信息化教学模式下教学实践课程的开展

张 鹏

（南京邮电大学集成电路科学与工程学院 江苏 南京 210023）

信息化教学是当下及未来的主流教学模式，主要是通过现代化的教学手段，让学生从知识的被动接受者转换为知识的主动探索者，教师的主要作用从知识的传授者转化为学生知识学习的辅助者[1]。微电子器件和半导体物理是高校微电子专业的重要必修课程，对微电子器件和半导体物理课程的学习深化需要一定的教学实践环节[2]。学生通过学习专业理论知识，并自主将理论知识转化为实践过程，深化对知识体系的理解，增强学生的自主探索意识，培养学生的创新思维能力。

1 理论知识的信息化教学模式

半导体物理涉及半导体的电学特性、能级分布、PN结、金属半导体接触、半导体异质结等理论，而微电子器件涉及双极型晶体管、金属―绝缘体―半导体场效应晶体管、金属―半导体场效应晶体管、薄膜晶体管等相关器件的原理。这些相关知识的学习，不仅涉及相关的原理性阐述，还囊括了诸多公式及其推导过程，对相关公式的掌握有利于实践环节的开展。对于原理性内容的阐述和公式推导过程，一方面需要教师的讲授，另一方面，更需要学生的自主学习。尤其是当后续的教学实践环节与专业理论知识学习环节不同步，更需要加深对专业理论知识的学习。通过信息化教学模式，能培养学生的自主学习意识，巩固专业理论知识的学习。

信息化教学模式，不仅在教学手段上从以前的板书转化为现代的多媒体教学，而且在教学模式上从单一的教室授课转变为线上线下结合，在教学方式上由单一的教师授课转变为师生互动学习理论知识，在教学内容上由纯理论知识学习转变为理论联系实践。

在教学手段上，多媒体教学不仅解放了教师的双手，使得教师在授课过程中能够更有效地与学生互动，了解学生接受专业理论知识过程中的难点，从而便于更有效地传授知识点。更为重要的是，多媒体教学可以通过动画等方式更为直观和生动地描述相关原理，给学生留下更为深刻的印象[3]。同时，多媒体教学在公式推导等过程中采用动画播放的方式，相对于板书公式，能够让学生关注到公式推导的重点且能够节约教师板书的时间，从而提高学生学习理论知识的效率。由于学生更关注公式推导的整体性，更有利于从整体上把握相关知识点的衔接，能够更清晰地了解将理论知识应用到具体实践环节的过程。

教学采用线上线下结合的模式，线上教学采用慕课等新型授课手段[4]，通过教学内容的录制让学生可以多次循环播放了解相关知识点。同时，学生可以通过独立或者团队协作方式，利用网络学习深入了解教学过程中的知识点。在线下的教学过程中，学生可以与授课教师进行面对面的沟通，学生无法深入理解的知识点由授课教师进行诠释，这也有助于学生独立思考能力和自主学习能力的提高。

在教学方式上，采用师生互动的方式，让学生更多地参与到理论知识的讲授过程中。一方面，这有利于老师将授课重点放到学生的知识盲点上，从而提高教学的效率。另一方面，让学生参与到授课环节，有利于教师了解学生所掌握的知识点，并通过互动过程让学生深入思考，加深其对知识点的印象，从整体上了解相关知识原理和公式阐述意义等。同时，通过学生参与授课环节，可以让学生充分理解 “教” 与 “学” 之间的相关性，了解教学环节是自主学习基础之上的更进一层，在学习过程中可以进一步加深对知识点的理解。

在教学内容上，部分内容采用专业理论知识联系实践的方式，直观呈现了相关知识点的物理意义，加深了学生对知识点的印象，为后续的实践教学环节打下一定的基础。由于理论学习和教学实践在时间上不一致，在理论学习过程中引入教学实践环节的介绍，可以加深学生对理论知识的整体理解，便于将理论知识进一步转化为实践过程，实现对基础理论知识的应用。

2 教学实践环节的信息化教学模式

在教学实践环节，完全体现了信息化教学模式的功能。一方面，采用现代化的信息工具，结合软件工具对相关知识点进行实践。另一方面，在相关实践过程中，让学生利用相关知识点进行自主实践，教师在实践过程中仅发挥 “协助者” 的作用。学生可以通过团队协作、网络搜索等方式，增强自主实践的能力，最终完成相关的实践环节。另外，通过增设相关的实践课题，通过实践―理论―再实践的方式，培养学生的自主实践能力和一定的创新思维能力。

