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高校半导体物理教学改革研究

摘要:大学半导体物理课程是一门理论性与实践性并重的课程,随着核心素养理念培养的不断深入,要求大学半导体物理课程改革现有的教学模式,以培养学生的社会适应能力作为目标,提升学生的实践操作能力与知识应用能力。通过对核心素养内涵进行分析,从高校人才培养的角度出发,探究了核心素养下高校半导体物理教学改革创新策略。

关键词:核心素养;半导体物理;教学改革

大学半导体物理学课程不仅是对半导体材料进行研究的一门理论性课程,还是对微电子器件、集成电路实际应用的一门实践性课程。要求学生能够熟练掌握理论性知识,还要具备熟练的实践操作能力。在具体的教学过程中,需要以理论指导实践,运用实验来验证理论,特别是在核心素养的视角下,如何将培养学生的核心实践技能与半导体物理课程素养,是高校半导体物理教学改革的重要内容。由于半导体物理课程的知识点繁多,理论计算与推导比较复杂,通过培养大学生学科的核心素养,增强学生的实践操作能力与知识应用能力,是促进高校半导体物理课程教学改革的重要途径。

一、大学生核心素养内涵分析

核心素养是指当代大学生通过学习应该具备终身学习能力、适应能力、科学思维以及能够满足社会发展需要的必备品格与素质,能够熟练掌握与运用各个学科知识的能力,它突出强调大学生的个性素养、情感态度与人文素质在实践操作中的应用,同时在学习过程中应该更加注重自我的发展,能够合作参与,创新实践,具有很强的团队合作精神。核心素养是大学生终身学习必备的素养,它能够反映学生发展的新动态,也是高校人才培养的关键指标,对教育改革具有很强的指导作用[1]。由于核心素养具有可培养性、可塑造性、可维持性与可发展性,而且通过学校的教育是动态发展的,它要求在大学课程教学过程中,需要将各个学科的核心知识融合在一起,形成一个完整的知识体系,是高校大学生核心素养发展的基本要求。因此,核心素养的基本内容就是培养大学生使用工具与技术的能力、人际交往的能力与团队合作的能力、自主学习的能力与解决问题的能力,并在学习的过程中能够对自己的未来发展、职业发展进行合理的规划,可以用新思想、新技术与新方法来解决学习过程中遇到的问题,具有一定的创新能力与意识,并在学习的过程中能够形成稳定的知识结构,具有利用实验验证理论知识的能力、问题意识与问题导向的思维能力以及良好的执行能力。在人类科学的发展史中,物理学作为科学发展的基础内容,一直推动着科学技术的发展与进步。目前,大学半导体物理已经渗透到自然科学、社会科学与生物科学等学科中,成为人们科学思维的重要组成部分。这就要求在半导体物理教学的过程中,以培养学生的物理思维能力为主,将学生的实践能力、知识应用、社会适应能力结合在一起,培养大学生的学科素养,将大学生的逻辑思维、空间想象能力、推理运算能力、数据处理能力、社会交往能力、人文知识、半导体物理学科的基本方法与思想、创新能力等结合在一起,来培养大学生的半导体物理学科的核心素养[2]。半导体物理的核心素养,具体说来,就是要求学生能够从物理学的角度来处理分析问题,有条理地进行理性思维、严密求证;能用半导体知识进行有效的推理与论证,能够清晰地对半导体知识进行表达与分析;从专业的角度讲,大学半导体物理核心素养主要是指大学生善于抓住半导体物理知识的背景与问题的本质,能够熟练地运用准确、简明、规范的语言知识来表达自己的物理逻辑素养,并能够以良好的物理学科态度来对待半导体物理问题,能够以合理的新思想、新方法、新概念来分析半导体物理知识,从多个角度来分析大学半导体物理问题,形成科学的解决问题的方法,并能对半导体物理现象与过程进行科学的建模,养成良好的学习习惯。

