材料加工模塊本科生課程研究性教學(xué)實踐

漢晶 郭福

摘 要 “電子封裝技術(shù)與材料”及“材料加工實驗”是北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為材料加工模塊大四本科生開設(shè)的專業(yè)必修課程。結(jié)合這兩門課程的教學(xué)大綱，教師在授課過程中開展研究性教學(xué)實踐，在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到專業(yè)知識重要性的基礎(chǔ)上，注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深入思考的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 研究性教學(xué)；創(chuàng)新思維；材料加工實驗；電子封裝技術(shù)與材料

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0073-03

Practice in Research Teaching on Undergraduate Courses of Materials Processing//HAN Jing， GUO Fu

Abstracts Electronic Packaging Technology and Materials and Experiments in Materials Processing are professional compulsory courses offered by School of Materials Science and Engineering， Beijing University of Technology. The target audiences are the senior

undergraduate students majored in materials processing. According to the syllabuses of the courses， based on the teaching practice of the

courses， we carried out the practice research teaching. It is necessary to clarify the importance of professional knowledge to the students. Moreover， we should guide and cultivate the innovative thinking of

the students. Therefore， students ability to learn independently， think

independently and analyze problems can be improved.

Key words research teaching； innovative thinking； experiments in materials processing； electronic packaging technology and materials

1 引言

早在1950年，美國心理學(xué)會主席吉爾福德在一次演講中首次提出創(chuàng)新的概念，并指出創(chuàng)新是具有創(chuàng)造能力人群的特點[1]。2005年，教育部發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》中明確指出：推動研究性教學(xué)，提高大學(xué)生創(chuàng)新能力[2]。近年來，我國在深化教育領(lǐng)域綜合改革方面取得顯著成果，習(xí)近平總書記在十九大報告中提出“實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”的目標(biāo)，并指出：創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的戰(zhàn)略支撐；要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強化基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。這為高校教師指明了方向，要在做好科研的基礎(chǔ)上，在教學(xué)方面勤于思考，做到理論與實踐相結(jié)合，為大學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

所謂研究性教學(xué)，是以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的一種教學(xué)方式。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，它更加注重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[3-5]。研究性教學(xué)由德國教育家洪堡首先提出，他強調(diào)大學(xué)教育要與研究有機結(jié)合，大學(xué)生要獨立從事研究，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]。可見，研究性教學(xué)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教師引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、深入思考，全面提升學(xué)生各方面的能力，有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為材料加工模塊大四本科生開設(shè)兩門專業(yè)必修課，分別為電子封裝技術(shù)與材料課程、材料加工實驗課程，其中材料加工實驗課程是材料加工模塊開設(shè)的唯一一門實驗課程。在2017—1018學(xué)年第一學(xué)期的電子封裝技術(shù)與材料課程及材料加工實驗課程教學(xué)過程中，根據(jù)本專業(yè)的學(xué)科特點，將先進(jìn)教育理論應(yīng)用到專業(yè)課教學(xué)過程中，注意結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)困惑，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，有的放矢地開展研究性教學(xué)實踐，取得一定的教學(xué)效果，提高了學(xué)生分析解決問題的能力和綜合素質(zhì)，在實際教學(xué)中認(rèn)真貫徹了十九大精神。

2 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要性，注重知識的積累

電子封裝技術(shù)與材料課程及材料加工實驗課程的開課時間均在每學(xué)年第一學(xué)期，此時正值學(xué)生考研復(fù)習(xí)的緊張階段。在課程伊始，有的學(xué)生提出，為了準(zhǔn)備12月份的研究生入學(xué)考試，無暇顧及各門專業(yè)課的學(xué)習(xí)，不能保證每節(jié)課都按時參加，能否選擇性學(xué)習(xí)部分實驗課程？并詢問對其期末成績的影響程度。針對學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識和實驗課程必要性和重要性認(rèn)識不足的情況，教師需要加以正確引導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，指出學(xué)習(xí)的目的和意義并不在于成績的高低，而在于對思維的鍛煉，這也是各階段教育的目的和意義所在。而創(chuàng)新性思維的開發(fā)，離不開本專業(yè)一定的基礎(chǔ)知識積累，這兩門課程中學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識對學(xué)生增加知識儲備，在后續(xù)課程中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、獨立思考與開展創(chuàng)新性思維意義重大，使學(xué)生充分認(rèn)識到這兩門課程學(xué)習(xí)的必要性和重要性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。教師在授課過程中需要盡力使原本貌似枯燥無聊的專業(yè)知識教學(xué)變得生動活潑。

