面向應(yīng)用型本科院校的微電子類課程體系建設(shè)與實踐

馬湘蓉　花濤

摘 要 以南京工程學院校訓“學以致用”為目標，從課程的特點和學生實際出發(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)知識的傳授，又注重學科前沿及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，力求使得學生對微電子類課程進行系統(tǒng)的學習后，較好地掌握微電子類課程的核心內(nèi)容和設(shè)計方法，為培養(yǎng)高水平和高素質(zhì)的高級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；學以致用

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0072-03

Construction and Practice of Microelectronics Class Curriculum oriented to Applied Colleges//MA Xiangrong， HUA Tao

Abstract The school motto of Nanjing Institute of technology is that study for the purpose of application， application ability training system for microelectronics class curriculum is constructed based on the course characteristic and students facts to achieve school motto， this system not only attaches importance to traditional knowledge teaching， but also does development of subject frontiers and innovation ability， the reformation make students better master central content and design method after systematic learning of microelectronics class curriculum， and lay a reliable foundation for training high quality senior engineering talents.

Key words applied colleges； microelectronics class curriculum； study for the purpose of application

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)運而生并快速發(fā)展。其涵蓋內(nèi)容廣泛，包括電路設(shè)計、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”，會議的主題定為“把握機遇，共促中國集成電路產(chǎn)業(yè)大跨越”。與會者對國內(nèi)外微電子技術(shù)的發(fā)展進行了廣泛而深入的交流，認為我國當前的微電子技術(shù)的發(fā)展還存在廣闊的發(fā)展空間，還遠未達到市場的要求，且技術(shù)創(chuàng)新遠遠落后于發(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)化指引到一個新的發(fā)展層次[2]。受國家政策驅(qū)動，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，作為擔負培養(yǎng)人才重任的高校，理所當然應(yīng)該承擔起此項任務(wù)。如何培養(yǎng)合格的人才，既具有扎實的理論基礎(chǔ)知識、過硬的專業(yè)知識，又兼具創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，是擺在每個高校面前的一個非?，F(xiàn)實的問題。

市場雖然需要理論基礎(chǔ)扎實的創(chuàng)新型微電子人才，但工程應(yīng)用型人才的缺口更大。對于應(yīng)用型人才的標準，指的是指德、智、體、美等方面全面發(fā)展，在設(shè)定培養(yǎng)目標時，更加注重專業(yè)知識和技能的培養(yǎng)，是以實踐動手能力為核心，在教學中除理論知識外，加大實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，更加注重技術(shù)性、實踐性和應(yīng)用性。培養(yǎng)的學生比高職高專的學生理論基礎(chǔ)知識更深厚，而實踐動手能力比傳統(tǒng)本科生要強[3]。

面對國內(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)計企業(yè)也在不斷發(fā)展，希望在這個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的理論基礎(chǔ)知識，需要的是工程應(yīng)用型人才。面對這樣的市場需求，作為培養(yǎng)人才的搖籃，高校應(yīng)主動適應(yīng)市場需求，沒有必要太注重學生層次的拔高，更應(yīng)注重培養(yǎng)出具有掌握實用知識和技能的專業(yè)人才。

很多國內(nèi)高校已經(jīng)充分認識到這個問題的癥結(jié)，在培養(yǎng)方式上進行諸多改革和創(chuàng)新[4]，提出須以夯實課程基礎(chǔ)、優(yōu)化課程體系、加強實踐教學和注重創(chuàng)業(yè)與就業(yè)教育為重點，側(cè)重學科、專業(yè)知識的學習和專業(yè)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)在微電子方面具有扎實的理論基礎(chǔ)、較強的實踐動手能力和一定的創(chuàng)新精神的微電子相關(guān)領(lǐng)域的高級工程型人才。

2 微電子類課程體系的特點與現(xiàn)狀

電子科學與技術(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實踐來看，微電子類課程的教學特點表現(xiàn)為課程知識難度高，專業(yè)性很強；培養(yǎng)體系實踐性很強，而能提供實踐教學的設(shè)施及維護費用非常高。南京工程學院電子科學與技術(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體物理、新型微電子器件、集成電路設(shè)計等課程，這次修訂除注重培養(yǎng)學生理論知識，尤其強調(diào)實踐動手能力的培養(yǎng)，要求大力加強理論基礎(chǔ)教學，培養(yǎng)具有動手實踐能力的學以致用的應(yīng)用型人才。因此，傳統(tǒng)的課堂教學和一般性的實訓教學已經(jīng)不是很適用。

