“半導(dǎo)體物理”課程改革與人才培養(yǎng)

萬(wàn)逸 胡婷 崔冬

[摘 要] 在當(dāng)前國(guó)際環(huán)境和全球新冠肺炎疫情的形勢(shì)下，積極推動(dòng)我國(guó)科技前沿和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的高層次人才培養(yǎng)已迫在眉睫。作為高校教師，如何依照指導(dǎo)思想，為國(guó)家培養(yǎng)并輸送優(yōu)秀人才，是值得關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)“半導(dǎo)體物理”系列課程的課程設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐中存在的主要問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、關(guān)聯(lián)科技前沿、推動(dòng)校企合作等途徑，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)效果，以期為“半導(dǎo)體物理”系列課程思想政治建設(shè)、教學(xué)改革，以及國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)提供新的思路。

[關(guān)鍵詞] 半導(dǎo)體物理;課程建設(shè);人才培養(yǎng);產(chǎn)教融合

[基金項(xiàng)目] 2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金“金屬相過(guò)渡金屬硫族化合物的磁電耦合效應(yīng)研究”（12004182）;2020年度江蘇省自然科學(xué)基金“二維鐵電范德華異質(zhì)界面的能帶調(diào)控與器件集成”（BK20200481）

[作者簡(jiǎn)介] 萬(wàn) 逸（1991—），女，江蘇揚(yáng)州人，博士，南京理工大學(xué)理學(xué)院講師，主要從事二維功能半導(dǎo)體材料與器件研究;

胡 婷（1989—），女，江蘇南京人，博士，南京理工大學(xué)理學(xué)院副教授，主要從事低維凝聚態(tài)物理和材料設(shè)計(jì)研究;

崔 冬（1988—），男，安徽安慶人，博士，南京理工大學(xué)理學(xué)院講師，主要從事多孔材料微結(jié)構(gòu)表征研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）39-0079-05? ? [收稿日期] 2021-05-19

一、引言

2021年是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃綱要實(shí)施的開(kāi)局之年，集成電路行業(yè)作為規(guī)劃綱要的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，必將成為各地爭(zhēng)相發(fā)展的新標(biāo)地。作為全球集成電路產(chǎn)業(yè)增速最快、市場(chǎng)需求最大、國(guó)際貿(mào)易最活躍的地區(qū)之一，中國(guó)在全球供應(yīng)鏈安全及集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，發(fā)揮著日漸顯著的積極作用。隨著新冠肺炎疫情在全球的蔓延，國(guó)際環(huán)境劇變，全球產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)重塑，雖然形勢(shì)嚴(yán)峻，但也為中國(guó)企業(yè)融入全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈提供了新契機(jī)。

受國(guó)外技術(shù)性貿(mào)易壁壘的影響，中國(guó)的先進(jìn)科技企業(yè)與高精尖科技領(lǐng)域正面臨著“卡脖子”的難題。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)強(qiáng)弱分明，其中人才短缺是最大短板。根據(jù)中國(guó)《集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(shū)》顯示，到2022年，國(guó)內(nèi)的集成電路專業(yè)人才缺口將達(dá)到25萬(wàn)，并且存在結(jié)構(gòu)性失衡的問(wèn)題[1]。怎樣培養(yǎng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的專業(yè)人才，如何留住優(yōu)秀人才呢？針對(duì)此類亟須解決的問(wèn)題，教育部于2020年始推行“強(qiáng)基計(jì)劃”，于部分高校開(kāi)展招生改革試點(diǎn)，發(fā)揮數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的支撐引領(lǐng)作用，聚焦高端芯片與軟件、智能科技、先進(jìn)制造和國(guó)家安全等關(guān)鍵領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，遴選有意愿服務(wù)于國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的優(yōu)秀學(xué)生。2020年7月，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)會(huì)議通過(guò)提案：集成電路將作為一級(jí)學(xué)科，從電子科學(xué)與技術(shù)中獨(dú)立出來(lái)。