教師要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入一個微觀的世界——微電子領(lǐng)域，使學(xué)生認(rèn)識到專業(yè)知識實際上與生活密切相關(guān)，電腦、手機、衛(wèi)星導(dǎo)航、無人機，甚至打開電視機的遙控器，都離不開半導(dǎo)體器件。介紹半導(dǎo)體器件在未來會如何影響和改進(jìn)人類的生活，涉及“更智能”的移動設(shè)備、汽車自動化、從車內(nèi)連接產(chǎn)品到無人駕駛汽車、由洛克希德·馬丁公司為美國海軍研發(fā)的具備遠(yuǎn)程自動駕駛能力的巨型無人潛艇、超高速移動通信技術(shù)、人工智能、可穿戴設(shè)備、新型用戶界面、虛擬現(xiàn)實、無人機、機器人、智能家電、智能房屋、物聯(lián)網(wǎng)等。

與學(xué)生一起深入挖掘半導(dǎo)體的其他應(yīng)用，如半導(dǎo)體可以應(yīng)用于考古，幫助人類追溯歷史，探究胡夫金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘。此外，半導(dǎo)體器件在生物學(xué)領(lǐng)域也取得巨大成就，在不久的將來，可將芯片植入人眼，讓盲人重見光明；甚至編寫DNA，復(fù)活猛犸象；口袋大小的DNA測序儀離不開半導(dǎo)體器件，它可以幫助遺傳學(xué)家研究南極冰層中的微生物。半導(dǎo)體還可以應(yīng)用于新一輪“太空競賽”，如發(fā)射比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡強大100倍的太空望遠(yuǎn)鏡，在彗星上放置探測器，獵取小行星，發(fā)射重型“獵鷹”運載火箭，證明太陽帆可以將宇宙飛船推進(jìn)到太空深處，建造深空居住艙，發(fā)射“火星2020”號探測器等。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到半導(dǎo)體對人類的貢獻(xiàn)才剛剛開始，讓學(xué)生產(chǎn)生對本門專業(yè)課知識的興趣，并且明確只有學(xué)習(xí)了專業(yè)課知識，才能進(jìn)行本專業(yè)的創(chuàng)新活動，從而注意進(jìn)行專業(yè)知識的積累。

3 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深入思考的能力

從學(xué)生普遍比較感興趣的無人機話題入手，首先向?qū)W生介紹無人機應(yīng)用到的先進(jìn)材料，包括電子封裝材料；然后介紹無人機上信號的處理路線（攝像機捕捉到的視頻信號被傳送到芯片，經(jīng)過處理后，通過視頻輸出端在屏幕上顯示）；最后向?qū)W生介紹航空母艦彈射并且降落無人機的過程（計算機計算出無人機的降落位置，又通過跟蹤雷達(dá)，得到無人機的實際位置，數(shù)據(jù)由計算機進(jìn)行對比分析，然后傳送至無人機的自動駕駛儀，指令無人機準(zhǔn)確著艦）。在教學(xué)過程中，教師通過將無人機和航空母艦的知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，由淺入深、逐層深入，引導(dǎo)學(xué)生自主思考、獨立思考，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

與學(xué)生探討和電子封裝密切相關(guān)的人工智能，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生自主思考、深入思考。首先，提出問題：“2012年發(fā)射的‘好奇號火星探測器在火星上探索了五年，幫助我們認(rèn)識了火星，了解了火星。前不久，它剛剛登上了火星一座4000多米的山峰。接下來，人類的探索活動將著眼于火星生命，這時是否可以繼續(xù)依賴‘好奇號呢？”答案是否定的。人類需要發(fā)射新一代“火星2020”探測器，新的探測器采用人工智能技術(shù)，不需要等待人類的指令，可以自主做出決定。然后讓學(xué)生想象一個場景：清晨，新的探測器會把自己喚醒，預(yù)熱設(shè)備，自行判斷生命的形態(tài)、生命的食物、生命的能量來源，會利用激光射擊目標(biāo)，分析化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，把相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖像發(fā)送給人類。由此可見，人工智能使人類的角色由參與者變?yōu)楸O(jiān)督者，這就是人工智能最為簡單的例子。最后，引發(fā)學(xué)生更進(jìn)一步地思考：這樣的人工智能是好是壞呢？答案是有利有弊。未來，人工智能大量應(yīng)用于武器和戰(zhàn)爭，如果武器擁有自主判斷的能力，在擁有巨大潛力的同時，也是對人類巨大的威脅，甚至?xí)淖儑业膽?zhàn)略。教師引導(dǎo)學(xué)生自主、全面思考問題，認(rèn)識到學(xué)以致用、深入思考的重要性。

