课堂教学改革中的“反哺”机制探索与实践

［摘 要］ 近年来，随着人工智能、物联网、自动驾驶等新经济形态的不断涌现发展，半导体技术及相关人才培养的重要性引起人们的广泛关注。“半导体器件物理”是半导体科学和工程人才培养的核心课程，如何建立理论与实际、传统与创新、基础与前沿相结合的纽带显得愈发迫切。针对此，在日常课堂教学中建立了科研对教学、学生对教师、个人对国家的“反哺”路径，逐步实现了以学生为中心的“重基础与前沿、科教相得益彰”的全新教学模式，有效推动了教学改革的实施，显著提升了教学质量。该教学改革探索与实践将为高校人才培养提供重要指导和范例。

［关键词］ 半导体器件物理；“反哺”；教学改革

［基金项目］ 2022年度齐鲁工业大学（山东省科学院）人才培养和教学改革项目“‘半导体器件物理’科教融合和学业评价改革的探索与实践”（齐鲁工大鲁科院字〔2022〕71号）；2023年度山东省本科教学改革研究面上项目“‘政教、科教、产教’引领下学生评价体系的探索与实践”（M2023073）

［作者简介］ 李奎龙（1986—），男，山东莱芜人，博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）光电工程国际化学院副教授，主要从事微电子教学与研究；王文佳（1987—），女，山东济南人，博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）光电工程国际化学院副教授（通信作者），主要从事大学物理教学与研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）43-0109-04 ［收稿日期］ 2023-10-31

在现代科学技术中，半导体技术是信息技术革命的关键推动力，在能源、医疗保健、国防和环保等领域发挥着关键作用。半导体技术的不断进步和创新对社会的进步与发展至关重要。

“中国制造2025”规划纲要，将半导体产业视为关键战略领域之一。我国的半导体研发投入持续增加，一些企业近年来在研发新技术和新产品方面取得了一系列积极进展。创新领域包括人工智能芯片、自动驾驶技术、物联网设备和5G通信等。此外，大学和研究机构也积极从事半导体技术的基础研究，推动成果转化，为相关技术革新提供动力。在此背景下，半导体方面的专业人才越来越重要，也越来越成为高校人才培养的重点。教育部等七部门发布的《关于加强集成电路人才培养的意见》明确指出，扩大集成电路相关学科专业人才培养规模，鼓励和支持高校主动对接产业发展需求，结合本校人才培养目标定位，增设集成电路相关学科专业，调整人才培养方向，扩大人才培养规模，培养集成电路产业急需、创新能力强的工程型、技能型人才。同时加强集成电路相关学科专业和院系建设，有关高校要通过招生计划增量安排和存量调整，积极支持微电子相关学科专业稳步扩大本科、硕士、博士的招生规模［1］。同时，2020年12月，经国务院学位委员会批准，集成电路科学与工程被正式设置为一级学科。高校不仅是培养半导体人才的主要阵地，也是研究半导体技术的重要机构。正因为身兼两项重要任务，各高校契合国家需要，近两年纷纷成立微电子相关专业，甚至是微电子学院，致力于培养半导体方面的专业人才。

一、半导体人才培养瓶颈

半导体人才培养领域面临多重复杂的瓶颈和挑战，影响着人才培养、职业发展和行业进步。首先，半导体人才须具备高度专业化的知识，包括电子学、半导体物理、材料科学、制造工艺、设计和测试技术等多个领域。为使学生和专业人才掌握这些复杂的知识，课程设置和培训计划安排须符合领域的高度专业化要求。其次，微电子技术的快速发展意味着教育和培训机构须要不断更新教材和实验设备，以保持与新技术趋势的同步，这就涉及高昂的设备和实验室成本，以进行实际的研究和培训，同时，建立和维护先进的实验室需要大量资金，这对于一些教育机构和研究中心来说可能是一个严重的挑战。因此，缺乏充足的资金可能导致人才培养过程受到限制。再次，须更新教育和培训体系。传统的教育和培训体系通常滞后于半导体技术的发展，新技术趋势和工具通常不会在学术课程中涉及，因此，学生须要通过自主学习、实习和行业培训来跟上行业的新发展。这对于那些无法轻松获得培训资源的人来说是一项挑战。最后，须进行国际合作和知识共享。半导体领域是一个全球化领域，国际合作和知识共享对于推动技术发展至关重要。然而，由于政治、商业和知识产权等问题，跨国合作可能受到限制，影响到人才培养和知识传递。同时，竞争可能会导致出现知识和技术保护的趋势，限制知识的共享。

