微電子基礎(chǔ)實驗課實踐教學(xué)改革研究

謝寧波　高健超

【摘 要】《微電子器件基礎(chǔ)實驗》是微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)實踐課程，在本專業(yè)的課程體系中具有重要的地位。本文從新形勢下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求和當前該課程實踐教學(xué)中存在的問題出發(fā)，系統(tǒng)化探討了該課程實踐教學(xué)改革的改革思路，并在此基礎(chǔ)上提出一套合理有效的改革方案。通過實驗項目優(yōu)化改進、自主式實驗教學(xué)模式推進以及引入虛擬仿真新技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)三方面對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式進行改革，不僅提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，同時也培養(yǎng)和提升其工程素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】微電子基礎(chǔ)實驗；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；自主式實驗

中圖分類號： TN0-4；G712.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0053-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.024

0 引言

《微電子器件基礎(chǔ)實驗》是微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)實踐課程，其目的是通過實踐過程，使學(xué)生掌握基本實驗測試方法，加深對半導(dǎo)體特性原理的理解，理論聯(lián)系實際掌握常用半導(dǎo)體器件的特性及測試方法，為后續(xù)深入的專業(yè)知識及技能學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。本課程強調(diào)理論和實踐的統(tǒng)一，通過本課程的實踐教學(xué)，學(xué)生實際使用和操作常用的半導(dǎo)體器件測試儀器，通過實驗結(jié)果分析加深對半導(dǎo)體特性原理的理解，從而掌握基本實驗測試方法，加強基本應(yīng)用知識的應(yīng)用能力。

1 微電子基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前實驗室所開設(shè)的《微電子器件基礎(chǔ)實驗》教學(xué)采用自編實驗指導(dǎo)書，以驗證性實驗結(jié)合設(shè)計性實驗的方式開展實踐教學(xué)工作。但是由于新形勢下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求以及電子信息專業(yè)的特點，當前的實踐教學(xué)模式存在以下缺點和不足[1]：

（1）傳統(tǒng)教學(xué)理念“重理論輕實踐”。當前高校的教學(xué)思想仍深受以前精英教育的影響，在形式上還存在“重理論輕實踐”的傾向，沒有將理論知識與實踐知識進行有效的整合。因此，需要大力推進教學(xué)方式改革，切實加強實踐教學(xué)的重要性。

（2）學(xué)生的主體地位沒有得到真正體現(xiàn)。教學(xué)依然延續(xù)傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)模式，教學(xué)過程不僅生硬、呆板，而且限制了學(xué)生的思維和創(chuàng)造力。在實踐教學(xué)過程中，教師專注于演示和學(xué)生重復(fù)操作，不能充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力，導(dǎo)致學(xué)生實踐經(jīng)歷不夠充分，實踐教學(xué)效果不佳。

（3）教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，與科技發(fā)展脫節(jié)。電子信息專業(yè)的技術(shù)更新日新月異，當前行業(yè)發(fā)展對電子信息類專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)知識及技能需求已與過去截然不同。然而當前實踐教學(xué)在某些內(nèi)容設(shè)置上已落后于技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容陳舊過時，實驗儀器及測試方法已不再適用于當前通用的技術(shù)，脫節(jié)于前沿科技的發(fā)展。

（4）新形勢下需求加強設(shè)計性實驗、開放實驗室的實驗教學(xué)改革。隨著教學(xué)改革的深入，如何開展好設(shè)計性實驗項目以及開放實驗室工作是各大高校實踐教學(xué)改革均面臨的問題，主要集中在可行性和實際效果兩方面。

2 微電子基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)的改革思路

針對上述研究現(xiàn)狀中存在的問題，在新的教育觀念和技術(shù)條件下，我們必須打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，在內(nèi)容和形式上進行變革，特別是實踐教學(xué)模式改革應(yīng)該確立“以學(xué)生為本”的思想，教學(xué)組織圍繞學(xué)生的需要進行設(shè)置，使學(xué)生真正成為實踐教學(xué)的活動者和受益者。

