新工科背景下“類像思維”在半導體物理教學中的應用

曾濤 常啟兵 汪永清 陳云霞

摘要：通過“類像思維”方式在課堂教學中的引入，將理論性較強的《半導體物理學》課程中的重要知識點與生活常見的現(xiàn)象、事例或者熟知常識相聯(lián)系，并采用多媒體動畫等形式輔助講解，可激發(fā)工科背景學生對該門課程的學習熱情、增進課堂師生互動交流，并可獲得令人滿意的教學效果。

關(guān)鍵詞：新工科；類像思維；半導體物理學；教學應用；效果評估

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0194-03

當前，新型經(jīng)濟、科技及商業(yè)模式的快速發(fā)展，創(chuàng)新驅(qū)動政策及戰(zhàn)略舉措的高效實施為中國經(jīng)濟快速發(fā)展、國際形象的改善及綜合國力的提升提供了前所未有的平臺和機遇。在此背景下，科學知識的更新速率在不斷加快，并且轉(zhuǎn)化成社會所需產(chǎn)品與技術(shù)的周期在不斷縮短，這對目前工程技術(shù)人才的整體素質(zhì)都提出了全新要求[1]；此外，為了與世界工程人才培養(yǎng)體系接軌，我國在2016年06月正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為國際工程認證體系的第18位成員國，意味著我國工科人才培養(yǎng)體系將由以往內(nèi)需轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)行輸出模式[2]。因此，為了滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略需求，加快經(jīng)濟和科技發(fā)展，對現(xiàn)行的高等工程教育體系框架的改革和創(chuàng)新已迫在眉睫，“新工科”這一概念在該歷史環(huán)境下應運而生。

景德鎮(zhèn)陶瓷大學新能源材料與器件專業(yè)的整體定位是培養(yǎng)以工程技術(shù)應用型為主的高等人才，這與我校自身發(fā)展定位密切相關(guān)。為了契合“新工科”發(fā)展理念，積極將專業(yè)培養(yǎng)模式與國際化接軌以迎接今后的工程教育體系認證，新能源材料與器件專業(yè)于2016年對其人才培養(yǎng)計劃進行全面修訂，其中最顯著的特點就是增大了實踐教學的學時比例（但原有理論課程多數(shù)保留），以提高學生的動手實踐能力。然而，在總學時不變的情況下意味著要將課堂理論教學學時大幅度削減。值得注意的是，我校新能源材料與器件是從原來應用物理專業(yè)改名而來，原有課程體系設置對理論基礎要求較高。且對于地方工科型院校來說，本科學生的理論基礎參差不齊，如何在有限學時內(nèi)將理論課程的教學效果最大化，這是專業(yè)任課老師無法回避且急需解決的命題。

筆者以《半導體物理學》（教材：劉恩科，第7版）課程理論教學為研究載體，根據(jù)新能源材料與器件的畢業(yè)生定位服務于光伏行業(yè)特點，首先對課程大綱中的授課內(nèi)容進行刪減，并對每章節(jié)中的重要知識點進行凝練以達到模塊化目的。在隨后的模塊化知識要點教學過程中，引入“類像思維”教學方法，并引導學生在此基礎上自學刪減內(nèi)容。學生在學習原本枯燥的理論知識過程中表現(xiàn)出極大的熱情，由于“類像思維”教學方法更接地氣，課堂上師生互動氣氛更加熱烈，從最終的學生教學評價及考試成績作為判定指標可以得出：由于“類像思維”教學方法的引入，《半導體物理學》課程獲得令人滿意的教學效果。那么何為“類像思維”，如何將“類像思維”植入《半導體物理學》課程教學過程中？就這兩問題，下文將定義形式及具體實施事例進行簡單介紹，期望能給予同行些許啟示。

