基于AI2的《半导体器件物理》课程辅助教学app设计

向兵，蒋俊华

(河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004)



基于AI2的《半导体器件物理》课程辅助教学app设计

向兵，蒋俊华

(河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004)

以App Inventor2开发环境为平台，使用其方便简洁、清晰明了的各种控件设计界面，利用它的拼图式图形堆叠模块搭建程序代码，并结合《半导体器件物理》的课程结构，开发了一个便于学生深入学习该门课的课程辅助教学app.以此来激发学生对于《半导体器件物理》这门重要课程的学习兴趣和热情，方便学生理解、记忆这门课程所涉及的主要概念、公式的推导过程以及各种物理现象和效应的形成过程，实现了教学模式的转变，提升了教学效果，更加契合在移动互联网时代成长起来的新一代大学生的学习方式的特点.

App Inventor2；半导体器件；应用程序；教学

0 引 言

“半导体器件物理”是我校电子信息科学与技术专业的一门重要专业基础课程.它以“半导体物理”等课程为基础，是相关专业后续“集成电路设计”等专业课程的先修课程.由于该课程具有系统性、理论性强，物理概念抽象，用到的物理公式多等特点，传统的板书教学虽然有直观、灵活、知识学习的步骤性强等特点，但也有效率低、图形图片展示不清晰彻底、能够展示的信息量小、复用性困难等缺点.尽管现在大力提倡多媒体教学，但大多数多媒体课件形式单一，与学生的互动性差，特别是对于公式推导，很难使学生的思维同步，不但不能激发学生的学习热情，反而易使学生产生大脑疲劳而达不到预期的教学效果，其教学质量的好坏直接影响到学生后续课程的学习[1].

在科学技术高速发展的今天，移动互联网以及智能手机凭借其方便、快捷、个性化、易于操作等优势逐渐渗透于社会生活的各个方面[2].人们利用网络和手机可以随时随地解决生活、学习以及工作中遇到的各种问题.考虑到现在安卓智能手机的普遍性，尤其现在的大学生对于手机的依赖性，所以我们利用App Inventor2这种便于操作和调试的环境来开发一个课程辅助app来帮助学生更好地学习这门课程，为学生高效率的学习提供了一个更为便捷、广阔的平台[3],也为“半导体器件物理”课程提供了一次提高理论教学和实践教学的有益尝试.

1 APP的界面及逻辑设计

为了方便学生学习使用，对于屏幕界面的基本要求是要尽可能使用较少的界面实现更多的功能，且所展示的内容要清晰明了，有条有理，让使用该课程辅助软件的同学能便捷地温习、掌握课程中的重点.根据以上分析,确定了本次设计中共需要14个界面来显示.包括1个初始进入界面，1个课程简介界面，5个基本概念界面，5个基本推导界面，1个动画演示界面和1个课后习题界面.界面之间的层次关系如图1.

图1 界面之间的层次关系

1.1 初始界面及“课程简介”界面设计

本app中教材选用电子工业出版社出版的由刘树林、张华曹、柴长春编著的《半导体器件物理》.这本书系统地介绍了常用半导体器件的工作原理及特性.首先介绍了半导体器件的基本材料以及半导体物理基础知识，然后又介绍了PN结的形成、特性等一些性能指标，接着讲述了双极性晶体管和MOS场效应晶体管的结构、工作原理、电流电压等方面的特性，最后介绍了一些其他半导体器件的应用和工作原理[4].

图2 初始界面 图3 “课程简介”界面

设计的初始界面的外观如图2.“课程简介”界面主要显示的是该课程的授课教师、所用教材、课程的基本内容的介绍.同时，还需要能够通过该界面进入“基本概念”、“基本推导”、“动画演示”、“课后习题”界面，也要能返回初始界面.这里为了美观也加了一幅河南大学的图像以期增加学生的新鲜感，通过视觉增加学生的学习动力，如图3.

