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面向應(yīng)用型本科院校的微電子類課程體系建設(shè)與實(shí)踐的論文
摘 要 ：以南京工程學(xué)院校訓(xùn)“學(xué)以致用”為目標(biāo)，從課程的特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際出發(fā)，建設(shè)微電子類課程混合式分層次立體化的應(yīng)用能力培養(yǎng)體系，既重視傳統(tǒng)知識(shí)的傳授，又注重學(xué)科前沿及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，力求使得學(xué)生對(duì)微電子類課程進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)后，較好地掌握微電子類課程的核心內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法，為培養(yǎng)高水平和高素質(zhì)的高級(jí)工程人才打下可靠的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科；微電子類課程體系；學(xué)以致用
1 引言
隨著集成電路和大規(guī)模集成電路的不斷更新和發(fā)展，微電子工程與技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展。其涵蓋內(nèi)容廣泛，包括電路設(shè)計(jì)、材料制備等一系列的技術(shù)，具有較長的產(chǎn)業(yè)鏈，是信息技術(shù)和高科技的核心內(nèi)容。2015年10月29日在北京召開“第十六屆北京微電子國際研討會(huì)”，會(huì)議的主題定為“把握機(jī)遇，共促中國集成電路產(chǎn)業(yè)大跨越”。與會(huì)者對(duì)國內(nèi)外微電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了廣泛而深入的交流，認(rèn)為我國當(dāng)前的微電子技術(shù)的發(fā)展還存在廣闊的發(fā)展空間，還遠(yuǎn)未達(dá)到市場的要求，且技術(shù)創(chuàng)新遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)展的步伐[1]。
2015年5月8日，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》這一戰(zhàn)略性的綱要，為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了制度和政策的保障，將我國微電子技術(shù)的發(fā)展及集成電路的產(chǎn)業(yè)化指引到一個(gè)新的發(fā)展層次[2]。受國家政策驅(qū)動(dòng)，集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展掀起新高潮，但微電子人才的短缺是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，作為擔(dān)負(fù)培養(yǎng)人才重任的高校，理所當(dāng)然應(yīng)該承擔(dān)起此項(xiàng)任務(wù)。如何培養(yǎng)合格的人才，既具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)、過硬的專業(yè)知識(shí)，又兼具創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，是擺在每個(gè)高校面前的一個(gè)非�，F(xiàn)實(shí)的問題。
市場雖然需要理論基礎(chǔ)扎實(shí)的創(chuàng)新型微電子人才，但工程應(yīng)用型人才的缺口更大。對(duì)于應(yīng)用型人才的標(biāo)準(zhǔn)，指的是指德、智、體、美等方面全面發(fā)展，在設(shè)定培養(yǎng)目標(biāo)時(shí)，更加注重專業(yè)知識(shí)和技能的培養(yǎng)，是以實(shí)踐動(dòng)手能力為核心，在教學(xué)中除理論知識(shí)外，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，更加注重技術(shù)性、實(shí)踐性和應(yīng)用性。培養(yǎng)的學(xué)生比高職高專的學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)更深厚，而實(shí)踐動(dòng)手能力比傳統(tǒng)本科生要強(qiáng)[3]。
面對(duì)國內(nèi)迅猛發(fā)展的微電子市場，大量國外微電子制造業(yè)巨頭爭相登陸中國，國內(nèi)一些中小規(guī)模的微電子制造設(shè)計(jì)企業(yè)也在不斷發(fā)展，希望在這個(gè)巨大的市場分得一杯羹。這些企業(yè)無疑需要大量的微電子人才，但他們需要的人才不要求掌握非常扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，需要的是工程應(yīng)用型人才。面對(duì)這樣的市場需求，作為培養(yǎng)人才的搖籃，高校應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)市場需求，沒有必要太注重學(xué)生層次的拔高，更應(yīng)注重培養(yǎng)出具有掌握實(shí)用知識(shí)和技能的專業(yè)人才。
很多國內(nèi)高校已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題的癥結(jié)，在培養(yǎng)方式上進(jìn)行諸多改革和創(chuàng)新[4]，提出須以夯實(shí)課程基礎(chǔ)、優(yōu)化課程體系、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)和注重創(chuàng)業(yè)與就業(yè)教育為重點(diǎn)，側(cè)重學(xué)科、專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和專業(yè)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)在微電子方面具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力和一定的創(chuàng)新精神的微電子相關(guān)領(lǐng)域的高級(jí)工程型人才。
