力、科學(xué)思維以及能夠滿足社會發(fā)展需要的必備品格與素質(zhì)，能夠熟練掌握與運(yùn)用各個學(xué)科知識的能力，它突出強(qiáng)調(diào)大學(xué)生的個性素養(yǎng)、情感態(tài)度與人文素質(zhì)在實踐操作中的應(yīng)用，同時在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該更加注重自我的發(fā)展，能夠合作參與，創(chuàng)新實踐，具有很強(qiáng)的團(tuán)隊合作精神。核心素養(yǎng)是大學(xué)生終身學(xué)習(xí)必備的素養(yǎng)，它能夠反映學(xué)生發(fā)展的新動態(tài)，也是高校人才培養(yǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)，對教育改革具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用[1]。由于核心素養(yǎng)具有可培養(yǎng)性、可塑造性、可維持性與可發(fā)展性，而且通過學(xué)校的教育是動態(tài)發(fā)展的，它要求在大學(xué)課程教學(xué)過程中，需要將各個學(xué)科的核心知識融合在一起，形成一個完整的知識體系，是高校大學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的基本要求。因此，核心素養(yǎng)的基本內(nèi)容就是培養(yǎng)大學(xué)生使用工具與技術(shù)的能力、人際交往的能力與團(tuán)隊合作的能力、自主學(xué)習(xí)的能力與解決問題的能力，并在學(xué)習(xí)的過程中能夠?qū)ψ约旱奈磥戆l(fā)展、職業(yè)發(fā)展進(jìn)行合理的規(guī)劃，可以用新思想、新技術(shù)與新方法來解決學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，具有一定的創(chuàng)新能力與意識，并在學(xué)習(xí)的過程中能夠形成穩(wěn)定的知識結(jié)構(gòu)，具有利用實驗驗證理論知識的能力、問題意識與問題導(dǎo)向的思維能力以及良好的執(zhí)行能力。在人類科學(xué)的發(fā)展史中，物理學(xué)作為科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)內(nèi)容，一直推動著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。目前，大學(xué)半導(dǎo)體物理已經(jīng)滲透到自然科學(xué)、社會科學(xué)與生物科學(xué)等學(xué)科中，成為人們科學(xué)思維的重要組成部分。這就要求在半導(dǎo)體物理教學(xué)的過程中，以培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力為主，將學(xué)生的實踐能力、知識應(yīng)用、社會適應(yīng)能力結(jié)合在一起，培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，將大學(xué)生的邏輯思維、空間想象能力、推理運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)處理能力、社會交往能力、人文知識、半導(dǎo)體物理學(xué)科的基本方法與思想、創(chuàng)新能力等結(jié)合在一起，來培養(yǎng)大學(xué)生的半導(dǎo)體物理學(xué)科的核心素養(yǎng)[2]。半導(dǎo)體物理的核心素養(yǎng)，具體說來，就是要求學(xué)生能夠從物理學(xué)的角度來處理分析問題，有條理地進(jìn)行理性思維、嚴(yán)密求證；能用半導(dǎo)體知識進(jìn)行有效的推理與論證，能夠清晰地對半導(dǎo)體知識進(jìn)行表達(dá)與分析；從專業(yè)的角度講，大學(xué)半導(dǎo)體物理核心素養(yǎng)主要是指大學(xué)生善于抓住半導(dǎo)體物理知識的背景與問題的本質(zhì)，能夠熟練地運(yùn)用準(zhǔn)確、簡明、規(guī)范的語言知識來表達(dá)自己的物理邏輯素養(yǎng)，并能夠以良好的物理學(xué)科態(tài)度來對待半導(dǎo)體物理問題，能夠以合理的新思想、新方法、新概念來分析半導(dǎo)體物理知識，從多個角度來分析大學(xué)半導(dǎo)體物理問題，形成科學(xué)的解決問題的方法，并能對半導(dǎo)體物理現(xiàn)象與過程進(jìn)行科學(xué)的建模，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

二、基于核心素養(yǎng)下的高校半導(dǎo)體物理教學(xué)改革實施路徑分析

核心素養(yǎng)要求在教學(xué)過程中樹立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，通過核心素質(zhì)指導(dǎo)、引領(lǐng)、改革大學(xué)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)。大學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)科的實踐特征對大學(xué)生的核心素養(yǎng)能力培養(yǎng)具有獨(dú)特的作用，在核心素養(yǎng)的引領(lǐng)下，大學(xué)半導(dǎo)體物理教學(xué)需要改變原有的模式，樹立全新的教學(xué)觀與教學(xué)理念，促進(jìn)大學(xué)半導(dǎo)體物理教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。（一）轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，樹立培養(yǎng)學(xué)生核心能力的思想在核心素養(yǎng)理論的指導(dǎo)下，大學(xué)半導(dǎo)體物理教學(xué)對物理教師提出了新的要求，教師需要從學(xué)生的角度出發(fā)，明確大學(xué)半導(dǎo)體物理究竟應(yīng)該傳輸給學(xué)生什么樣的知識，培養(yǎng)學(xué)生什么樣的能力。