综上所述，半导体技术人才培养需要政府、教育机构、行业和研究机构共同努力，以解决这些问题，进而满足不断增长的技术需求，推动创新，并维持竞争力。

二、“半导体器件物理”课程的重要性

“半导体器件物理”课程在半导体科学和工程人才培养领域具有非常重要的地位，深入探讨了半导体材料和器件的基本原理及工作机制［2-4］。一方面，“半导体器件物理”课程向学生讲授了深厚的半导体基础知识，包括半导体材料的电子结构、能带理论、掺杂、载流子行为和半导体器件的电子传输原理等，为学生后续半导体科学和工程高级课程及研究工作打下了坚实的基础。学生通过“半导体器件物理”课程，可以理解各种半导体器件，如二极管、场效应晶体管、光电二极管、激光二极管等的工作原理，有助于学生设计和优化这些器件，以满足各种电子和光电子应用的需求。另一方面，学生通过学习半导体器件物理，培养了问题解决和创新能力，有助于其应用物理原理来解决现实世界的工程问题，设计新型半导体器件来满足不断变化的市场需求。这种创新思维对于半导体产业的竞争来说至关重要。

综上所述，学习“半导体器件物理”课程不仅能够奠定坚实的半导体基础，而且能够将其应用于工程实践、创新、问题解决中，满足半导体行业的需求。这门课程为学生提供了综合知识和技能掌握的平台，促使他们在半导体领域取得成功，促进科学和工程的跨学科应用。所以在此背景下，为突破半导体人才培养面临的瓶颈和困境，通过推动“半导体器件物理”课堂教学改革提高教学质量，培养高质量人才势在必行。

三、构建“反哺”教育机制的重要性

“雏既壮而能飞兮，乃衔食而反哺”是《初学记·鸟赋》中的一句话，意思是“雏鸟长成，能飞翔，则衔食以还”。将“反哺”应用到教学中，即师生之间的“反向学习”，是逆向社会化的一种表现形式。在新时代背景下，由于教育体制的变革，在教学过程中，学生成了主体，教师成了主导，教师不再是单纯的教授，而是进行引导式学习。因此，教学的本质就是师生之间的相互学习、互相促进［5］。“反哺”对于教学的重要性不可忽视，在教育领域具有广泛的积极影响。例如，一是提供有价值的反馈：“反哺”可以为教师提供学生的反馈和评价，有助于教师了解教学方法、教材的有效性，以及学生的学习体验。通过学生的反馈，教师可以及时调整和改进教学策略，以更好地满足学生的需求。二是个性化教育：“反哺”可以帮助教师更好地了解学生的学习需求和兴趣。通过与学生互动和对话，教师可以根据学生的背景、学术水平和目标，提供个性化的教育，使教学更有针对性。三是提高学生的参与度：学生的参与和互动对于教学的成功至关重要。通过鼓励学生“反哺”，可以增加学生的课堂参与度，使他们更积极地参与课堂讨论、提出问题和分享想法，有助于创造更有活力和互动的学习环境。四是培养批判性思维：“反哺”可以鼓励学生思考、分析和评价教学内容。学生的反馈和讨论有助于培养其批判性思维及问题解决能力，使他们更具独立思考和判断能力。五是建立师生关系：“反哺”有助于建立积极的师生关系，加强师生之间的互动和沟通，建立相互尊重和信任的关系，帮助学生更好地理解和接受教师的指导。

总之，“反哺”对于教学的重要性在于它能够促进有效互动、引入个性化教育、提高学生的参与度、提升教学质量以及建立良好的师生关系。通过“反哺”，教育可以更好地满足学生的需求，促进学生的综合发展，提高教育质量，推动教育创新，这不仅有益于学生个体的成长，也有助于整体社会的进步和发展。所以在课堂教学中，根据课程特点，积极探索“反哺”机制的建立和实施，对推动教学改革，提高教学质量具有重要意义。