2 微電子類課程體系的特點(diǎn)與現(xiàn)狀
電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)模式、數(shù)量規(guī)模和市場的關(guān)系是緊密相連的，是一種相互制約又相輔相成的辯證關(guān)系。結(jié)合這些年各高校的教學(xué)實(shí)踐來看，微電子類課程的教學(xué)特點(diǎn)表現(xiàn)為課程知識(shí)難度高，專業(yè)性很強(qiáng)；培養(yǎng)體系實(shí)踐性很強(qiáng)，而能提供實(shí)踐教學(xué)的設(shè)施及維護(hù)費(fèi)用非常高。南京工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2015年新的培養(yǎng)方案里的微電子類課程主要有半導(dǎo)體物理、新型微電子器件、集成電路設(shè)計(jì)等課程，這次修訂除注重培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)，尤其強(qiáng)調(diào)實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，要求大力加強(qiáng)理論基礎(chǔ)教學(xué)，培養(yǎng)具有動(dòng)手實(shí)踐能力的學(xué)以致用的應(yīng)用型人才。因此，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和一般性的實(shí)訓(xùn)教學(xué)已經(jīng)不是很適用。
作為微電子技術(shù)的前期基礎(chǔ)內(nèi)容，半導(dǎo)體物理研究、半導(dǎo)體材料和器件的基本性能與內(nèi)在機(jī)理是該方向的重要理論基礎(chǔ)內(nèi)容。半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是多個(gè)相關(guān)專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，但該課程理論抽象，數(shù)學(xué)物理的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生普遍反映該課程枯燥、抽象、用處不大。對(duì)于缺乏一定前期基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生來說，該課程在學(xué)習(xí)和理解上的確會(huì)有很大的難度。教師首先必須在熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，化繁為簡，不要過多沉醉于理論推導(dǎo)，盡可能結(jié)合實(shí)際問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以期提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
2015年5月8日公布的《中國制造2025》中明確指出，必須盡快實(shí)現(xiàn)由集成電路生產(chǎn)制造大國向集成電路研發(fā)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，而轉(zhuǎn)變的核心任務(wù)在于培養(yǎng)一批高質(zhì)量的與國際先進(jìn)技術(shù)接軌的超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)人才，這也是新型微電子器件這門課程所要達(dá)到的目標(biāo)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)直接取決于該課程教學(xué)效果的好壞，但當(dāng)前新型微電子器件課程的教學(xué)效果在部分高校并不理想。究其根本原因，實(shí)質(zhì)上是以往教學(xué)中所運(yùn)用的教學(xué)模式已不再適應(yīng)新形勢下新型微電子器件課程的教育教學(xué)。
因此，如何針對(duì)信息化環(huán)境下對(duì)新型微電子器件課程教學(xué)的新要求和新特點(diǎn)，探索與提煉微電子類課程新的、信息化的教學(xué)模式，成為當(dāng)前亟待解決的新問題，也是本學(xué)科組研究的重點(diǎn)。另外，從新型微電子器件課程教學(xué)的重要性來講，它的教學(xué)內(nèi)容不僅是學(xué)生必須掌握的重要知識(shí)，還與半導(dǎo)體物理、集成電路設(shè)計(jì)等一系列核心課程一脈相承，互為前提。因此，該課程教學(xué)效果的好壞直接影響著本專業(yè)一系列課程群教學(xué)質(zhì)量的好壞。
集成電路設(shè)計(jì)是高校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)的主要課程，該課程的教學(xué)改革也是微電子類課程的重要內(nèi)容，模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)是該課程的主要重點(diǎn)。當(dāng)前，集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)集成電路設(shè)計(jì)課程提出新的要求，傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已經(jīng)不能適應(yīng)市場發(fā)展的需求。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，需對(duì)現(xiàn)有的培養(yǎng)模式進(jìn)行改革。本課程涉及整個(gè)集成電路的生成過程，其內(nèi)容包括電路設(shè)計(jì)、工藝、測試等一系列的生產(chǎn)流程，高等學(xué)校不可能具備整個(gè)流程的實(shí)踐條件，通過構(gòu)建微電子器件和集成電路設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)的解決辦法，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)硬件條件的不足。實(shí)踐教學(xué)首先應(yīng)采用新的和產(chǎn)業(yè)接近的集成電路設(shè)計(jì)工具，讓學(xué)生能掌握這些專用的設(shè)計(jì)工具，通過這些電路設(shè)計(jì)工具，彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)室硬件條件的不足，同時(shí)增加綜合性的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)內(nèi)容，使學(xué)生經(jīng)歷融合理論、實(shí)驗(yàn)、技能和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)技術(shù)訓(xùn)練。
