半導(dǎo)體物理與器件課程思政教育的探索與實(shí)踐*

蘇 萍 陶傳義 周 密

(重慶理工大學(xué)理學(xué)院 重慶 400054)

1 引言

黨的十九大指出“青年興則國(guó)家興，青年強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng).青年一代有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)，國(guó)家就有前途，民族就有希望.”[1]當(dāng)代大學(xué)生將成為未來(lái)幾十年各行業(yè)的中流砥柱，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中堅(jiān)力量.因此，對(duì)于培養(yǎng)什么人，為誰(shuí)培養(yǎng)，怎樣培養(yǎng)是每一個(gè)高校教師和每一個(gè)課堂的重要命題.

半導(dǎo)體物理與器件課程作為應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的核心課程，內(nèi)容涉及半導(dǎo)體材料的基本結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、物理原理和光電特性等基礎(chǔ)知識(shí)，旨在為培養(yǎng)物理學(xué)及相關(guān)學(xué)科前沿問題的科研人才和能夠運(yùn)用物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)服務(wù)現(xiàn)代高新技術(shù)和社會(huì)各領(lǐng)域的應(yīng)用型人才打下基礎(chǔ).通信技術(shù)、環(huán)境污染和能源短缺問題、人工智能等高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展給人類社會(huì)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了便利和挑戰(zhàn)，也是當(dāng)代中國(guó)和全世界所面臨的重大問題，半導(dǎo)體材料和器件在這些高新技術(shù)領(lǐng)域的作用是非常重要且難以替代的，因此半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍者和參與者都需要有自信、有擔(dān)當(dāng)、有追求，腳踏實(shí)地，做開創(chuàng)新時(shí)代的有志青年.半導(dǎo)體物理與器件課程中的理論知識(shí)和器件特性與這些前沿科技有著緊密的聯(lián)系，在傳授半導(dǎo)體知識(shí)原理和培養(yǎng)半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新開發(fā)能力外，還需弘揚(yáng)民族精神，加強(qiáng)愛國(guó)主義教育,培育堅(jiān)持真理，開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神.

2 半導(dǎo)體物理與器件課程的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵

2.1 課程教學(xué)全過程貫穿思政教育指導(dǎo)思想和核心內(nèi)容

2.1.1 半導(dǎo)體物理相關(guān)理論是馬克思主義理論的靈活闡釋

馬克思主義哲學(xué)是對(duì)自然和社會(huì)最本質(zhì)規(guī)律及其特征的科學(xué)論述，它提供了科學(xué)的世界觀和方法論，以及幫助人們分析解決問題的立場(chǎng)、觀點(diǎn)和方法[2].半導(dǎo)體物理與器件課程中的許多理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都可以運(yùn)用馬克思主義的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行理解和闡釋.主要體現(xiàn)在：

(1)課程中涉及的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是馬克思主義產(chǎn)生的自然科學(xué)基礎(chǔ)之一.守恒定律是自然科學(xué)最普遍、最深刻、最基礎(chǔ)的規(guī)律與本質(zhì)，是我們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的最普遍、最有效的科學(xué)武器之一.

(2)半導(dǎo)體物理和器件的開發(fā)應(yīng)用體現(xiàn)了馬克思主義的方法論.半導(dǎo)體相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以檢驗(yàn)和證實(shí)相關(guān)理論，也可對(duì)理論原理的豐富和完善提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，反過來(lái)半導(dǎo)體理論又能進(jìn)一步對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的開發(fā)利用提供理論支持和指導(dǎo).半導(dǎo)體物理理論的發(fā)展和器件的開發(fā)應(yīng)用互相制約、相輔相成，永遠(yuǎn)有機(jī)地共同推動(dòng)著整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展.

(3)理解和分析半導(dǎo)體器件原理時(shí)，需要運(yùn)用馬克思主義的方法論.比如在分析各類半導(dǎo)體器件的特性時(shí)，既要看到器件的理想特性，也要考慮非理想特性，要兩點(diǎn)兼顧，但同時(shí)又要重點(diǎn)抓住主要影響因素，解決主要問題，不能等量齊觀，犯均衡論的錯(cuò)誤.同時(shí)基于二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管制成的半導(dǎo)體器件種類很多，特性不一、應(yīng)用廣泛，在分析和解決具體問題時(shí)，要在半導(dǎo)體物理普遍性原理的指導(dǎo)下，重點(diǎn)分析具體器件的特殊性，做到具體問題具體分析，這是馬克思主義辯證法中矛盾論的基本內(nèi)容，是正確認(rèn)識(shí)事物的基礎(chǔ)，也是正確理解和分析半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵.