因此，物理教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生核心能力培養(yǎng)的要求，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，在教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生的知識運(yùn)用能力與實踐操作能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的大學(xué)物理半導(dǎo)體教學(xué)為了獲取更多的知識，注重的是理論教學(xué)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠獲得更高的分?jǐn)?shù)，這種以分?jǐn)?shù)為主的教育模式充滿了學(xué)生的大學(xué)生活。然而在核心素養(yǎng)發(fā)展的時代，教師應(yīng)該意識到，知識教學(xué)“夠用”就能夠滿足學(xué)生發(fā)展的要求，不能“過度”，應(yīng)該注重學(xué)生知識應(yīng)用能力與實踐能力的培養(yǎng)，如果知識“過度”就會阻礙學(xué)生想象力的發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生對半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)失去興趣，同時也會影響學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。半導(dǎo)體物理教學(xué)應(yīng)該立足于學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程提供知識基礎(chǔ)，在教學(xué)中應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生的核心能力為中心，為學(xué)生培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力奠定基礎(chǔ)。由于大學(xué)半導(dǎo)體物理與現(xiàn)實世界聯(lián)系比較緊密，是自然界知識的抽象反映，它的產(chǎn)生與發(fā)展過程就是發(fā)現(xiàn)物理問題，通過知識的運(yùn)用來解決問題的過程[3]。例如，在學(xué)習(xí)完回旋共振的理論課程之后，可以引導(dǎo)學(xué)生做回旋共振實驗，讓學(xué)生自己動手測量硅、鍺等半導(dǎo)體材料的有效質(zhì)量，讓學(xué)生親身感受半導(dǎo)體是如何獲得有效質(zhì)量的。教師在教學(xué)的過程中，需要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，基于學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)，通過合情推理半導(dǎo)體物理知識，并利用實驗來驗證理論的推導(dǎo)過程，把隱藏在半導(dǎo)體物理書本后的科學(xué)知識、物理思想與方法挖掘出，并讓學(xué)生心領(lǐng)神會。教師不僅要傳授好知識，更要培養(yǎng)學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)科學(xué)的能力，在給學(xué)生打下堅實知識技能基礎(chǔ)的同時，還要對學(xué)生的情感道德進(jìn)行培育，注重學(xué)生未來的創(chuàng)新能力與競爭力的培養(yǎng)，進(jìn)而能夠促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。（二）轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)目標(biāo)，注重學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)從高校人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，大學(xué)生具有很強(qiáng)的社會適應(yīng)能力，高校要以社會、企業(yè)的需求為導(dǎo)向，轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)的目標(biāo)，提升大學(xué)生的社會適應(yīng)能力，以提高學(xué)生的實踐能力為基礎(chǔ)，改革大學(xué)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)的內(nèi)容與方法。半導(dǎo)體物理課程一般屬于工科專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)理論必修課，是其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)。在教學(xué)的過程中，需要培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力與方法，提升學(xué)生將該門課程知識應(yīng)用于其他專業(yè)學(xué)科中的知識遷移能力。核心素養(yǎng)觀下，學(xué)生在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理課程中，能夠獲得相關(guān)的知識與技能，并能夠運(yùn)用實驗來驗證相關(guān)的理論及其推導(dǎo)過程，將學(xué)生的知識運(yùn)用能力結(jié)合在一起，通過在課程教學(xué)環(huán)節(jié)中對物理文化的滲透，培養(yǎng)學(xué)生主動探究物理現(xiàn)象背后的問題，并能夠抓住問題的本質(zhì)進(jìn)行分析，通過培養(yǎng)大學(xué)生對半導(dǎo)體物理知識的興趣，以問題驅(qū)動，圍繞問題展開實驗或者教學(xué)，逐步培養(yǎng)大學(xué)生的問題意識，形成解決物理問題的思想、方法與創(chuàng)新意識，并幫助學(xué)生樹立科學(xué)的思想觀，依托現(xiàn)代信息技術(shù)，拓寬學(xué)生解決問題的視野。例如可以采用線上線下互動、“翻轉(zhuǎn)課堂”、“探究式教學(xué)”等現(xiàn)代教學(xué)模式，以學(xué)生為中心進(jìn)行實踐教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生形成獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊合作能力[4]。