3 課程體系的建設(shè)與實(shí)踐
以微電子技術(shù)為主干的專業(yè)課程體系的建設(shè)
1）微電子課程包括半導(dǎo)體物理等基礎(chǔ)知識(shí)部分和集成電路相關(guān)的內(nèi)容。如前所述，半導(dǎo)體物理是微電子類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涵蓋半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)等內(nèi)容，為學(xué)生后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。該課程主要的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，較為抽象，數(shù)學(xué)物理知識(shí)要求較高，現(xiàn)有的教學(xué)模式是傳統(tǒng)被動(dòng)式的講授，單一的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱。半導(dǎo)體物理應(yīng)注重理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，現(xiàn)階段開設(shè)的實(shí)驗(yàn)偏于簡單，效果不好。
針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)中嘗試將研究性的教學(xué)思想融入其中，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將科研過程中涉及半導(dǎo)體物理知識(shí)的一些研究問題與解決方法滲入到半導(dǎo)體物理的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；通過引入研究性的學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生查找資料，關(guān)注微電子領(lǐng)域的最新科研成果；結(jié)合書本的理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生自己思考，在課堂上教師加以引導(dǎo)，進(jìn)行更進(jìn)一步的點(diǎn)評(píng)。這樣可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，體會(huì)到這些理論知識(shí)是非常有用的，不是干巴巴的。知識(shí)因此變得鮮活起來，學(xué)生能夠較好地理解并掌握相關(guān)理論，即使暫時(shí)沒有應(yīng)用的理論，也能認(rèn)真地加以學(xué)習(xí)。
2）利用現(xiàn)在比較先進(jìn)的集成電路仿真模擬軟件如Cadence，可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件工藝的仿真功能，讓學(xué)生熟悉一些因素的改變對(duì)器件性能的影響，能彌補(bǔ)學(xué)校沒有完整的生產(chǎn)線，又無法到真正的企業(yè)去參觀實(shí)習(xí)的缺陷。利用軟件可實(shí)現(xiàn)整條流水線的生產(chǎn)工藝過程。本專業(yè)的新型微電子器件實(shí)踐教學(xué)的改革與探索，主要以實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目為引導(dǎo)，積極鼓勵(lì)教師申報(bào)這方面的教學(xué)實(shí)踐科研課題，為學(xué)生提供課外教學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)并培養(yǎng)他們的科研素質(zhì)，為大學(xué)生創(chuàng)新及創(chuàng)新學(xué)分的獲取提供條件。
3）集成電路設(shè)計(jì)課程具有涉及面廣和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，需要學(xué)生熟悉各種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，實(shí)踐能力強(qiáng)。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的不斷發(fā)展，在電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，電路設(shè)計(jì)人員可以通過計(jì)算機(jī)完成電路設(shè)計(jì)的部分或全部的相關(guān)內(nèi)容。該課程的相關(guān)教學(xué)工作量比較大，要完成一個(gè)電路芯片的設(shè)計(jì)，需要了解從器件基礎(chǔ)到電路搭建、電路仿真調(diào)試、版圖、工藝、封裝、測試等相關(guān)知識(shí)，同時(shí)要通過實(shí)驗(yàn)熟悉各種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的使用，這就對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容提出更多的要求。
本學(xué)科組結(jié)合應(yīng)用型本科的教學(xué)實(shí)際，以校訓(xùn)“學(xué)以致用”為目標(biāo)，在準(zhǔn)確把握應(yīng)用型本科集成電路設(shè)計(jì)課程目標(biāo)、大綱和標(biāo)準(zhǔn)，合理利用各種課程資源的前提下，進(jìn)行課堂創(chuàng)新教學(xué)，確立學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的課堂角色地位，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情為目標(biāo)。學(xué)生充分感受到學(xué)有所用而建立專業(yè)興趣與信心，通過課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)受到工程實(shí)踐、集成電路設(shè)計(jì)和基本科研能力的培養(yǎng)。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源庫，通過教學(xué)改革做到理論聯(lián)系實(shí)踐、基礎(chǔ)和前沿并舉、鼓勵(lì)創(chuàng)新和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效益的課堂教學(xué)新模式。