作為微電子技術(shù)的前期基礎(chǔ)內(nèi)容，半導體物理研究、半導體材料和器件的基本性能與內(nèi)在機理是該方向的重要理論基礎(chǔ)內(nèi)容。半導體物理是半導體科學的理論基礎(chǔ)，是多個相關(guān)專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，但該課程理論抽象，數(shù)學物理的知識點較多，學生普遍反映該課程枯燥、抽象、用處不大。對于缺乏一定前期基礎(chǔ)知識的學生來說，該課程在學習和理解上的確會有很大的難度。教師首先必須在熟悉半導體工藝和集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，化繁為簡，不要過多沉醉于理論推導，盡可能結(jié)合實際問題，提高學生的學習興趣，以期提高半導體物理課程的教學質(zhì)量。

2015年5月8日公布的《中國制造2025》中明確指出，必須盡快實現(xiàn)由集成電路生產(chǎn)制造大國向集成電路研發(fā)強國的轉(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到的目標。這一目標的實現(xiàn)直接取決于該課程教學效果的好壞，但當前新型微電子器件課程的教學效果在部分高校并不理想。究其根本原因，實質(zhì)上是以往教學中所運用的教學模式已不再適應(yīng)新形勢下新型微電子器件課程的教育教學。

因此，如何針對信息化環(huán)境下對新型微電子器件課程教學的新要求和新特點，探索與提煉微電子類課程新的、信息化的教學模式，成為當前亟待解決的新問題，也是本學科組研究的重點。另外，從新型微電子器件課程教學的重要性來講，它的教學內(nèi)容不僅是學生必須掌握的重要知識，還與半導體物理、集成電路設(shè)計等一系列核心課程一脈相承，互為前提。因此，該課程教學效果的好壞直接影響著本專業(yè)一系列課程群教學質(zhì)量的好壞。

集成電路設(shè)計是高校電子科學與技術(shù)、微電子科學與工程等相關(guān)專業(yè)的主要課程，該課程的教學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)計是該課程的主要重點。當前，集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對集成電路設(shè)計課程提出新的要求，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，需對現(xiàn)有的培養(yǎng)模式進行改革。本課程涉及整個集成電路的生成過程，其內(nèi)容包括電路設(shè)計、工藝、測試等一系列的生產(chǎn)流程，高等學校不可能具備整個流程的實踐條件，通過構(gòu)建微電子器件和集成電路設(shè)計仿真平臺的解決辦法，以彌補實驗硬件條件的不足。實踐教學首先應(yīng)采用新的和產(chǎn)業(yè)接近的集成電路設(shè)計工具，讓學生能掌握這些專用的設(shè)計工具，通過這些電路設(shè)計工具，彌補高校實驗室硬件條件的不足，同時增加綜合性的實驗和設(shè)計內(nèi)容，使學生經(jīng)歷融合理論、實驗、技能和設(shè)計的系統(tǒng)技術(shù)訓練。

3 課程體系的建設(shè)與實踐

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體物理等基礎(chǔ)知識部分和集成電路相關(guān)的內(nèi)容。如前所述，半導體物理是微電子類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涵蓋半導體材料結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)等內(nèi)容，為學生后續(xù)的課程學習打下基礎(chǔ)。該課程主要的特點是理論性較強，較為抽象，數(shù)學物理知識要求較高，現(xiàn)有的教學模式是傳統(tǒng)被動式的講授，單一的教學模式導致學生學習興趣不高，實驗環(huán)節(jié)薄弱。半導體物理應(yīng)注重理論和實驗的結(jié)合，現(xiàn)階段開設(shè)的實驗偏于簡單，效果不好。

針對教學現(xiàn)狀，在教學中嘗試將研究性的教學思想融入其中，重點是培養(yǎng)學生的學習興趣，激發(fā)學生的學習熱情。將科研過程中涉及半導體物理知識的一些研究問題與解決方法滲入到半導體物理的教學中，引導學生自主學習；通過引入研究性的學習方法，讓學生查找資料，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，引導學生自己思考，在課堂上教師加以引導，進行更進一步的點評。這樣可以大大激發(fā)學生的學習熱情，體會到這些理論知識是非常有用的，不是干巴巴的。知識因此變得鮮活起來，學生能夠較好地理解并掌握相關(guān)理論，即使暫時沒有應(yīng)用的理論，也能認真地加以學習。

2）利用現(xiàn)在比較先進的集成電路仿真模擬軟件如Cadence，可實現(xiàn)對器件工藝的仿真功能，讓學生熟悉一些因素的改變對器件性能的影響，能彌補學校沒有完整的生產(chǎn)線，又無法到真正的企業(yè)去參觀實習的缺陷。利用軟件可實現(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踐教學的改革與探索，主要以實踐教學內(nèi)容項目為引導，積極鼓勵教師申報這方面的教學實踐科研課題，為學生提供課外教學的實踐活動并培養(yǎng)他們的科研素質(zhì)，為大學生創(chuàng)新及創(chuàng)新學分的獲取提供條件。