一、何為“類像思維”？其在物理課程教學過程的發(fā)展與作用

“類像思維”是一種具有東方特色的類比思維，是中國人從古至今的經(jīng)典思維方式，它深深烙上了中國傳統(tǒng)的具象印記，從這個意義說，它是具有一定邏輯的形象思維。與類比思維相比，“由此及彼”、“觸類旁通”是這兩種方式共有的，而不同點在于“類像思維”是以具象貫徹思維始終，類比對象不限于同類事物，既可相同又可相似。因此，將“類像思維”運用于教學方法中更為靈活多變。例如在涉及到半導體材料中的缺陷及躍遷機制時，可以將階梯教室里面單位面積的座位數(shù)比作晶格各能級上的電子能態(tài)密度，把學生當作電子，一個學生坐在某一排的某個座位上，即認為這個電子被晶格束縛。當有外來學生進入教室，在教室過道上走動時，可類比為間隙式缺陷；而當外來學生取代現(xiàn)有學生座位時，可類比為填隙式缺陷[3]；又如在大學物理課程中，在講解海森伯格位置和動量的不確定關(guān)系時，可以將運動電子的動量和位置進行簡單“類像”，比喻為人的思想和身體自由度，電子的動量為思維范疇，而電子的位置相當于人身自由度。引導學生設想一下如果一個犯罪分子被抓入監(jiān)而失去人身自由時，他蹲在監(jiān)獄里應該是百感交集，思維活躍度比其自由時更加活躍[4]。類似的“類像思維”在不同的理論課程教學中引入的教學案例還有很多，這里就不一一舉例說明。該思維方式的引入目的就是要將原本抽象難懂的理論知識與學生的興趣點聯(lián)系起來，提高學生在課堂及課后學習的積極主動性，從而獲得令人滿意的教學效果。那么對于《半導體物理》課程而言，具體的“類像思維”教學又怎樣植入課堂教學過程中呢？

二、將“類像思維”植入于《半導體物理學》課程教學過程中具體實施事例

（一）電子在量子態(tài)上的分布與鞋盒子背景模型

在指定教材第三章節(jié)的67頁中“……如果計入電子的自旋，那么，k空間中每一個代表點實際上代表自旋方向相反的兩個量子態(tài)”。對于這段話的理論基礎就是“洪特規(guī)則”、“泡利不相容原理”及“能力最低原理”這三大理論的綜合實際運用，該結(jié)論對于后面準確計算載流子的統(tǒng)計分布十分重要。如果任課老師單純地將這三大原理照本宣科地講一遍，最后得出課本中所描述的結(jié)論，相信課堂上的同學學習積極性立刻下降，甚至會質(zhì)疑任課老師的執(zhí)教水平。換一個角度來說，任課老師如果能從日常生活中找到同學所熟知的事例背景進行課堂植入，教學效果可能就完全不同。筆者在課堂中將k空間點“類像”，比喻為鞋盒子，然后對同學們進行提問：大家經(jīng)常進入實體店買鞋或者網(wǎng)購買鞋，那么鞋盒子里面有幾只鞋，它們是怎樣排布的？相信所有人都知道答案。因此，將鞋盒中的兩只鞋子所處的位置比喻成量子態(tài)（可容納電子存在的狀態(tài)），而將鞋比喻成填入對應量子態(tài)電子的話，電子在量子態(tài)中的排布狀態(tài)就不言而喻了，正好印證了“一個k態(tài)上有兩個平行且自旋方向相反的電子”。后面可對電子排布進行假設，如果不平行、不相反，鞋盒子內(nèi)又會出現(xiàn)怎樣的情形。學生根據(jù)生活經(jīng)驗當然知道，不僅要費力地將鞋裝入，且鞋盒會出現(xiàn)明顯形變（存儲一定形變勢能）。此時，再將能量最低原理進行講解，學生對此知識點就十分清楚了。由此可以看出，就是這么一個簡單事例的“類像”背景的植入，可將知識點所涉及的三大基礎理論全部囊括，將原本抽象的理論具象化于生活中簡單的事例背景下，讓原本乏味的理論鮮活起來，加之任課老師適時穿插提問互動環(huán)節(jié)，可使得整個課堂教學氣氛顯得輕松且趣味性十足。