建立微電子類課程混合式、層次化的應(yīng)用能力培養(yǎng)體系 基于上述微電子類課程理論和實(shí)踐教學(xué)存在的不足，現(xiàn)行的課程不能較好地提供給學(xué)生足夠的學(xué)科相關(guān)訓(xùn)練。在實(shí)際教學(xué)中，采用一種分層次的教學(xué)方法，開始部分進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，隨后講授高層次的內(nèi)容。通過這種教學(xué)方式，由簡入繁，循序漸進(jìn)，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和實(shí)踐動(dòng)手的能力。在進(jìn)入專業(yè)課程教學(xué)后，逐步建立電子材料、制造工藝、電子器件、基本單元電路的課程體系，打通自頂向下的知識(shí)培養(yǎng)通路。教學(xué)中依據(jù)混合式立體化教學(xué)模式的核心思想，即以課程教學(xué)為單元，以能力培養(yǎng)為軸心，以教學(xué)資源為平臺(tái)，動(dòng)用所有教學(xué)要素立體化、全方位地融教與學(xué)為一體，設(shè)計(jì)并制作微電子類課程教學(xué)資源庫，提高教學(xué)效率的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。
分層次的教學(xué)本質(zhì)上是綜合多種教學(xué)資源，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段和方法，構(gòu)建將微電子類課程進(jìn)行融合的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，逐層加深課程內(nèi)容，將課程內(nèi)容、課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)興趣的目的，而其中最重要的就是多種教學(xué)資源的搜集和整理。
建立全方位的課程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系 微電子相關(guān)專業(yè)的課程體系以理論與實(shí)踐相結(jié)合為特質(zhì)，在有效的課堂教學(xué)、完善的實(shí)踐環(huán)節(jié)、精選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、工程性的課程設(shè)計(jì)、協(xié)同合作的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及獨(dú)立完成的畢設(shè)等全方位構(gòu)建課程實(shí)踐體系，科學(xué)合理建設(shè)較為完善的微電子類課程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。在微電子類課程教學(xué)中包含大量工藝流程和工藝實(shí)施后的硅片剖面圖、結(jié)構(gòu)圖和原理圖，以及工藝實(shí)施過程視頻片段，需要大量的多媒體資源的支持。同時(shí)，半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)的變化遵循摩爾定律的快節(jié)奏，有必要將國內(nèi)外紛繁多樣的多媒體資源收集并積累起來，建立微電子類課程資源支持系統(tǒng)，并隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷地更新和完善其中的教學(xué)資源。
4 結(jié)語
本文通過分析南京工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微電子類課程體系的現(xiàn)狀，分別針對(duì)半導(dǎo)體物理、新型微電子器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程的特點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，通過課程體系整體優(yōu)化，科學(xué)處理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程、課堂理論教學(xué)與課外教學(xué)指導(dǎo)、理論與實(shí)踐、主干學(xué)科與相鄰學(xué)科等方面關(guān)系，注意強(qiáng)化實(shí)踐能力的培養(yǎng)，依據(jù)實(shí)施情況，不斷對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)校外和校內(nèi)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)。在混合式學(xué)習(xí)和分層次立體化教學(xué)的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)微電子類課程的教學(xué)特點(diǎn)，從課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)三個(gè)立體面展開研究，力求使得該專業(yè)學(xué)生對(duì)微電子類課程進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，較好地掌握微電子類課程體系的核心內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法。建立知識(shí)結(jié)構(gòu)的分層次立體化、理論與實(shí)際相結(jié)合的培養(yǎng)體系，全方位培養(yǎng)本專業(yè)畢業(yè)生的理論基礎(chǔ)與工程實(shí)踐能力，最終構(gòu)建改革微電子類課程體系的方式與方法，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，為本專業(yè)一系列課程群的全面改革做一個(gè)先行者，為培養(yǎng)“學(xué)以致用”的創(chuàng)新型人才提供強(qiáng)有力的支持。
參考文獻(xiàn)
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