《微納米制造技術(shù)及理論》課程的精品化教學(xué)探索

蔣永剛 張德遠(yuǎn) 蔡軍 陳華偉

摘要：本文從《微納米制造技術(shù)及理論課程》的內(nèi)容精品化、虛擬科研實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展三個(gè)方面做了一些探討，并認(rèn)為通過實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突出、邏輯性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，采用多元化的教學(xué)和考核方式，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)該課程的精品化教學(xué)。

關(guān)鍵詞：微納制造;教學(xué)方法;虛擬科研;虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）44-0090-02

一、微納米制造技術(shù)課程的背景及特點(diǎn)

微納米科學(xué)與技術(shù)已成為一種戰(zhàn)略性的、占主導(dǎo)地位的技術(shù)，被中國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)列為影響我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的八大問題之一。微納米制造技術(shù)通過在微納米尺度范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)的集成與控制，創(chuàng)造并使用新的材料和裝置，以實(shí)現(xiàn)不同功能的機(jī)電或機(jī)光電一體化智能系統(tǒng)，涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、物理、化學(xué)、材料、制造、生物、信息等多種學(xué)科，是制造技術(shù)的融合交叉新領(lǐng)域。教育部已經(jīng)將微機(jī)電工程列為機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科的五個(gè)二級(jí)學(xué)科之一，相當(dāng)多的高校陸續(xù)開設(shè)了相關(guān)課程?！段⒓{米制造技術(shù)及理論》作為微機(jī)電工程研究的入門課，提高其課堂教學(xué)的質(zhì)量，逐步開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常有必要的。我們?cè)诰坊虒W(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在教學(xué)實(shí)踐中探索了微納米制造技術(shù)及理論課程的虛擬實(shí)驗(yàn)與模擬科研教學(xué)法，并取得了較好的課堂效果。

二、精品化課程內(nèi)容

《微納米制造技術(shù)及理論》作為一門導(dǎo)論類課程，內(nèi)容涵蓋了微機(jī)械加工、半導(dǎo)體加工、納米制造和生物制造等種類繁多的微納米加工方法，且各制造方法的相關(guān)性不強(qiáng)，給教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)。結(jié)合本校特點(diǎn)，我們編排的課程內(nèi)容從分子操作到納米加工、從生物制造到仿生制造、從微細(xì)機(jī)械加工到微細(xì)特種加工、從集成電路工藝（IC工藝）到MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）構(gòu)成了結(jié)構(gòu)對(duì)稱的多學(xué)科制造技術(shù)。在體系編排上從納尺度制造到微尺度制造、從低維低復(fù)雜度制造到高維高復(fù)雜度制造、從探索前沿到實(shí)用產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了循序漸進(jìn)的知識(shí)體系?？傮w內(nèi)容涵蓋了機(jī)械、材料、電子等工程學(xué)科知識(shí)及物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的理論，培養(yǎng)了學(xué)科交叉創(chuàng)新的意識(shí)。

教學(xué)內(nèi)容組織首先強(qiáng)調(diào)“由理及表”，即從原理到應(yīng)用、從理論到實(shí)際，同時(shí)強(qiáng)調(diào)內(nèi)容來源的“鮮活性”，即緊密跟蹤國(guó)際前沿最新科學(xué)研究成果，緊跟國(guó)家戰(zhàn)略需求，最終使學(xué)生達(dá)到微納米制造技術(shù)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用等綜合能力的培養(yǎng)。

三、探索虛擬科研情景教學(xué)法

（一）虛擬科研情景教學(xué)

技術(shù)發(fā)展有不以人的意志為轉(zhuǎn)移的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，在講解某項(xiàng)微納制造技術(shù)時(shí)，可以通過講解該技術(shù)發(fā)明前的客觀需求、相關(guān)技術(shù)和理論發(fā)展水平來引領(lǐng)學(xué)生的思維，使學(xué)生站在研究者的角度去思考如何創(chuàng)造一種“新”的微納加工方法來解決面臨的“歷史”問題，從而引出具有內(nèi)在邏輯必然性的該項(xiàng)微細(xì)加工技術(shù)。例如在講解深硅等離子刻蝕技術(shù)時(shí)，我們首先講解加速度傳感器的歷史現(xiàn)狀，為提高其靈敏度，亟需高深寬比微納結(jié)構(gòu)的加工方法，而當(dāng)時(shí)的硅化學(xué)刻蝕方法，無法實(shí)現(xiàn)高深寬比的微納加工;等離子加工技術(shù)和理論已在集成電路加工中獲得應(yīng)用，如何開展基于等離子刻蝕技術(shù)的高深寬比硅加工成為當(dāng)時(shí)的熱門研究課題。學(xué)生從科學(xué)探索的角度和教師一起從化學(xué)原理的角度分析基于“SF6+O2”的加工方法，逐漸引出在通用的BOSCH深硅加工工藝。這種基于虛擬科研情景再現(xiàn)的授課方式，不但提高了學(xué)生的注意力，還使學(xué)生從一個(gè)研究者的角度去思考問題，輕松掌握了該微納米制造技術(shù)的用途、原理和特點(diǎn)。