本實踐教學(xué)改革的核心思路主要包括如下幾點：①在現(xiàn)有條件下對課程實驗項目進行優(yōu)化和改進；②實驗教學(xué)方法改進，推行“漸進式、自主式、探索式”實驗教學(xué)模式；③針對新形勢下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求，引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于特定實驗實踐教學(xué)中來。通過上述實踐教學(xué)體系改革，一方面優(yōu)化和完善了實驗教學(xué)方法，同時也注重了學(xué)生工程能力的提高和拓展。

3 微電子基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)的改革方案

3.1 現(xiàn)有條件下對課程實驗項目進行優(yōu)化和改進

針對新形勢下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求，為達到提高工程素質(zhì)、拓展工程應(yīng)用能力的目的，僅靠單一的介紹實驗儀器、實驗規(guī)范等傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式是遠遠不夠，因此，本實踐教學(xué)改革的首要任務(wù)是在現(xiàn)有條件下對課程實驗項目進行優(yōu)化和改進。

（1）改進、更新《微電子器件基礎(chǔ)實驗》的實驗項目內(nèi)容。實驗教學(xué)使用的自編教材編已沿用多年，其中部分項目的內(nèi)容設(shè)置上已落后于技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容陳舊過時、實驗儀器及測試方法已不再適用于當前通用的技術(shù)。因此，教學(xué)改革在原有的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有的實驗教程進行了改進完善、內(nèi)容擴充。對較簡單的驗證性實驗進行內(nèi)容擴充，讓學(xué)生充分掌握實驗項目所包涵的原理與特性；逐步淘汰陳舊的實驗開發(fā)板，新購置自動化程度高、精度高的驗證平臺，以達到培養(yǎng)適應(yīng)當前技術(shù)發(fā)展需求的優(yōu)秀電子信息專業(yè)畢業(yè)生的目的。

（2）為實現(xiàn)新形勢下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求的培養(yǎng)目標，本教學(xué)改革針對專業(yè)人才培養(yǎng)方案，進一步優(yōu)化實驗項目內(nèi)容設(shè)計，以貼近業(yè)界實際需求，幫助學(xué)生提高專業(yè)知識技能及工程實踐能力。以“半導(dǎo)體器件特性測試”實驗項目的教學(xué)為例，該實驗項目的目的是通過指導(dǎo)學(xué)生進行實驗操作和測量，以加深對常用半導(dǎo)體器件工作特性的理解以及基本測試方法的掌握。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)著重于要求學(xué)生完成伏安特性的測量，而忽略了對半導(dǎo)體器件工作特性的理解和工程應(yīng)用。因此，在該實驗項目內(nèi)容的優(yōu)化和改進中，增加了光敏二極管的伏安特性測試內(nèi)容，以注重培養(yǎng)學(xué)生在實際工程設(shè)計與應(yīng)用方面的能力。

3.2 實驗教學(xué)方法改進，推行“漸進式、自主式、探索式”實驗教學(xué)模式

新形勢下需求加強設(shè)計性實驗、開放實驗室的實驗教學(xué)改革。隨著教學(xué)改革的深入，實驗教學(xué)改革要求構(gòu)建以學(xué)生為主體的自主構(gòu)建知識、增長技能、發(fā)展能力的指導(dǎo)思想和教學(xué)思路，也就是說傳統(tǒng)以演示和驗證為主的實踐教學(xué)活動，需要逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自己設(shè)計實驗方案、自己控制實驗過程、自主分析實驗結(jié)果和系統(tǒng)撰寫實驗報告。

通過對本專業(yè)人才培養(yǎng)方案和電子信息類應(yīng)用型本科的課程體系的深入研究，秉承以學(xué)生為主體的教學(xué)改革思想，對既定的培養(yǎng)目標方向作深入探討，結(jié)合本專業(yè)的特點，本教學(xué)改革推行“漸進式、自主式、探索式”實驗教學(xué)模式。具體來說，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)改進實驗內(nèi)容，由易到難，包含從驗證性到綜合設(shè)計性多個實驗層次，讓學(xué)生循序漸進經(jīng)歷認知、實踐、探索的全過程；學(xué)生在完成基本實驗基礎(chǔ)上，可選擇難易不同的實驗內(nèi)容，還可自行設(shè)計方案，通過實驗探索更多問題。獨立設(shè)計和實踐的教學(xué)環(huán)節(jié)逐漸增多，通過這些引導(dǎo)，吸引更多的學(xué)生進入開放實驗室，對多方位的內(nèi)容進行探索和實驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程設(shè)計能力。