4 結(jié)合實例，走出課堂，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維

在芯片的發(fā)展進(jìn)程方面，目前，芯片已經(jīng)發(fā)展到“鰭式場效應(yīng)管”階段，教師由此讓學(xué)生認(rèn)識到創(chuàng)新性思維的重要性，并激發(fā)學(xué)生自主進(jìn)行創(chuàng)新性思維。在20世紀(jì)90年代中期，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一，集成電路的發(fā)明人羅伯特·諾伊斯做出一個預(yù)言：柵長或者說特征尺寸的極限是25納米。教師提出問題：為什么如今的特征尺寸已經(jīng)進(jìn)展到7納米以下？這是由于當(dāng)時的CMOS場效應(yīng)管技術(shù)雖然不再適用，但是又出現(xiàn)新的技術(shù)，推動了特征尺寸的進(jìn)展。然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生去思考如何將CMOS場效應(yīng)管技術(shù)加以改進(jìn)，以實現(xiàn)特征尺寸的減小。隨著特征尺寸減小，漏電的問題難以解決，此時，教師將電流通道形象地比喻成一個水管，即水流通道，也就是說現(xiàn)在要解決的是水管有效截流的問題。當(dāng)水管很長的時候，在水管上放一塊石頭就解決了；問題是，水管短的時候，石頭沒有地方放，無法有效截流的問題出現(xiàn)，而假如把水管做薄，這個問題就迎刃而解。

教師指出：這一創(chuàng)新性思路由加州大學(xué)伯克利分校的華裔教授胡正明提出并證實，并且在提出十年后得以產(chǎn)業(yè)化，使更多的元件得以放入芯片中，人類才擁有更加智慧的器件。他因此當(dāng)選美國工程院院士，并且于2016年獲得美國時任總統(tǒng)奧巴馬頒發(fā)的獎?wù)?。今后，人類還需要更多改進(jìn)生活的技術(shù)，這一點離不開創(chuàng)新性思維。教師進(jìn)一步指出：假如學(xué)生沒有認(rèn)真理解前面課程講到的CMOS場效應(yīng)管技術(shù)的相關(guān)知識，則不能很好地理解這一思路，從而證明掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要性。通過引導(dǎo)學(xué)生思考鰭式場效應(yīng)管這一創(chuàng)新技術(shù)，自然而然地讓學(xué)生認(rèn)識到創(chuàng)新思維的重要性，并認(rèn)識到創(chuàng)新性思維是在具備一定專業(yè)基礎(chǔ)知識的前提下，對其進(jìn)行靈活應(yīng)用。

如何走出課堂，進(jìn)行實驗教學(xué)，對于研究性教學(xué)來講，顯得尤為重要，假如知識僅僅停留于講解和討論，往往不能留下較為深刻的印象，如何讓知識變得生動有趣格外重要。因此，對于作為電子封裝技術(shù)與材料課程配套課程的材料加工實驗課程，教師在教學(xué)過程中組織學(xué)生參觀電子組裝實驗室，了解表面貼裝相關(guān)設(shè)備。由教師進(jìn)行U盤焊接演示實驗，并由學(xué)生實際動手制作U盤，了解各個步驟及其作用，以便深入理解表面貼裝技術(shù)和釬焊技術(shù)。課堂上，學(xué)生制作完U盤即可運行U盤，在體驗電子產(chǎn)品魅力的同時獲得成就感，激勵自己把半導(dǎo)體行業(yè)作為今后奮斗的事業(yè)。有些學(xué)生還有機會進(jìn)行故障解決，面對不同的故障原因，采用不同的方法進(jìn)行解決，樹立分析解決問題的信心，并為今后解決生活和工作中更為復(fù)雜的問題提供思路，同時進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

5 結(jié)語

在電子封裝技術(shù)與材料及材料加工實驗課程教學(xué)實踐中，結(jié)合課程教學(xué)大綱，在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識專業(yè)基礎(chǔ)知識重要性的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究性教學(xué)實踐，注重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，取得良好的教學(xué)效果，對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有一定意義。

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