2.1.2 半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展是社會(huì)主義核心價(jià)值觀的體現(xiàn)

我們要建設(shè)成為富強(qiáng)民主的社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家，構(gòu)建一個(gè)自由、平等、公正、法治的美好社會(huì)，從個(gè)人角度來(lái)講就需要踐行愛國(guó)、敬業(yè)、誠(chéng)信、友善的基本道德規(guī)范.人民有信仰，國(guó)家有力量，民族有希望.培育和踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)，需要培養(yǎng)年輕一代成為走在時(shí)代前列的開拓者和奮進(jìn)者，在時(shí)代洪流中披荊斬棘、開創(chuàng)佳績(jī).

半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷的全球“芯片荒”以及中國(guó)的“用人荒”，芯片行業(yè)勞動(dòng)力成本持續(xù)上升和芯片交貨遙遙無(wú)期的雙重挑戰(zhàn)，在人才爭(zhēng)奪與產(chǎn)能不足中依舊一片兵荒馬亂，這對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等眾多產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響.美國(guó)的芯片禁令告訴我們要始終牢記 “關(guān)鍵核心技術(shù)是國(guó)之重器”的發(fā)展理念，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)為相關(guān)高新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展提供有力科技支撐.我們的青年學(xué)生要滿懷民族意識(shí)和愛國(guó)情懷，努力奮斗，學(xué)有所成之后為國(guó)家高新技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量.此外每一個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展都需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累和人才積累，芯片產(chǎn)業(yè)也不例外，這就需要每一個(gè)從業(yè)者具有忠于職守，克己奉公，腳踏實(shí)地謀發(fā)展的敬業(yè)精神.同時(shí)，在這樣的內(nèi)憂外患之中，我國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)的各領(lǐng)域都發(fā)展迅速，這是我們新時(shí)代中華兒女的骨氣和底氣，也讓我們更加堅(jiān)定自信，對(duì)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興充滿信心，當(dāng)然這需要我們每一個(gè)人堅(jiān)持求真務(wù)實(shí)、勤奮努力，用青春和汗水共創(chuàng)美好新時(shí)代.

2.2 課程內(nèi)容全方位展現(xiàn)科學(xué)精神

2.2.1 半導(dǎo)體物理與器件的發(fā)展歷程是科學(xué)精神的體現(xiàn)

從1833年法拉第發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料擁有負(fù)電阻溫度系數(shù)的特性，到如今的智能手機(jī)、LED、計(jì)算機(jī)等各種半導(dǎo)體器件隨處可見，這100多年來(lái)，半導(dǎo)體物理理論的建立與發(fā)展以及半導(dǎo)體材料和器件的開發(fā)應(yīng)用經(jīng)歷的發(fā)展歷程，就是一代又一代的科學(xué)家們探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的科學(xué)精神的完美闡釋.

2.2.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)是科學(xué)精神內(nèi)涵的體現(xiàn)

半導(dǎo)體物理理論主要以能帶理論為基礎(chǔ)探討半導(dǎo)體材料的載流子在雜質(zhì)和缺陷、光、電、磁等影響下的分布和輸運(yùn)狀況，并依此探討二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及各類復(fù)雜半導(dǎo)體器件原理特性.這個(gè)理論知識(shí)體系對(duì)半導(dǎo)體材料和器件相關(guān)特性進(jìn)行理論解釋和有效預(yù)測(cè)，經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)事求是、實(shí)踐檢驗(yàn)真理的科學(xué)精神.

2.2.3 半導(dǎo)體器件原理和應(yīng)用是科學(xué)精神和人文精神的綜合體現(xiàn)

自然科學(xué)與社會(huì)的發(fā)展是相輔相成的，因此自然科學(xué)也承載著價(jià)值引領(lǐng)的使命[3].無(wú)論是基礎(chǔ)的二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管等半導(dǎo)體元器件，還是大規(guī)模集成電路制成的計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)，都影響著現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)生活的各方面.LED照明節(jié)能環(huán)保，網(wǎng)絡(luò)通信方便快捷可知天下事，信息化和自動(dòng)化發(fā)展的以計(jì)算機(jī)為主的智能化工具釋放了繁重體力勞動(dòng)力的雙手，對(duì)提高人類生活質(zhì)量產(chǎn)生影響，提升了社會(huì)生產(chǎn)力.這些技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)了敢于挑戰(zhàn)、開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神，還體現(xiàn)了為社會(huì)發(fā)展和人類文明而進(jìn)行不屈不撓的斗爭(zhēng)的人文精神，這都是科學(xué)精神與人文精神高度融合的體現(xiàn).

