面向材料专业需求驱动的半导体器件物理课程改革探索与实践

摘  要：基于对半导体器件物理课程国内外现状、定位、学情和课程问题的分析，梳理该课程当前存在的问题。该文围绕教学短板问题，探索和改革教学理念和教学思路，创新教学内容，培养创新性思维和导向型思维，深入分析解剖半导体器件物理课程蕴含的思政元素，实现思想和价值引领。提出以提升研究生的批判性思维、创新性思维、合作能力和沟通能力四大核心素养的教学理念，采用讲授、讨论、领学和对话四位一体的新型教学手段，集成理论知识、动画模拟、器件实验“三位一体”教学内容，全面提升学生的核心素养。最后，分析教学创新成效，并探讨该课程教学创新成果对其他工科院校甚至对发展新一代技术、新材料、新能源等战略性新兴产业进而加速构建“433”工业新体系具有重要意义。

关键词：材料科学与工程；半导体器件；半导体物理；课程改革；教学创新

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0060-04

Abstract： Based on the analysis of the current status， positioning， learning situation and course problems of Semiconductor Device Physics course at home and abroad， the current problems of this course are sorted out. Focusing on the shortcomings of teaching， this paper explores and reforms teaching concepts and teaching ideas， innovates teaching content， cultivates innovative thinking and oriented thinking， deeply analyzes and dissects the ideological and political elements contained in the course Semiconductor Device Physics， and realizes ideological and value guidance. It proposes a teaching concept to improve the four core qualities of graduate students， namely critical thinking， innovative thinking， cooperation ability and communication ability， adopts a new teaching method of lectures， discussions， leading learning and dialogue， integrates theoretical knowledge， animation simulation and device experiment "three-in-one" teaching content， and comprehensively improves students' core literacy. Finally， the teaching innovation results are analyzed， and the teaching innovation results of this course are discussed. It is of great significance to other engineering colleges and even to the development of new generation technologies， new materials， new energy and other strategic emerging industries， thereby accelerating the construction of the "433" new industrial system.

Keywords： materials science and engineering; semiconductor device; semiconductor physics; course reform; teaching innovation

众所周知，“材料、能源和信息并列成为现代科学和现代文明的三大支柱”。半导体器件则是三者融合交叉的核心部分，是衡量一个国家科技发展水平高低的关键指标，是全球新一代产业革命的核心推动力，是现代美好生活和高科技新兴技术的基础[1]。我国半导体产业起步晚，2000年才被提升至国家战略产业。得益于国家政策的大力扶持与引导，我国半导体产业发展迅猛，实现了跨越式的进展，2022年总市场规模接近1万亿元[2]。

习近平总书记曾于2020年9月11日在科学家座谈会上的讲话中指出，“工业方面，一些关键核心技术受制于人，部分关键元器件、零部件、原材料依赖进口”[3]。我国高端半导体器件产业仍未达到国际领先水平，例如绝大多数计算机和服务器通用处理器95%的高端专用芯片，70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口[4]。近年来围绕半导体材料与器件的“战争”频繁出现，尤其是中美之间。美国出台了一系列的半导体领域出口管制措施，涵盖关键材料、生产设备、开发工具软件和服务与人才等关键事项，对我国半导体产业的健康稳定发展造成了较大的影响和威胁[5]。

半导体器件物理作为研究半导体材料性质、结构、制备工艺及其在各种电子器件中应用的基础学科，不仅是电子工程、微电子学、材料科学等多个领域的核心课程，也是推动科技进步和产业升级的关键力量。课程内容涵盖了从半导体物理基础、能带理论、载流子输运到半导体器件设计、制造与测试等多个方面，为学生构建了全面而系统的知识体系。同时，实验条件的改善和仿真软件的应用，使得学生能够更加直观地理解复杂的物理现象和器件工作原理。本课程以固体物理和电子电路为基础，涵盖了大量的物理公式推导、电路原理图和电子元器件等知识点[6]，是一门学习难度较大的研究生学位课程。尤其对于本科教育背景较为多元化的材料类专业而言，学生的物理和数学基础相对较弱。然而，该学科涉及的知识体系庞大且抽象，对学生的数学基础、物理直觉和逻辑思维能力要求较高。课程偏离其“成分-工艺-组织结构-性能”核心思想，材料类学生很难掌握这门课的逻辑思维以及与其他课程的关联属性，不少学生在学习过程中感到吃力，需要投入大量时间和精力进行理解和消化。因此，本文面向材料类专业研究生的需求，突出材料类专业的核心思想并融入课程的教学设计中，弱化电子电路中的繁琐公式推导过程，提出半导体器件“物理基础-特征性能-核心应用”为新教学理念，强化学生的创新性思维和导向型思维，融入半导体特色鲜明的课程思政教育增强铸魂育人实效，对推动黑龙江省（以下简称“我省”）研究生教学课程改革、促进我省培养创新型和复合型的领军人才以及全面筑牢“东北人才高地”具有重要意义。