還可以借助案例式教學(xué)，分析具體的物理實驗過程與方法，讓學(xué)生通過觀察，發(fā)現(xiàn)自己操作與案例存在的差距，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析半導(dǎo)體物理知識和物理方法之間的關(guān)系，進(jìn)而能夠有效地分析解決學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。例如在運(yùn)用四探針法測量半導(dǎo)體的電阻率時，可以設(shè)置相應(yīng)問題，讓學(xué)生動手做實驗，探究物理規(guī)律，得出問題的結(jié)論。（三）注重物理文化、思想方法的滲透，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神1、滲透物理文化，傳承物理思想與方法任何一個半導(dǎo)體物理的理論與概念都會有產(chǎn)生的歷史背景，半導(dǎo)體物理的公式、定義、理論是怎么產(chǎn)生的？主要是為了解決什么問題？如何恰當(dāng)正確地分析這些問題？具體有哪些應(yīng)用？這些問題的也許比物理的理論、概念更重要。在大學(xué)半導(dǎo)體物理教學(xué)的過程中，教學(xué)需要給學(xué)生分析其中的背景、文化，幫助學(xué)生形成正確的思維導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生對半導(dǎo)體物理的興趣、物理思想與解決問題的方法。而不能只注重對概念、公式的講解，而忽視了這些定理產(chǎn)生的背景，不然往往會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的時候，只注重記公式、字母，對概念的理解不夠深刻，對它們的內(nèi)涵與實際意義和科學(xué)價值理解不深，只是把目標(biāo)放在如何解決半導(dǎo)體物理問題上，不將理論與實踐聯(lián)系在一起，長此以往，大學(xué)物理半導(dǎo)體課程就會脫離了日常生活，使得學(xué)生對學(xué)習(xí)失去興趣。核心素養(yǎng)培養(yǎng)模式下，在半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中，應(yīng)該不斷地滲透物理文化，包括半導(dǎo)體物理的知識應(yīng)用、實踐技能以及未來的發(fā)展趨勢、半導(dǎo)體物理的思想體系、半導(dǎo)體物理的應(yīng)用價值、物理學(xué)家的創(chuàng)新精神等，幫助學(xué)生認(rèn)識到半導(dǎo)體物理在學(xué)科發(fā)展中的作用與意義，進(jìn)而能夠形成正確的半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)觀。例如，物理學(xué)家肖克萊、巴丁、布拉頓三人用金鍺粘合在以聚苯乙烯為底的天然晶體上形成基級、發(fā)射級與集電極，當(dāng)在基級和發(fā)射級加上一個很小的電壓時，在集電極就會得到一個很大的電壓，這就是半導(dǎo)體三極管產(chǎn)生的背景，進(jìn)而能夠幫助學(xué)生對半導(dǎo)體三極管的產(chǎn)生與發(fā)展有正確的認(rèn)識。2、以問題為驅(qū)動，培養(yǎng)學(xué)生形成正確的半導(dǎo)體物理思維大學(xué)半導(dǎo)體物理的課程以抽象的內(nèi)容、廣泛的應(yīng)用、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)而與其他學(xué)科不同，要求學(xué)生不僅學(xué)習(xí)其理論知識，還強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手實踐操作能力的應(yīng)用。在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)下，以問題為驅(qū)動，培養(yǎng)學(xué)生實踐操作的能力，形成正確的半導(dǎo)體物理思維。因此，高校半導(dǎo)體物理教學(xué)要加強(qiáng)學(xué)生的動手實踐能力與知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以學(xué)生的社會適應(yīng)能力為中心，培養(yǎng)學(xué)生的解決實際問題能力，在教學(xué)的過程中，采用問題驅(qū)動的方式進(jìn)行教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)建真實的問題情景，將半導(dǎo)體物理的知識應(yīng)用、實驗操作融合在問題情景中，圍繞問題展開半導(dǎo)體物理教學(xué)，通過教師的引導(dǎo)與啟發(fā)，注重讓學(xué)生從已知的物理條件中發(fā)現(xiàn)問題與分析問題，將社會、生活中的現(xiàn)象與半導(dǎo)體物理知識緊密結(jié)合在一起，從而使得學(xué)生在解決問題的過程中，突出物理問題的直觀性與清晰度，也可以將一些半導(dǎo)體物理發(fā)生的背景穿插在教學(xué)過程中，挖掘半導(dǎo)體物理現(xiàn)象背后隱藏的思想方法，逐步培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理課程的興趣與意識，幫助學(xué)生形成正確的半導(dǎo)體物理思想與思維方法、科學(xué)的態(tài)度與創(chuàng)新精神。3借助現(xiàn)代信息技術(shù)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的興趣隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高校課程教學(xué)中的應(yīng)用，大學(xué)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)也應(yīng)該積極地將信息技術(shù)融合在其中，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理課堂教學(xué)中，教師一般無法診斷學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，課堂教學(xué)的過程是按照教師預(yù)設(shè)式的程序進(jìn)行，通過教師的講解與學(xué)生的接收來完成傳授知識，導(dǎo)致學(xué)生知識應(yīng)用能力與實踐操作能力不強(qiáng)。