3）集成電路設(shè)計課程具有涉及面廣和綜合性強的特點，需要學生熟悉各種電子設(shè)計自動化工具，實踐能力強。隨著電子設(shè)計自動化工具的不斷發(fā)展，在電路設(shè)計的每一個階段，電路設(shè)計人員可以通過計算機完成電路設(shè)計的部分或全部的相關(guān)內(nèi)容。該課程的相關(guān)教學工作量比較大，要完成一個電路芯片的設(shè)計，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，同時要通過實驗熟悉各種電子設(shè)計自動化工具的使用，這就對該課程的教學內(nèi)容提出更多的要求。

本學科組結(jié)合應(yīng)用型本科的教學實際，以校訓“學以致用”為目標，在準確把握應(yīng)用型本科集成電路設(shè)計課程目標、大綱和標準，合理利用各種課程資源的前提下，進行課堂創(chuàng)新教學，確立學生主體、教師主導的課堂角色地位，以調(diào)動學生學習積極性，激發(fā)學生的學習熱情為目標。學生充分感受到學有所用而建立專業(yè)興趣與信心，通過課程設(shè)計、實習實訓和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)受到工程實踐、集成電路設(shè)計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)字化教學資源庫，通過教學改革做到理論聯(lián)系實踐、基礎(chǔ)和前沿并舉、鼓勵創(chuàng)新和協(xié)作，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效益的課堂教學新模式。

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踐教學存在的不足，現(xiàn)行的課程不能較好地提供給學生足夠的學科相關(guān)訓練。在實際教學中，采用一種分層次的教學方法，開始部分進行基礎(chǔ)知識的傳授，隨后講授高層次的內(nèi)容。通過這種教學方式，由簡入繁，循序漸進，結(jié)合實踐教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生分析問題和實踐動手的能力。在進入專業(yè)課程教學后，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培養(yǎng)通路。教學中依據(jù)混合式立體化教學模式的核心思想，即以課程教學為單元，以能力培養(yǎng)為軸心，以教學資源為平臺，動用所有教學要素立體化、全方位地融教與學為一體，設(shè)計并制作微電子類課程教學資源庫，提高教學效率的同時，提高學生學習效率。

分層次的教學本質(zhì)上是綜合多種教學資源，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行融合的知識體系結(jié)構(gòu)，逐層加深課程內(nèi)容，將課程內(nèi)容、課堂教學、網(wǎng)絡(luò)教學和實踐教學相結(jié)合，達到激發(fā)學生學習熱情、提高學習興趣的目的，而其中最重要的就是多種教學資源的搜集和整理。

建立全方位的課程實踐能力培養(yǎng)體系 微電子相關(guān)專業(yè)的課程體系以理論與實踐相結(jié)合為特質(zhì)，在有效的課堂教學、完善的實踐環(huán)節(jié)、精選的實驗項目、工程性的課程設(shè)計、協(xié)同合作的實習實訓項目及獨立完成的畢設(shè)等全方位構(gòu)建課程實踐體系，科學合理建設(shè)較為完善的微電子類課程實踐能力培養(yǎng)體系。在微電子類課程教學中包含大量工藝流程和工藝實施后的硅片剖面圖、結(jié)構(gòu)圖和原理圖，以及工藝實施過程視頻片段，需要大量的多媒體資源的支持。同時，半導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資源。

4 結(jié)語

本文通過分析南京工程學院電子科學與技術(shù)專業(yè)微電子類課程體系的現(xiàn)狀，分別針對半導體物理、新型微電子器件和集成電路設(shè)計等課程的特點以及實踐教學中存在的問題，通過課程體系整體優(yōu)化，科學處理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程、課堂理論教學與課外教學指導、理論與實踐、主干學科與相鄰學科等方面關(guān)系，注意強化實踐能力的培養(yǎng)，依據(jù)實施情況，不斷對實驗教學內(nèi)容、教學方法、教學手段進行改進，加強校外和校內(nèi)實習基地的建設(shè)。在混合式學習和分層次立體化教學的研究基礎(chǔ)上，針對微電子類課程的教學特點，從課堂教學、網(wǎng)絡(luò)教學和實踐教學三個立體面展開研究，力求使得該專業(yè)學生對微電子類課程進行系統(tǒng)學習后，較好地掌握微電子類課程體系的核心內(nèi)容和設(shè)計方法。建立知識結(jié)構(gòu)的分層次立體化、理論與實際相結(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先行者，為培養(yǎng)“學以致用”的創(chuàng)新型人才提供強有力的支持。

參考文獻

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