一  半导体器件物理教学国内外现状

半导体器件虽只历经了不到一个世纪的发展，但其产业也上升至将国家战略发展核心地位，决定了新兴产业的发展和传统行业的升级。半导体器件是一个多学科交叉融合的典型，涉及了电子电路、机械、材料等工科专业知识以及物理、化学等基础学科知识[7]，但目前在我国绝大部分高校的材料类专业研究生教学大纲中并未涉及半导体器件物理课程，包括清华大学、上海交通大学、浙江大学等工科名校。其主要原因就是这门课程涉及大量的物理公式推导、电路原理图和电子元器件基础等难以学懂的知识点。目前，已开设此课程的高校多数采用的教材是刘恩科、罗晋生主编的《半导体物理学》，该教材全面论述了半导体物理的基础理论，包括晶体结构、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布及运动规律等。然而，该教材对于基础薄弱的学生来说难度较大，部分重难点内容难以理解吸收。尽管实验条件和仿真软件有所改善，但相对于快速发展的半导体技术而言，实践环节仍显不足。学生缺乏足够的动手实践机会，难以将理论知识与实际应用紧密结合，影响了其创新能力和解决问题能力的培养。

对比国外名校发现，美国麻省理工学院、美国西北大学、新加坡南洋理工大学、英国帝国理工学院的材料系研究生program均将Semiconductor Physics and Devices（半导体物理与器件）课程纳入选课范围，且在半导体器件物理教学方面，如实验教学、产学研结合、师资力量及研究投入方面有着更为成熟和完善的体系。此外，国外高校还注重培养学生的创新意识和实践能力。许多高校设立了创新实验室、创业孵化器等平台，为学生提供创新创业的机会和资源。通过这些平台，学生可以将自己的创意和想法转化为实际的产品或服务，实现个人价值的同时也为社会作出贡献。

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院于2022年重新修订了研究生培养方案，鉴于半导体器件在我国国民经济和国家安全等领域的战略地位，将半导体器件物理课程纳入新版硕博贯通教学大纲并设置为学科核心学位课。半导体器件物理以固体物理和电子电路为基础，覆盖物理公式推导、电路原理图和电子元器件等复杂难学知识点，且本课程是一门高度交叉的学科，需要与其他学科如计算机科学、材料科学、化学等紧密合作。然而，目前学科间的壁垒依然存在，跨学科融合不够深入，限制了学科的发展和创新。再加上当前很多院校的材料类研究生课程仍是“填鸭式”教育，课堂交流互动较少，教学思路较陈旧，两者共同导致材料类研究生学习这门课程的难度较大。在此情形下，半导体器件物理课程的教学改革势在必行，有利于提升我省材料类研究生教学的整体水平，对我省发展新一代技术、新材料、新能源等战略性新兴产业具有重要的意义和价值。

二  半导体器件物理教学改革的思考与实践

（一）  面向材料类研究生需求的教学理念和教学思路的探索和改革

很多院校的材料类研究生课程教学思路较陈旧，容易造成研究生失去学习的积极性和主动性，无法培养和提高学生们的核心素养（即批判性思维、创新性思维、合作能力和沟通能力）。半导体器件物理课程内容偏离了材料类研究生课程主线“成分-工艺-组织结构-性能”的核心思想[8]，因此学生们很难掌握这门课的逻辑思维以及与其他课程的关联属性。因此，必须创新课程的教学理念和教学思路，使其适应材料类研究生的教学，达到既使同学们掌握过硬的专业知识又提高学生们的核心素养的双重目标。

采用讲授、讨论、领学和对话四位一体的新型教学手段，以培养学生理解能力、科研能力、创新能力为核心目标，促进学生全面多方位发展[9]，同时结合开展半导体器件教学实验教学改革。活跃课堂教学氛围，实现师生以及同学之间的有效对话和平等沟通，从而全面调动同学们学习的积极性和主动性，提升学生的创新性思维、合作能力、沟通能力。通过将材料科学与工程学科“成分-工艺-结构-性能”四要素核心思想融入半导体器件物理课程的教学设计中，提出半导体器件“物理基础-特征性能-核心应用”为新教学思路，如图1所示，其中物理基础主要指固体物理中晶体结构、电子能带理论、载流子传输原理等核心内容，特征性能主要指半导体导电性能和常见半导体的工作原理等核心内容，核心应用主要指常见半导体器件的应用介绍以及推广使用，使材料类研究生更易学懂该课程并达到学以致用的层面。

（二）  理论知识、动画模拟、器件实验“三位一体”教学内容的创新