為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，國(guó)內(nèi)高校紛紛行動(dòng)起來(lái)。2019年8月，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)啟動(dòng)“一生一芯”計(jì)劃，嘗試縮短從理論學(xué)習(xí)到正式投入科研與產(chǎn)業(yè)一線的人才培養(yǎng)周期，并于2020年7月公布了首期“一生一芯”計(jì)劃成果：5位本科生主導(dǎo)完成了一款64位RISC-V處理器片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造。中國(guó)首個(gè)專門(mén)為培養(yǎng)芯片人才而設(shè)立的“南京集成電路大學(xué)”于2020年10月正式成立，緊密圍繞芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向培養(yǎng)人才，進(jìn)一步擴(kuò)大我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)模。2021年4月，清華大學(xué)官宣成立集成電路學(xué)院，瞄準(zhǔn)國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”難題，采用交叉培養(yǎng)方式，深化校企合作，著力培養(yǎng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)所需的人才。半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)是典型的人才、技術(shù)和資本密集型行業(yè)，其發(fā)展離不開(kāi)政府、企業(yè)、研究所和高校的通力合作。為從根本上解決國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)域人才稀缺的困境，對(duì)于高校而言，更應(yīng)盡早將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)提上日程。

二、“半導(dǎo)體物理”系列課程的教學(xué)現(xiàn)狀及主要不足

南京理工大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)是以物理學(xué)科為基礎(chǔ)，與光學(xué)工程、電子信息和材料、材料科學(xué)與工程等學(xué)科有機(jī)融合而形成的交叉型專業(yè);服務(wù)于國(guó)家重大戰(zhàn)略發(fā)展需求，以半導(dǎo)體物理與器件為本科培養(yǎng)方向;致力于培養(yǎng)具有扎實(shí)的半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)和突出創(chuàng)新能力，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)用型半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才。

該專業(yè)設(shè)立的“半導(dǎo)體物理”系列課程，涵蓋了半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、半導(dǎo)體理論研究工具基礎(chǔ)、半導(dǎo)體納米技術(shù)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體器件原理、半導(dǎo)體能源材料、半導(dǎo)體制造及工藝等。結(jié)合教材特質(zhì)與實(shí)踐反饋，對(duì)“半導(dǎo)體物理”系列課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在的主要不足與改進(jìn)方向歸納如下。

（一）知識(shí)點(diǎn)繁雜，公式推導(dǎo)多，學(xué)習(xí)興趣不高

半導(dǎo)體物理主要研究半導(dǎo)體材料中的載流子狀態(tài)，以及各類型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中的載流子運(yùn)動(dòng)行為[2]。課程內(nèi)容冗雜，易混淆知識(shí)點(diǎn)繁多，要求學(xué)生具備量子力學(xué)、固體物理學(xué)，以及熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理等多門(mén)先導(dǎo)課程的理論基礎(chǔ)。與中小學(xué)教育不同，高校課程設(shè)置的連貫性與銜接性相對(duì)較弱，學(xué)生對(duì)于先修知識(shí)的掌握欠佳且深度不足，特別是對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的遺忘會(huì)極大降低學(xué)習(xí)效能，削減學(xué)習(xí)熱情。此外，由于半導(dǎo)體物理的結(jié)構(gòu)分析難以精準(zhǔn)量化，通常需要運(yùn)用理論建模的方法進(jìn)行闡釋，這就涉及大量的簡(jiǎn)化近似和繁雜的公式推導(dǎo)，學(xué)生在聽(tīng)課時(shí)常常覺(jué)得枯燥，學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳。因此，如何在課程安排上預(yù)先進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的鋪墊，正確權(quán)重物理模型建立與數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)之間的關(guān)系，使學(xué)生能夠充分理解課程內(nèi)容，把握課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，避免學(xué)生因課程深?yuàn)W晦澀而產(chǎn)生對(duì)于新知識(shí)吸納的抵觸心理，這是當(dāng)前“半導(dǎo)體物理”教學(xué)改革的一大難點(diǎn)。

（二）教學(xué)模式固化，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失，應(yīng)用效果欠佳

加強(qiáng)“半導(dǎo)體物理”系列課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的充分理解與牢固掌握，有益于學(xué)生操作能力的提升[3]，對(duì)于個(gè)人實(shí)踐能力的提高也具有積極作用?？v觀國(guó)內(nèi)“半導(dǎo)體物理”的教學(xué)現(xiàn)狀，課程的講授方式比較單一，主要是采用以教師講授為主的方式，往往忽視了對(duì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)。而半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)多為基礎(chǔ)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)易甚至陳舊，無(wú)法滿足當(dāng)代科學(xué)研究的需求。因此，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助理論學(xué)習(xí)，使得學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，不再局限于理論知識(shí)的獲取，而是靈活運(yùn)用所見(jiàn)所學(xué)，這是當(dāng)前“半導(dǎo)體物理”教學(xué)的又一難點(diǎn)。