（二）P-N平衡態(tài)能帶結(jié)構(gòu)圖與運河背景模型

在指定教材第六章節(jié)的183頁中“隨著擴散運動的進行，……這種情況為熱平衡狀態(tài)下的pn結(jié)（簡稱平衡pn結(jié)）”。如果對其進行理論描述，所得到的結(jié)論就是熱平衡狀態(tài)下沒有宏觀的電流經(jīng)過pn結(jié)，或者說流經(jīng)pn結(jié)的凈電流為零。那么如何利用能帶結(jié)構(gòu)圖對該過程進行簡要描述，從描述中又如何得到最終的結(jié)論呢？如果任課老師僅僅將課本上所描述的段落平鋪直敘地講解，一部分基礎較好的學生或者感興趣的學生可以抓住該知識點，但肯定有相當多的學生在面對能帶結(jié)構(gòu)圖進行看圖說話時就顯得較為吃力了。設想此時任課老師將pn結(jié)兩端p型部分和n型部分比作運河閘口的兩端部分，pn結(jié)截面比喻成閘口，水平面比喻成費米能級（費米能級的意義就在于其是衡量電子填充水平的一個重要度量），水比喻成實體電子的話，整個情形就十分了然了。未放閘之前，由于p型半導體的多數(shù)載流子為虛體的空穴或者說沒有被水占據(jù)，其費米能級較低，p型側(cè)（假設為運河段左側(cè)）的水平面較低；而n型半導體的多數(shù)載流子為實體電子，其費米能級較高，n型側(cè)（假設為運河段右側(cè)）的水平面較高。前面講到了將實體電子比喻成水，當閘口開閘后，由于勢能的作用，水自然而然地從高地勢流到低地勢，最終整個運河將達到同一個水平面（具有統(tǒng)一的費米能級），達到了一個平衡的狀態(tài)，此時輪船才可順利通行，是在運河上船舶通行的基本原理，同學自然也知道這個道理，就可以對照平衡狀態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)圖進行看圖說話了。因此，將該知識點嵌套于熟知的模型背景中，能夠使學生在課堂學習過程中的聯(lián)想能力得到充分鍛煉。