1.2 “基本概念”，“基本推导”界面设计

概念多，公式推导多是《半导体器件物理》这门课的特点之一.对于一些基本概念，学生学习时往往是上课的时候听的很清楚，但课下如果不进行复习很快就会忘记；而对于一些公式推导，学生在课堂上要紧跟老师的思路，推导过程一步跟不上步步跟不上.以往的复习方法无外乎是要拿起书本走进自习室，过程繁琐而不方便.App中“基本概念”和“基本推导”的设计将使学生根据自己学习情况的不同而使复习过程变得非常实用、有效而且方便.

“基本概念”界面这部分包括5个界面，其中1个是总标题目录界面，另外4个分界面，各自展示的是每一章的基本概念，如图4、图5,分界面的逻辑设计如图7、图8.进入相关的分界面后点击“第一个”、“上一个”、“下一个”、“最后一个”等按钮可以查看关于半导体物理及半导体器件的共32个基本概念.“基本推导”界面与“基本概念”界面大同小异，也包括1个总标题目录界面和4个分界面共20个公式的推导.总标题目录界面的设计与“基本概念”的目录界面设计一样，只要把界面属性中的标题改为“《半导体器件物理》基本推导”即可，如图6.

图4 “基本概念”主界面 图5 第一章分界面 图6“基本推导”分界面

图7 分界面列表和全局变量的逻辑设计

图8 分界面按钮的逻辑设计

1.3 “动画演示”界面设计

对于物理教学而言，传统的板书教学最大的缺点就是无法展示物理现象的过程.例如半导体电子共有化运动产生的轨道分裂、PN结空间电荷区的形成、晶体管工作时载流子的输运、场效应管沟道的形成以及沟道夹断点的形成等等，对于这些抽象概念的理解往往需要学生在自己头脑中的想象.为了能让学生直观地看到物理现象发生的全过程，更好地理解物理概念，我们制作了一些动画来模拟半导体材料和半导体器件内部发生的物理现象过程.点击“第一个”，“上一个”，“播放”，“暂停”，“下一个”，“最后一个”等按钮可以控制播放8个主要的动画演示，如图9、图10.

图9 “动画演示”界面 图10“动画演示”界面 图11“相关习题”界面

1.4 “相关习题”界面设计

为了对所学知识进行巩固，对知识加深理解，提高学生的思维能力、提高学生综合运用知识的能力.我们设计了“相关习题”这个模块.“相关习题”是找了一些经典题型、各校考研初试的试卷，通过图片的形式呈现.共有“选择题”、“填空题”、“名词解释”、“计算题”这4种题型，如图11.在屏幕上方区域用图像组件选择性地显示不同类型的题目，用按钮来控制，逻辑控制同前面的“基本概念”、“基本推导”控制一样.

2 结束语

通过实践证明，该辅助教学app的开发对课程教学和学生自学具有较好的辅助作用.将理论授课和动画演示结合到手机app上，不仅可以实现了多媒体辅助教学的功能，而且避免了只有课件的多媒体教学容易出现的把黑板搬到屏幕上的缺陷，使抽象的理论知识形象化，有利于学生对知识点的理解、消化，提高了学生学习的积极性[5].同时，通过向学生开放源代码可激发学生编程的激情，不仅提高了本课程的教学效果，而且提高了学生的编程能力，更重要的是为本专业学生提高课堂教学效果，提高开放性思维和实践动手能力提供了一次有益的尝试.

[1]向兵,程秀英.基于Matlab GUI《半导体器件物理》教学仿真平台开发[J].实验科学与技术,2014,12(3)：47-48.

[2]李华.智能手机端教学实践研究[J].科技资讯,2014,27(1)：185.

[3]王萍.智能手机支持下的大学生移动学习研究[J].软件导刊,2014，13(4)：176-178.

[4]刘树林,张华曹,柴长春.半导体器件物理[M].北京：电子工业出版社,2010.

[5]吴明晖.面向计算思维的App Inventor2课程建设与实践[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2015,35(2)：93-97.

[责任编辑：徐明忠]

2017-04-20；

2017-05-08

河南省科技攻关项目(152102210055)

向兵(1968—)，男，湖南长沙人，河南大学副教授，硕士，主要从事半导体器件和半导体集成电路方面的教学、科研工作.

O47；TP391.9

A

1672-3600(2017)09-0103-03