學(xué)生在課堂中能夠理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，但是在課下遇到變化的問題就一籌莫展，形成一種低效的學(xué)習(xí)方式。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用，教師可以采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的模式進(jìn)行教學(xué)，提前將教學(xué)內(nèi)容發(fā)給學(xué)生，由學(xué)生在課前進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過師生之間的線上線下互動討論交流，教師可以了解學(xué)生掌握的情況，然后在課堂上針對學(xué)生在課前學(xué)習(xí)的問題進(jìn)行重點討論，通過物理實驗來驗證物理結(jié)論，采用這種“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方式，使得課堂更具有啟發(fā)性與適用性，這不僅能夠提高學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的積極性，也能夠培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力與團(tuán)隊合作的意識，進(jìn)而能夠有效地培養(yǎng)大學(xué)生對導(dǎo)體物理的興趣[5]。例如，在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體材料中的電子是怎樣在周期性勢場中運(yùn)動的，可以運(yùn)用動畫的方式將微觀的物理現(xiàn)象用宏觀的圖像展示出來，將復(fù)雜的物理現(xiàn)象形象化展示出來，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。因此，將現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于半導(dǎo)體物理課堂，將學(xué)生的知識應(yīng)用能力、團(tuán)隊合作精神、創(chuàng)新意識等結(jié)合在一起進(jìn)行培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生解決問題的能力與實踐操作的能力，促進(jìn)大學(xué)生核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。（四）轉(zhuǎn)變評價方式，注重半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)的過程性評價高校半導(dǎo)體物理教學(xué)需要注重對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價，而核心素養(yǎng)培養(yǎng)的基本要求就是注重學(xué)生實踐操作與知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)，教學(xué)評價是對學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)到的評判，也決定著半導(dǎo)體物理教學(xué)質(zhì)量的提升與完善，是半導(dǎo)體物理教學(xué)改革的重要因素之一。在核心素養(yǎng)的要求下，將學(xué)生的社會適應(yīng)能力、實踐技能作為培養(yǎng)的重要目標(biāo)，這就需要評價學(xué)生對知識的理解與掌握程度，還要注重對學(xué)生的知識能力、思維品質(zhì)、解決問題的過程進(jìn)行評價，傳統(tǒng)的評價方式對學(xué)生的核心素養(yǎng)進(jìn)行評價已經(jīng)明顯的不能滿足要求，需要在核心素養(yǎng)的理念指導(dǎo)下制定新的學(xué)業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)。在對半導(dǎo)體物理的教學(xué)過程中進(jìn)行評價時，要將學(xué)生的情感、態(tài)度層面等因素融合在動態(tài)的評價過程中，在采用大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化測試時，同時也要采用開放式的題目來對學(xué)生的思維品質(zhì)、思維過程進(jìn)行評價，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生的內(nèi)隱性、潛在性、情境性等學(xué)習(xí)特征進(jìn)行評價。通過評價激發(fā)學(xué)生對半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對理論性知識的應(yīng)用能力，從而能夠更加有效的培養(yǎng)學(xué)生的半導(dǎo)體物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

三、結(jié)束語

在核心素養(yǎng)的引領(lǐng)下，高校半導(dǎo)體物理課程教學(xué)需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，將學(xué)生的實踐操作能力與知識應(yīng)用能力作為重點，以培養(yǎng)學(xué)生的社會適應(yīng)能力、創(chuàng)新意識、思維能力與解決物理問題思維的方法，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。以大學(xué)生為主體，讓每一個學(xué)生在半導(dǎo)體物理學(xué)習(xí)的過程中都有展示的機(jī)會，讓學(xué)生的情感、知識、能力都能得到培養(yǎng)與提升，促進(jìn)學(xué)生內(nèi)涵式發(fā)展。在核心素養(yǎng)理念下，高校半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革還需不斷的完善，只有將學(xué)科的核心素養(yǎng)融入到課程改革之中，才能促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

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作者:魯麟 呂琛 代廣珍 單位:安徽工程大學(xué)