实践中的信息工具，采用的是基于MATLAB等软件编程和相关数据处理软件。Matlab是MathWorks公司开发的一款以数学运算为主要特色，集数学运算、符号分析、图形可视化等于一体的集成化软件，在微电子器件和半导体物理领域有其独特的优势。作为常见的现代化数学公式编程工具，MATLAB软件内部集成了诸如指数函数，积分函数，矩阵运算等直接的函数和运算方法，相比于C/C++语言，具有更加直观简便的特点，而且可以通过plot函数等实现直观的图像显示。该软件学习过程较为简便，仅需要通过教师的简单讲授，或者学生自主搜索学习相关教程即可上手，大大降低了花费在软件学习上的时间。同时，教学实践环节也可以根据一定的实验数据结果进行，通过MATLAB等编程软件进行数据的计算后，利用Origin等数据处理软件进行数据的处理和数据图的绘制，从而验证相关半导体物理和微电子器件理论的有效性。

对于现代化信息工具的应用，学生通过自主学习软件使用和微电子器件，半导体物理知识点的回顾，利用软件进行数学公式的编辑和物理图像的显示。一方面，基于理论课程学习过程中涉及的实践内容，学生已经对教学实践环节有了一定的了解，可以更快上手。并且在理论教学环节，学生对于知识点的把控更加深刻，这将有利于后续实践环节的顺利开展。另一方面，学生在编写代码的过程中，涉及相关物理参量之间的关系，数学公式编写的正确性与可读性，以及物理图像的正确显示等方面，有利于培养学生严谨的编程习惯和对物理参量的含义和相互关系的深刻理解。同时，对于程序编写过程中的出现的Bug,需要锻炼学生的Debug能力。学生可以通过网络独立搜索查询，或者是团队协作等方式自主学习，教师在学生编程的过程中仅扮演 “协助者” 角色，有利于实践课程的信息化教学模式的开展，培养学生的自主学习能力。

通过信息化教学模式的开展，学生通过自主学习，通过实践―理论―再实践的方式，培养学生的自主实践能力和一定的创新思维能力[5]。学生利用相关知识点进行MATLAB等编程后，通过MATALB或者Origin软件获取相关数据图，然后通过数据图分析相关的理论知识点，然后再通过新的实践内容进行一定的创新。比如，在课堂内容里要求学生掌握MIS的低频和高频电容―电压的变化关系，通过编程实现相关数据图及了解一般教学实践过程之后，再返回到半导体物理相关的知识点内容，让学生自主学习编写MOSFET的电流―电压特性的不同等级模型。通过编写MOSFET模型之后，可以将仿真结果与商用的仿真软件如Hspice模型进行对比，从而了解编写模型的准确度。通过学生自主学习和编写代码，并进行理论的反馈，培养学生的创新能力。

3 教学实践环节的信息化教学举例说明

本部分利用有机薄膜晶体管的电学特性举例说明教学实践环节的实践过程。有机薄膜晶体管载流子输运一般采用的是跳跃模型，随着栅极电压的增大，载流子填充更多的带尾态，因此载流子迁移率随着填充态的增多而逐渐增大。根据相关的理论知识，载流子迁移率与栅极电压之间的关系符合经验公式，即迁移率FE与低场迁移率0成正比，与迁移率增强因子 成指数关系，有机薄膜晶体管的电流电压特性也相应的与低场迁移率0成正比，在饱和区域与迁移率增强因子+2次方有关，在线性区域与迁移率增强因子+1次方有关。同时，亚阈值区域的电流电压关系，也可以通过指数形式及迁移率增强因子+2次方统一成f(VG,V)表达式。具体的公式推导过程由指导老师对学生进行理论讲解。

实验中制备了聚苯乙烯（Polystyrene,PS）薄层修饰SiO2界面的并五苯有机薄膜晶体管。SiO2栅氧层厚度为300 nm，栅绝缘层表面电容为11.5 nF/cm2。转移特性曲线可以获得阈值电压为-7.2V，亚阈值斜率为3.5 V/dec。通过给定的数据和指导老师的讲解，学生可根据相关数据自主开展数据分析。

由学生自主实践所获得的数据可知，该仿真曲线在超阈值电流区域和亚阈值电流区域与实验曲线都符合得较好，表明仿真过程的有效性。另外，值得注意的是，对于本器件，较大的迁移率增强因子 值表明并五苯材料较大的能量/空间无序性及并五苯/聚苯乙烯的界面俘获作用。为追求良好的器件特性，需要增大低场迁移率0的同时减小迁移率增强因子，这依赖于有机半导体材料的形貌和界面性能的优化。通过对仿真等信息化教学模式及刻意练习手段，加深了学生对相关理论知识的理解，有利于突出教学实践环节的作用与优势。

通过信息化教学模式在理论学习和实践环节中的运用及刻意练习过程，不仅有利于学生对知识点的有效把控和自主学习能力的培养，加深对理论知识的理解，实现理论知识在实践教学环节中的应用，而且在一定程度上有利于学生创新思维的提升。