3.3 引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于特定實驗項目實踐教學(xué)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及計算機硬件性能的提高，虛擬仿真技術(shù)已從理論及設(shè)想發(fā)展成為當前科技前沿的現(xiàn)實技術(shù)，并且是近幾年來技術(shù)前沿的研究熱點。虛擬仿真技術(shù)亦可應(yīng)用于電子信息類的實驗實踐教學(xué)，并在多個重點高校取得一定的成果及探索經(jīng)驗[2，3]。在以往的實物實驗教學(xué)中，實驗的地點和時間是被限定的，通常只是讓學(xué)生完成數(shù)據(jù)讀取、分析與處理等“規(guī)定操作”，因而大大制約了對學(xué)生的工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而虛擬仿真技術(shù)因其交互性和逼真性，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將實驗實踐置于線上，不再受制于地點和時間的制約，能很好地解決上述難題。

以“集成運放應(yīng)用特性測試實驗”實驗為例，探討引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于本課程的實踐教學(xué)改革。該實驗項目要求學(xué)生通過對實驗任務(wù)的理解，結(jié)合先修課程的知識，設(shè)計合理的測試電路和測試方式，實現(xiàn)對運算放大器規(guī)定特性參數(shù)的測試以及其基本應(yīng)用方法的實踐。當前普遍存在的問題是由于該項目是綜合設(shè)計性實驗項目，測試電路的搭建由學(xué)生參考實驗教程自主完成，而大部分學(xué)生分析和應(yīng)用實際電路的能力較薄弱，往往搭錯測試電路導(dǎo)致測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果存在較大差異，使得實驗效果存在偏差和不理想。而如果先讓學(xué)生在電子自動化設(shè)計平臺基于虛擬仿真技術(shù)設(shè)計對應(yīng)測試電路，對實驗內(nèi)容進行預(yù)演練和先行驗證，可以有效地幫助學(xué)生完成既定實驗內(nèi)容的操作、學(xué)習(xí)及驗證，同時也能夠給有自主學(xué)習(xí)能力的學(xué)生提供自主設(shè)計新實驗內(nèi)容及自主探索的平臺，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力、工程創(chuàng)新精神與實踐能力，取得事半功倍的效果。

4 微電子基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)的改革成效

按照上述改革思路和方案，已在17-18學(xué)年秋季學(xué)期的實驗教學(xué)中進行部分項目的改革嘗試，初步取得一定成效。下表為以學(xué)生的實驗成績評級作為評價指標，分別列出了進行教學(xué)改革前后的教學(xué)成效對比。

其中16-17學(xué)年是以傳統(tǒng)教學(xué)模式進行實踐教學(xué)的，17-18學(xué)年開始實施教學(xué)改革。從表中數(shù)據(jù)可以看出，通過“以學(xué)生為主體”為指導(dǎo)思想的實踐教學(xué)體系改革，原本基礎(chǔ)較薄弱的同學(xué)能夠在新模式下得到更多的自主構(gòu)建知識的機會，在“漸進式、自主式、探索式”的實驗教學(xué)模式中激發(fā)了更多的學(xué)習(xí)熱情，自主能動性和動手能力得到提高，實驗成績也隨之有一定的提升。教學(xué)改革一方面優(yōu)化和完善了實驗教學(xué)方法，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計能力及工程應(yīng)用能力。

5 結(jié)論

《微電子器件基礎(chǔ)實驗》實踐教學(xué)是微電子學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)過程的一個重要部分。本文確立了“以學(xué)生為主體”為指導(dǎo)思想的實踐教學(xué)改革方案，并從實驗項目優(yōu)化改進、自主式實驗教學(xué)模式推進以及引入虛擬仿真新技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)三方面提出了具體措施，對提高該課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)具有重要意義。

【參考文獻】

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[3]李衛(wèi)，方玉明，郭宇鋒，等.集成電路系列課程虛擬仿真實驗教學(xué)研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2017，15（2）：74-76.