（三）P-N光伏效應類像思維教學舉例

同樣的“類像思維”方式教學還可以用于pn結(jié)在光照條件下產(chǎn)生光生伏打效應的解釋。其實對于基于半導體pn技術(shù)發(fā)電的光伏電池來說，光子照射到pn結(jié)上會產(chǎn)生電子-空穴對，這個結(jié)論學過電工電子學相關(guān)課程的工科學生都已了解。而對于光伏電池來說，最重要的是讓電子和空穴這兩個“冤家對頭”分開，二者在未見面之前讓其中之一能夠從外電路走一走，就能對外電路負載做功，這是對太陽能電池工作原理的一個總結(jié)性概述。那么太陽能電池到底是如何工作的，細節(jié)是什么？此時，如果我們假設pn結(jié)p端為A房間，而n端為B房間的話，在AB兩房間隔墻處站著一個指揮分流者（這就是pn結(jié)內(nèi)建電場所扮演的角色，具體方向是由p指向n），它能夠使得光照所產(chǎn)生的光生電子-空穴對分離，電子被掃到B房子（n區(qū)），而空穴被掃到A房子（p區(qū)）。隨著高光照不斷地激發(fā)電子空穴的產(chǎn)生，相應的AB房間的空穴和電子數(shù)目越來越多。此時任課老師可以提問，AB房間的空穴和電子會不會無限累積呢？在回答這個問題時，任課老師可以將B房間的電子比喻成瘦子，而A房間的空穴比喻成胖子，但無論胖瘦，A和B房間的各自總面積是不變的，可以想象當兩間房間人越來越多的時候，其擁擠程度是不言而喻的。因此無論是A還是B房間、是胖子還是瘦子，都會覺得空氣不新鮮，呼吸越來越困難，都想逃脫房間到外面去呼吸新鮮空氣。此時，A和B各自房間中的擁擠壓力越來越大，體質(zhì)不好的胖子和瘦子最后因其自身原因消失，但是新補充的胖子和瘦子將維持A和B各自房間中的人員總數(shù)不變，達到各自房間中人頭數(shù)的動態(tài)平衡，這種狀態(tài)對應于pn結(jié)光伏電池的開路狀態(tài)，而AB各自房間的人擁擠壓力就是開路電壓產(chǎn)生的原因。如果將A、B房間門都打開，可以讓學生身臨其境去想象一下A房間的胖子（空穴）和B房間瘦子（電子）是個怎么樣的心情，他們肯定想以最快的速度逃離房間，而此時瘦子的運動能力明顯是比胖子要強的（這點在半導體物理學第一章已有所闡述，即一般來說半導體材料中電子的有效質(zhì)量要小于空穴），所以瘦子按照規(guī)定路線（外部電路）跑出的時候，胖子還沒有跑出A房間（或即將跑出房間），當瘦子跑到A房間門口遇見胖子時，這對冤家將互相掐架一起消失。其實講到這里，課堂上同學們都明白盡管電子和空穴復合，但是對應于扮演瘦子角色的電子來說已經(jīng)在外電路上走了一圈，完成了其對外電路負載做功的使命。如上所述，一個簡單的類像思維類比，可將一個較為復雜的問題置于一個能讓學生身歷其境的模型背景中，并用詼諧的語言進行描述，可以更容易讓學生快速掌握知識要點，從而完成規(guī)定的教學任務。

三、結(jié)語

窺一斑而知全豹，通過以上“類像思維”定義的闡述及其在《半導體物理學》教學中實施案例的簡介，不難發(fā)現(xiàn)該種思維教學的實質(zhì)就是如何將抽象的理論知識具象化，讓學生在熟悉的現(xiàn)象、事例或者常識背景下快速接受指定教學內(nèi)容，并培養(yǎng)其在該種思維模式下的自學能力。該種思維模式教學來源于生活而又高于生活，可以讓學生在課堂理論授課中不受傳統(tǒng)課堂教學思維的束縛、放松心態(tài)，讓原本枯燥乏味的抽象理論知識在熟悉的背景下變得生動有趣，在教學互動環(huán)節(jié)中任課老師如能恰到好處地穿插提問答疑，對于活躍課堂氣氛也大有裨益。

歸根結(jié)底，“類像思維”模式在《半導體物理學》課堂教學中的引入，需要任課老師積極對教材各章節(jié)的知識進行凝練分類，并找到恰當?shù)默F(xiàn)象、事例或者熟知常識背景進行植入。當然，類似課程教學研究表明，該類型教學方法的引入雖然可以激發(fā)學生對此類抽象理論課程的學習激情，但背景設置及其課堂描述語言無法像授課教材中一樣達到對知識描述的準確性，多少會出現(xiàn)不恰當之處。任課老師應該根據(jù)堂課授課情況及時調(diào)整，抓住學生已調(diào)動起來的積極性，回到課本準確闡明對應的知識要點，獲得令人滿意的課堂教學效果。[4]

參考文獻：

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[2]華爾天，計偉榮，吳向明.中國加入《華盛頓協(xié)議》背景下工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐[J].2017，（1）：82-85.

[3]湯乃云.微電子專業(yè)“半導體物理”教學改革的探索[J].中國電力教育，2012，（5）：59-60.

[4]夏輝.生活化類比在物理教學實踐中的應用舉例[J].當代教育理論與實踐，2016，8（8）：74-77.