四、课堂教学中的“反哺”机制探索与建立

在“半导体器件物理”教学过程中，为了提高教学质量，针对课程特点，我们将从多角度多方面推动课堂“反哺”教学改革，以提高教学质量。

一是科研“反哺”教学。科研“反哺”教学是将教学与研究相融合，教师不仅在教室中传授知识，还将研究成果、项目经验和实际案例引入课堂，使学生能够了解教师在实际研究项目中所面临的问题，以及他们如何应用学术知识来解决这些问题。半导体器件的发展一日千里，技术更新速度快。由于短沟道效应和量子尺寸效应等，传统Si基晶体管很难满足高频集成电路的要求。因此，基于新原理和新材料，科学家们提出了一系列新的结构和新的工艺技术。但是，目前的“半导体器件物理”课程还停留在传统的Si基器件讲授上，远远落后于时代发展。为此，应积极将新科研成果转化为课堂教学资料，以此更新优化知识架构。例如，将目前Si基先进制程鳍式场效应晶体管（FinFET）和国家政策重点支持发展的化合物半导体器件GaAs基异质结双极晶体管（HBT）、GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）、SiC基功率器件以及新兴的基于二维材料的神经形态器件等引入课堂教学，扩展知识的广度和深度。教师的研究成果和实际案例用于课程示例，能使抽象概念更具体，学习更有深度，便于学生了解知识在实际中的应用，使他们更容易理解和吸收相关知识。同时，在教学中融入国家的产业政策导向和行业发展趋势。一方面，让学生及时了解掌握半导体发展前沿动态，提升学生的学习兴趣，加深学生对半导体器件物理基础知识的理解及掌握；另一方面，有助于学生了解当前的先进技术，激发其创新潜能，适应未来集成电路的发展。通过此“反哺”，能将科研成果实实在在纳入课堂教学，实现课堂的创新教育和科教融合，培养学生的独立性和解决问题的能力。

二是学生“反哺”教师。在课堂教学中，“反哺”机制的显著特点是勇于挑战权威。在传统的教育机制中，教育者被看作是权威的代言人，学生往往是被动的接受者。在“半导体器件物理”教学过程中，借助“反哺”机制，通过“从下至上”的方式，从“从上到下”的角度，积极探索改革学生的学业评价方式，打破传统的“一考定终身”模式，将学生学习的过程管理纳入考核。尤其是通过提高课堂表现在总成绩中的比例，鼓励学生发现问题、提出问题并解决问题，向教师提出挑战，逐步提升学生的主体地位，激发学生的探索欲望，使其变“被动”为“主动”，实现师生之间的双向交流［6］。此外，通过翻转课堂（学生讲、教师听）等新颖教学方式，实现学生与教师的角色互换，以此帮助学生和教师站在对方的角度发现彼此的问题，打开提升空间。打破传统课堂教学中教师到学生的单一知识输送渠道，建立学生到教师的反馈机制，实现良好的双向沟通交流。最终，通过此“反哺”机制，教师便于发现学生的闪光点及课堂教学中存在的盲点，根据学生的实际情况积极进行课堂教学改革，大幅提升课堂教学质量。

三是个人“反哺”国家。在课堂教学中，我们积极挖掘国内半导体领域杰出科学家，诸如黄昆、谢希德等老一辈半导体人身上的科学家精神属性，并将其转化为思政元素融入教学内容中，变为“德融”课堂，大力弘扬以爱国精神、求实精神、奉献精神、协同精神、育人精神为代表的科学家精神，潜移默化地培养学生的爱国主义情怀和奉献精神，从而调动学生的学习积极性与创造性，鼓励学生积极投入国家的半导体事业，突破“卡脖子”技术难题，实现对国家培养与付出的“反哺”。

结语

首先，在高校课堂教学中构建“反哺”机制，可以充分调动大学生的进取精神与动力，增强他们的学习自信心。其次，“反哺”机制可以促使教学以学生为主体，培养学生的主体意识，激发学生的积极性，培养学生的探索和创新精神，实现“反哺”与教育的“互哺”。最后，在新时代背景下，高校构建“反哺”机制，可促进教师与学生之间的和谐发展，进而培养学生的社会适应能力。由此可见，“反哺”教育机制在高校人才培养过程中非常重要。