（二）多媒體輔助虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

微納米制造技術(shù)及理論課程知識(shí)涵蓋面廣、信息量大，而教學(xué)時(shí)間僅有32個(gè)學(xué)時(shí)，如何提高課堂效率成為一個(gè)重要問題。除了突出重點(diǎn)，在微納尺度效應(yīng)、微機(jī)械切削原理、體微硅制造、表面微加工等方面深入講解外，在裝備原理、工藝過程等方面通過多媒體等手段增加形象認(rèn)識(shí)是非常有必要的。例如，光刻過程包含清洗、烘干、涂膠、前烘、對(duì)準(zhǔn)、曝光、后烘、顯影、顯影檢查、顯影硬烘等多步工藝，我們?cè)谘芯可n的講解中采用了傳統(tǒng)的講授方法，由于多數(shù)學(xué)生對(duì)相關(guān)工藝過程不了解，既不容易抓住重點(diǎn)，也不容易提起興趣。而在留學(xué)生課的教學(xué)中，在給學(xué)生講授了光刻的基本原理的基礎(chǔ)上，我們采用了播放光刻過程實(shí)景錄像，穿插關(guān)鍵點(diǎn)講解的教學(xué)方式，這樣既提高了課堂效率，又吸引了學(xué)生的興趣，加深了理解的形象化程度。

（三）虛擬科研的考核方式

在《微納米制造技術(shù)及理論》的課程考核中，過去我們多依賴閉卷考試的方式，閉卷考試能考察學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握，督促學(xué)生在課后進(jìn)行重點(diǎn)內(nèi)容的復(fù)習(xí)和掌握。而在本輪的改革嘗試中，我們?cè)黾恿艘髮W(xué)生寫一個(gè)課程總結(jié)的考核方式。這份課程總結(jié)不是對(duì)本課程主要內(nèi)容的綜述，而是針對(duì)某一項(xiàng)微納米制造技術(shù)的現(xiàn)狀綜述，并給出一個(gè)利用該種加工工藝制作某種新型微結(jié)構(gòu)或微器件的創(chuàng)新性提案。雖然多數(shù)學(xué)生的提案可行性不大，但至少達(dá)到了使學(xué)生站在一個(gè)科研工作者的角度去了解并利用微納米制造技術(shù)的教學(xué)目的。

（四）微納米制造課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過虛擬科研實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，雖然能在一定程度上增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，但給人最深刻的認(rèn)識(shí)一般還是從實(shí)踐中獲得的。《微納米制造技術(shù)及理論》作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一項(xiàng)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。但本校尚未設(shè)立微機(jī)電系統(tǒng)工程專業(yè)，也沒有相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，因此開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度很大。為此，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)克服困難，采取特定時(shí)間開放科研環(huán)境，與教學(xué)并用的方案，安排了三堂精彩的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。首先為使學(xué)生對(duì)微納米制造以直觀的認(rèn)識(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室展示了基于仿生制造技術(shù)的功能表面、基于生物制造技術(shù)的功能顆粒、基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的微傳感器等成果，并給學(xué)生展示了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、加工設(shè)備及原理。為進(jìn)一步加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)，我們分組進(jìn)行了光刻工藝試驗(yàn)和濺射工藝試驗(yàn)，使學(xué)生體驗(yàn)并認(rèn)識(shí)到加工過程中的難點(diǎn)和技巧，給學(xué)生留下了深刻的印象，加深了對(duì)課堂知識(shí)的認(rèn)識(shí)。此外，通過與半導(dǎo)體加工條件較好的科研單位合作，以創(chuàng)造更優(yōu)良的教學(xué)參觀環(huán)境，相信能使學(xué)生獲得更深刻的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)微納米制造工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語

微納米制造技術(shù)發(fā)展迅速，制造學(xué)科高年級(jí)本科生或研究生具有掌握微納米制造的基礎(chǔ)知識(shí)，了解其最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)及技術(shù)現(xiàn)狀的強(qiáng)烈需求。要在有限的課堂時(shí)間內(nèi)把豐富的微納制造相關(guān)內(nèi)容講授給知識(shí)背景和研究方向各不相同的學(xué)生具有極大的挑戰(zhàn)性。我們從精品化教學(xué)內(nèi)容以增強(qiáng)內(nèi)容間的邏輯性、開展虛擬科研實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的融合、改善實(shí)驗(yàn)條件加深學(xué)生感性認(rèn)識(shí)等三個(gè)方面做了初步探索，并取得了一定成效，力爭(zhēng)為微納米制造領(lǐng)域的教學(xué)改革和學(xué)生培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[2]張海霞，趙小林，譯.微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]唐道武.微機(jī)電系統(tǒng)課程教學(xué)改革的思考[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，（11）.

[4]劉曉明，劉民岷，徐尚龍，楊平.微機(jī)電系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)與方法研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（1）.

[5]龔紹文.大學(xué)青年教師教學(xué)入門[M].北京理工大學(xué)出版社，2006.