二、基于核心素养下的高校半导体物理教学改革实施路径分析

核心素养要求在教学过程中树立“以学生为中心”的教学理念,通过核心素质指导、引领、改革大学半导体物理课程教学。大学半导体物理学科的实践特征对大学生的核心素养能力培养具有独特的作用,在核心素养的引领下,大学半导体物理教学需要改变原有的模式,树立全新的教学观与教学理念,促进大学半导体物理教学的创新发展。(一)转变教学观念,树立培养学生核心能力的思想在核心素养理论的指导下,大学半导体物理教学对物理教师提出了新的要求,教师需要从学生的角度出发,明确大学半导体物理究竟应该传输给学生什么样的知识,培养学生什么样的能力。因此,物理教师应该根据学生核心能力培养的要求,转变教学观念,在教学中加强学生的知识运用能力与实践操作能力的培养。传统的大学物理半导体教学为了获取更多的知识,注重的是理论教学,要求学生在学习过程中能够获得更高的分数,这种以分数为主的教育模式充满了学生的大学生活。然而在核心素养发展的时代,教师应该意识到,知识教学“够用”就能够满足学生发展的要求,不能“过度”,应该注重学生知识应用能力与实践能力的培养,如果知识“过度”就会阻碍学生想象力的发展,导致学生对半导体物理学习失去兴趣,同时也会影响学生创新能力的培养。半导体物理教学应该立足于学生的可持续发展,为学生学习其他专业课程提供知识基础,在教学中应该以培养学生的核心能力为中心,为学生培养学生的终身学习能力奠定基础。由于大学半导体物理与现实世界联系比较紧密,是自然界知识的抽象反映,它的产生与发展过程就是发现物理问题,通过知识的运用来解决问题的过程[3]。例如,在学习完回旋共振的理论课程之后,可以引导学生做回旋共振实验,让学生自己动手测量硅、锗等半导体材料的有效质量,让学生亲身感受半导体是如何获得有效质量的。教师在教学的过程中,需要转变教学观念,基于学生的核心素养培养,通过合情推理半导体物理知识,并利用实验来验证理论的推导过程,把隐藏在半导体物理书本后的科学知识、物理思想与方法挖掘出,并让学生心领神会。教师不仅要传授好知识,更要培养学生通过实验发现科学的能力,在给学生打下坚实知识技能基础的同时,还要对学生的情感道德进行培育,注重学生未来的创新能力与竞争力的培养,进而能够促进学生的全面发展。(二)转变人才培养目标,注重学生实践应用能力的培养从高校人才培养的角度出发,大学生具有很强的社会适应能力,高校要以社会、企业的需求为导向,转变人才培养的目标,提升大学生的社会适应能力,以提高学生的实践能力为基础,改革大学半导体物理课程教学的内容与方法。半导体物理课程一般属于工科专业学生的基础理论必修课,是其他专业课程的基础。在教学的过程中,需要培养学生的物理思维能力与方法,提升学生将该门课程知识应用于其他专业学科中的知识迁移能力。核心素养观下,学生在学习半导体物理课程中,能够获得相关的知识与技能,并能够运用实验来验证相关的理论及其推导过程,将学生的知识运用能力结合在一起,通过在课程教学环节中对物理文化的渗透,培养学生主动探究物理现象背后的问题,并能够抓住问题的本质进行分析,通过培养大学生对半导体物理知识的兴趣,以问题驱动,围绕问题展开实验或者教学,逐步培养大学生的问题意识,形成解决物理问题的思想、方法与创新意识,并帮助学生树立科学的思想观,依托现代信息技术,拓宽学生解决问题的视野。例如可以采用线上线下互动、“翻转课堂”、“探究式教学”等现代教学模式,以学生为中心进行实践教学,促进学生形成独立思考、自主学习、团队合作能力[4]。还可以借助案例式教学,分析具体的物理实验过程与方法,让学生通过观察,发现自己操作与案例存在的差距,逐步培养学生分析半导体物理知识和物理方法之间的关系,进而能够有效地分析解决学习过程中遇到的问题,提升学生发现问题与解决问题的能力。例如在运用四探针法测量半导体的电阻率时,可以设置相应问题,让学生动手做实验,探究物理规律,得出问题的结论。(三)注重物理文化、思想方法的渗透,培养学生的科学精神1、渗透物理文化,传承物理思想与方法任何一个半导体物理的理论与概念都会有产生的历史背景,半导体物理的公式、定义、理论是怎么产生的?主要是为了解决什么问题?如何恰当正确地分析这些问题?具体有哪些应用?这些问题的也许比物理的理论、概念更重要。在大学半导体物理教学的过程中,教学需要给学生分析其中的背景、文化,帮助学生形成正确的思维导向,培养学生对半导体物理的兴趣、物理思想与解决问题的方法。而不能只注重对概念、公式的讲解,而忽视了这些定理产生的背景,不然往往会导致学生在学习半导体物理的时候,只注重记公式、字母,对概念的理解不够深刻,对它们的内涵与实际意义和科学价值理解不深,只是把目标放在如何解决半导体物理问题上,不将理论与实践联系在一起,长此以往,大学物理半导体课程就会脱离了日常生活,使得学生对学习失去兴趣。核心素养培养模式下,在半导体物理课程教学中,应该不断地渗透物理文化,包括半导体物理的知识应用、实践技能以及未来的发展趋势、半导体物理的思想体系、半导体物理的应用价值、物理学家的创新精神等,帮助学生认识到半导体物理在学科发展中的作用与意义,进而能够形成正确的半导体物理学习观。例如,物理学家肖克莱、巴丁、布拉顿三人用金锗粘合在以聚苯乙烯为底的天然晶体上形成基级、发射级与集电极,当在基级和发射级加上一个很小的电压时,在集电极就会得到一个很大的电压,这就是半导体三极管产生的背景,进而能够帮助学生对半导体三极管的产生与发展有正确的认识。2、以问题为驱动,培养学生形成正确的半导体物理思维大学半导体物理的课程以抽象的内容、广泛的应用、严谨的结构而与其他学科不同,要求学生不仅学习其理论知识,还强调学生动手实践操作能力的应用。在培养学生核心素养的目标下,以问题为驱动,培养学生实践操作的能力,形成正确的半导体物理思维。因此,高校半导体物理教学要加强学生的动手实践能力与知识应用能力的培养,以学生的社会适应能力为中心,培养学生的解决实际问题能力,在教学的过程中,采用问题驱动的方式进行教学,为学生创建真实的问题情景,将半导体物理的知识应用、实验操作融合在问题情景中,围绕问题展开半导体物理教学,通过教师的引导与启发,注重让学生从已知的物理条件中发现问题与分析问题,将社会、生活中的现象与半导体物理知识紧密结合在一起,从而使得学生在解决问题的过程中,突出物理问题的直观性与清晰度,也可以将一些半导体物理发生的背景穿插在教学过程中,挖掘半导体物理现象背后隐藏的思想方法,逐步培养学生主动学习半导体物理课程的兴趣与意识,帮助学生形成正确的半导体物理思想与思维方法、科学的态度与创新精神。3借助现代信息技术,提升学生学习半导体物理的兴趣随着现代信息技术、网络技术在高校课程教学中的应用,大学半导体物理课程教学也应该积极地将信息技术融合在其中,发挥学生主观能动性,提升学生自主学习的能力,转变学生的学习方式。在传统的半导体物理课堂教学中,教师一般无法诊断学生学习中存在的问题,课堂教学的过程是按照教师预设式的程序进行,通过教师的讲解与学生的接收来完成传授知识,导致学生知识应用能力与实践操作能力不强。学生在课堂中能够理解学习内容,但是在课下遇到变化的问题就一筹莫展,形成一种低效的学习方式。随着信息技术、网络技术的运用,教师可以采用“翻转课堂”的模式进行教学,提前将教学内容发给学生,由学生在课前进行学习,通过师生之间的线上线下互动讨论交流,教师可以了解学生掌握的情况,然后在课堂上针对学生在课前学习的问题进行重点讨论,通过物理实验来验证物理结论,采用这种“翻转课堂”的教学方式,使得课堂更具有启发性与适用性,这不仅能够提高学生参与课程学习的积极性,也能够培养学生自主学习的能力与团队合作的意识,进而能够有效地培养大学生对导体物理的兴趣[5]。例如,在学习半导体材料中的电子是怎样在周期性势场中运动的,可以运用动画的方式将微观的物理现象用宏观的图像展示出来,将复杂的物理现象形象化展示出来,有利于提高学生的学习效率。因此,将现代信息技术、网络技术运用于半导体物理课堂,将学生的知识应用能力、团队合作精神、创新意识等结合在一起进行培养,强化学生解决问题的能力与实践操作的能力,促进大学生核心素养的形成与发展。(四)转变评价方式,注重半导体物理学习的过程性评价高校半导体物理教学需要注重对学生的学习过程进行评价,而核心素养培养的基本要求就是注重学生实践操作与知识应用能力的培养,教学评价是对学生学习目标是否达到的评判,也决定着半导体物理教学质量的提升与完善,是半导体物理教学改革的重要因素之一。在核心素养的要求下,将学生的社会适应能力、实践技能作为培养的重要目标,这就需要评价学生对知识的理解与掌握程度,还要注重对学生的知识能力、思维品质、解决问题的过程进行评价,传统的评价方式对学生的核心素养进行评价已经明显的不能满足要求,需要在核心素养的理念指导下制定新的学业评价标准。在对半导体物理的教学过程中进行评价时,要将学生的情感、态度层面等因素融合在动态的评价过程中,在采用大规模的标准化测试时,同时也要采用开放式的题目来对学生的思维品质、思维过程进行评价,强调对学生的内隐性、潜在性、情境性等学习特征进行评价。通过评价激发学生对半导体物理的学习兴趣,增强学生对理论性知识的应用能力,从而能够更加有效的培养学生的半导体物理学科的核心素养。