3 課程思政的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施路徑

3.1 課程目標(biāo)體現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)

課程目標(biāo)是專業(yè)人才培養(yǎng)的方向，貫穿于課程教學(xué)的全過程，在課程目標(biāo)的設(shè)定上需要堅(jiān)持知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造的有機(jī)融合，在課程教學(xué)中完成知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng).半導(dǎo)體物理與器件課程需要培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)理論和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)原理的基本知識(shí)，擁有運(yùn)用科學(xué)思維方法正確分析和解決問題的能力，懷有追求真理的科學(xué)精神和勇于擔(dān)當(dāng)重?fù)?dān)的奉獻(xiàn)精神.從價(jià)值引領(lǐng)上來(lái)說(shuō)，主要體現(xiàn)在：

(1)培育科學(xué)精神.注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生具備良好的科學(xué)精神、科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)作風(fēng)和創(chuàng)新意識(shí)，具有一定的獨(dú)立獲取知識(shí)的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和科研能力.

(2)堅(jiān)持馬克思主義方法論.增強(qiáng)運(yùn)用馬克思主義基本理論和方法正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力.

(3)增強(qiáng) “四個(gè)自信”.強(qiáng)化學(xué)生民族和文化的歸屬感、認(rèn)同感、尊嚴(yán)感與榮譽(yù)感.

(4)踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，加強(qiáng)愛國(guó)主義、集體主義、社會(huì)主義教育，認(rèn)清世界發(fā)展大勢(shì)，培養(yǎng)勇于承擔(dān)時(shí)代重任的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人，以成就民族復(fù)興的偉大夢(mèng)想.

3.2 課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)思政融入

教學(xué)內(nèi)容是專業(yè)人才培養(yǎng)的核心，是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的養(yǎng)分，要緊密圍繞融合知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造的課程目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容.

(1)將半導(dǎo)體物理和器件的發(fā)展歷史融入課程內(nèi)容.通過科學(xué)家們追求真理、敢于挑戰(zhàn)、勇于實(shí)踐、開拓創(chuàng)新的精神，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神；

(2)將馬克思主義方法論融入課程內(nèi)容.如非本征半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)、載流子的濃度、電導(dǎo)率等參量受雜質(zhì)濃度和溫度的影響，但在不同的溫度區(qū)間的影響程度是不同的，因此在分析時(shí)，需要明確主要矛盾和次要矛盾以及在不同條件下主次矛盾相互轉(zhuǎn)化的問題.在理解各類半導(dǎo)體器件的特性時(shí)，需要了解理想器件特性和非理想因素的影響，除了需要了解主次矛盾之外，還需要具體問題具體分析，運(yùn)用普遍性和特殊性原理相結(jié)合，在半導(dǎo)體物理的普遍性原理指導(dǎo)下，重點(diǎn)分析具體器件的特殊性質(zhì)，才能得到與實(shí)踐結(jié)果相一致的結(jié)論.諸如此類的在課程內(nèi)容中融入馬克思主義唯物辯證法，以此增強(qiáng)學(xué)生靈活運(yùn)用馬克思主義科學(xué)方法論分析和解決問題的能力.

(3)將半導(dǎo)體技術(shù)前沿和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的最新動(dòng)態(tài)融入課程內(nèi)容.如芯片禁令、科技制裁等受制于國(guó)外“卡脖子”的現(xiàn)狀，用以喚起學(xué)生的愛國(guó)奉獻(xiàn)精神，主動(dòng)擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興的歷史責(zé)任；又如國(guó)家加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)的骨氣和志氣以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最新動(dòng)態(tài)，幫助學(xué)生了解中國(guó)與世界的發(fā)展與聯(lián)系，增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)偉大中國(guó)夢(mèng)的自信.

3.3 教學(xué)方法運(yùn)用融合創(chuàng)新

教學(xué)方法是專業(yè)人才培養(yǎng)的手段，是課程內(nèi)容的具體展現(xiàn)，要根據(jù)不同的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方式.除了傳統(tǒng)的講授知識(shí)點(diǎn)外，綜合融入以下主要教學(xué)方法：

(1)引入問題導(dǎo)入式教學(xué).通過提出需要解決的問題引入教學(xué)內(nèi)容，突出課堂教學(xué)重點(diǎn)的同時(shí)讓學(xué)生理解其中的物理意義或思維方式，同時(shí)通過比喻、歸納、類比等方法引導(dǎo)學(xué)生掌握分析問題的方式和方法，幫助學(xué)生將半導(dǎo)體理論和器件相關(guān)知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，避免孤立地理解和記憶知識(shí)點(diǎn)[4].例如通過提出問題“二極管PN結(jié)單向?qū)щ娦缘奈锢碓颉币隤N結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，并綜合運(yùn)用半導(dǎo)體載流子的輸運(yùn)、費(fèi)米能級(jí)、能帶結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)講授PN結(jié)的空間電荷、內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)差等基本概念及其在外加偏壓下的變化情況，從而分析得出正偏和反偏對(duì)PN結(jié)導(dǎo)電特性的影響.由此引導(dǎo)學(xué)生在掌握知識(shí)、提升能力的同時(shí)采用科學(xué)的思維方式.