三、结束语

在核心素养的引领下,高校半导体物理课程教学需要改变传统的教学方式,将学生的实践操作能力与知识应用能力作为重点,以培养学生的社会适应能力、创新意识、思维能力与解决物理问题思维的方法,重视学生的学习效率。以大学生为主体,让每一个学生在半导体物理学习的过程中都有展示的机会,让学生的情感、知识、能力都能得到培养与提升,促进学生内涵式发展。在核心素养理念下,高校半导体物理课程教学改革还需不断的完善,只有将学科的核心素养融入到课程改革之中,才能促进学生的全面发展。

参考文献:

[1]苏锦绣.基于“核心素养”的高效教学模式———“导学研讨,训练拓展”教学实践探究[J].福建基础教育研究,2016(11):21-23.

[2]刘新阳,裴新宁.教育变革期的政策机遇与挑战———欧盟核心素养的实施与评价[J].全球教育展望,2014(4):38-42.

[3]陈敏,吴宝莹.数学核心素养的培养———从教学过程的维度[J].教育研究与评论,2015(4):45-47.

[4]钟启泉.基于核心素养的课程发展:挑战与课题[J].全球教育展望,2016(1):3-25.

[5]辛涛,姜宇,王烨辉.基于学生核心素养的课程体系建构[J].北京师范大学学报:社会科学版,2014(1):5-11.

作者:鲁麟 吕琛 代广珍 单位:安徽工程大学

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