(2)增加案例教學(xué).運(yùn)用半導(dǎo)體仿真軟件對(duì)二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行仿真模擬，由此將半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和特性可視化地呈現(xiàn)出來(lái)，由此直觀體現(xiàn)材料性質(zhì)、摻雜濃度、溫度、電壓等因素對(duì)器件特性的影響，從而幫助學(xué)生更好地融合半導(dǎo)體理論知識(shí)和器件原理，能夠理解半導(dǎo)體原理是半導(dǎo)體器件特性的理論基礎(chǔ)，而器件特性是半導(dǎo)體物理定律的宏觀呈現(xiàn)，它們?nèi)币徊豢伞⑾嗷ビ∽C.由此引導(dǎo)學(xué)生在處理問題時(shí)要理論聯(lián)系實(shí)際，要理解普遍性和特殊性原理.

(3)引入信息化教學(xué).課堂教學(xué)中教師講解基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生依據(jù)這些基礎(chǔ)概念和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基礎(chǔ)課件、慕課的教學(xué)視頻等自主學(xué)習(xí)資源，搜索瀏覽半導(dǎo)體相關(guān)前沿期刊論文和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)網(wǎng)站，經(jīng)過小組交流討論學(xué)習(xí)，進(jìn)入課堂講解討論，由此可加深理論知識(shí)的深入理解并完成知識(shí)的遷移，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作解決問題的能力[5].

3.4 教學(xué)平臺(tái)延展課堂內(nèi)外

教學(xué)平臺(tái)是專業(yè)人才培養(yǎng)的載體，是實(shí)現(xiàn)課程思政目標(biāo)的土壤.對(duì)于學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)不僅在課堂之內(nèi)，還在于課堂外的方方面面.在課堂內(nèi)，學(xué)生從教師身上不僅學(xué)習(xí)課堂上的知識(shí)和能力，還會(huì)學(xué)到做人做事的準(zhǔn)則，所以教師自身的道德品質(zhì)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行思政教育和價(jià)值引領(lǐng)的最潛移默化的方式.教師除了通過課程內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo)之外，還可以從課堂教學(xué)中體現(xiàn)出的自身價(jià)值觀對(duì)學(xué)生產(chǎn)生直接的價(jià)值引導(dǎo)，比如教師上課從不遲到早退，每次授課準(zhǔn)備充分，作業(yè)的批改和點(diǎn)評(píng)到位的敬業(yè)精神；授課時(shí)真心關(guān)愛學(xué)生，嚴(yán)格要求學(xué)生，公正對(duì)待學(xué)生的友善精神等都能起到潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的價(jià)值引領(lǐng)作用.在課堂外，教師對(duì)于學(xué)術(shù)研究上追求真理，勇于探索科學(xué)精神和恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，誠(chéng)實(shí)守信的道德品質(zhì)，是對(duì)學(xué)生最好的榜樣教育.此外學(xué)生在課堂之外參加的各類型的實(shí)踐課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)活動(dòng)、校內(nèi)外志愿服務(wù)和其他社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等，可以讓學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)馬克思理論方法有助于分析和解決實(shí)際問題，體會(huì)敬業(yè)、誠(chéng)信、友善有助于工作的順利開展和良好人際關(guān)系的形成，體會(huì)科學(xué)的思維方法和科學(xué)精神有助于勇于挑戰(zhàn)、開拓創(chuàng)新.

4 結(jié)論

半導(dǎo)體物理與器件課程的教學(xué)全過程貫穿思政教育指導(dǎo)思想和核心內(nèi)容，課程內(nèi)容全方位展現(xiàn)科學(xué)精神，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)的課程目標(biāo)、融入思政教育的課程內(nèi)容、運(yùn)用融合創(chuàng)新的教學(xué)方法，多平臺(tái)育人的方式將課程思政貫穿于課程教育的各環(huán)節(jié)中，努力實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建立正確的價(jià)值觀、人生觀、世界觀，以此培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞臅r(shí)代新人.