微電子技術(shù)教學(xué)模式和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)教改研究

蔡俊　周孟然　劉國(guó)巍　魏巍

摘 要 針對(duì)高等學(xué)校教學(xué)改革，在微電子技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中，需要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和知識(shí)組織能力。通過(guò)分析現(xiàn)階段微電子技術(shù)的教學(xué)模式和實(shí)踐環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，闡述了微電子技術(shù)教學(xué)模式和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路，豐富教學(xué)內(nèi)容，積極引入互動(dòng)環(huán)節(jié)，提升微電子技術(shù)的課程教學(xué)和實(shí)訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞 微電子技術(shù);課程建設(shè);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)： G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

前言 微電子技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為促進(jìn)了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域的變革。微電子技術(shù)是以半導(dǎo)體工藝為設(shè)計(jì)載體，通過(guò)器件電路或者硬件描述語(yǔ)言描述硬件電路的連接，再利用專業(yè)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行工藝仿真、電路仿真和版圖設(shè)計(jì)，最終完成半導(dǎo)體工藝流程、電路硬件集成。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過(guò)程中，容易將學(xué)生帶入到工作環(huán)境的實(shí)景，能夠提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲。在微電子技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，利用設(shè)計(jì)輔助軟件讓學(xué)生加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的深度理解，通過(guò)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的合理安排，驗(yàn)證所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，掌握設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)手段，從而達(dá)到理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的教學(xué)目的，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)學(xué)生素質(zhì)教育培養(yǎng)的最終目的。

1 現(xiàn)階段微電子技術(shù)教學(xué)模式分析

微電子技術(shù)具有抽象、層次化、流程復(fù)雜的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)微電子技術(shù)的特點(diǎn)，在器件模型、硬件描述語(yǔ)言、配套軟硬件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及課程內(nèi)容設(shè)置等幾個(gè)方面進(jìn)行課程教學(xué)的改革。

目前，微電子技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，主要圍繞集成電路工藝、硬件描述語(yǔ)言、可編程器件等環(huán)節(jié)開(kāi)展。硬件描述語(yǔ)言具有設(shè)計(jì)靈活、電路設(shè)計(jì)效率高的特點(diǎn)。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷ㄟ^(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的邏輯功能，與采用專用集成電路設(shè)計(jì)方法相比，具有更好的設(shè)計(jì)靈活性、設(shè)計(jì)周期短、成本低、便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)得到了廣泛的采用?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Pro gram mable Gate Array，F(xiàn)PGA）能夠提供更高的邏輯密度、最豐富的特性和極高的性能，因此，數(shù)字集成電路的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，主要圍繞FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及資源分布做相應(yīng)介紹。

微電子技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)在本科教學(xué)中具有極強(qiáng)的實(shí)踐特點(diǎn)，尤其是作為電子科學(xué)本科教學(xué)，對(duì)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)思維模式的構(gòu)建有著重要作用。實(shí)踐教學(xué)離不開(kāi)大量的實(shí)訓(xùn)反饋。目前大多數(shù)高校微電子技術(shù)的授課課時(shí)數(shù)一般安排為48課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課占10課時(shí)，實(shí)踐課和理論課的課時(shí)數(shù)比例約為1：3.8，且課程多安排在三年級(jí)。從課時(shí)安排來(lái)看，存在重理論輕實(shí)踐的弊端，容易讓學(xué)生產(chǎn)生盲目應(yīng)試的想法，導(dǎo)致學(xué)生只注重考試，而忽略了至關(guān)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。另外，微電子技術(shù)課程最好作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，為學(xué)習(xí)其它多門課程打下良好基礎(chǔ)。在微電子技術(shù)課程開(kāi)展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的時(shí)候，最好與學(xué)生的其它專業(yè)實(shí)習(xí)的時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，讓學(xué)生能夠更加專心對(duì)待，避免專業(yè)知識(shí)和概念的混亂。如果將微電子技術(shù)課程課實(shí)訓(xùn)安排在四年級(jí)第一學(xué)期，非常容易與畢業(yè)實(shí)習(xí)、求職環(huán)節(jié)發(fā)生沖突，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)課程和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容認(rèn)知不足，倉(cāng)促應(yīng)付課程和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，不利于對(duì)學(xué)生電子設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，也會(huì)降低學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

微電子技術(shù)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)對(duì)于本科生而言，會(huì)給學(xué)生產(chǎn)生軟件編程的想法，不能真正將電路設(shè)計(jì)的理念深化，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新性不夠，教學(xué)成果難以達(dá)到預(yù)期。

2 微電子技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)

本課題對(duì)現(xiàn)階段微電子技術(shù)課程和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)做了深入分析，總結(jié)了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題及改進(jìn)需求，對(duì)未來(lái)的微電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式進(jìn)行的理論和實(shí)踐探索。自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件是的設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)上完成很多復(fù)雜計(jì)算工作。微電子技術(shù)軟件通常在服務(wù)器或者多線程工作站運(yùn)行，自動(dòng)化程度很好，具有很強(qiáng)大的功能和豐富的界面。在高校中開(kāi)展的微電子設(shè)計(jì)類實(shí)訓(xùn)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)性課程，既可以由學(xué)生獨(dú)立完成，也可以設(shè)計(jì)成分工協(xié)作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

為了提高學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)的理解和設(shè)計(jì)能力的掌握，微電子實(shí)訓(xùn)由32個(gè)課時(shí)組成，其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分配了16學(xué)時(shí)、微電子設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)分配16學(xué)時(shí)，重點(diǎn)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和主動(dòng)思考能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

微電子技術(shù)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包含基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)，其目的是掌握基本的硬件描述語(yǔ)言的編程方式及技巧，并能夠采用模擬器件設(shè)計(jì)模擬集成電路，讓學(xué)生能夠具備獨(dú)立設(shè)計(jì)集成電路的能力，熟悉集成電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，結(jié)合以往的電子電路知識(shí)，完成基本器件的設(shè)計(jì)和調(diào)用。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以工藝器件仿真、電路設(shè)計(jì)仿真手段為主，利用準(zhǔn)確的工藝和器件模型，準(zhǔn)確模擬集成電路工藝的流程和半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性。軟件仿真已經(jīng)成為新工藝、新器件、新電路設(shè)計(jì)的重要支撐手段，可以在短時(shí)間內(nèi)建立實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)參數(shù)、修改電路結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室硬件投入不足以及對(duì)多種實(shí)驗(yàn)室耗材的依賴，有利于學(xué)生建立系統(tǒng)性的知識(shí)結(jié)構(gòu)。另外微電子技術(shù)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)也包含綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)用基本功能模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)規(guī)模的數(shù)?；旌霞呻娐?，提高整體電路的綜合性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)控制和傳輸，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

例如，半導(dǎo)體工藝演示實(shí)驗(yàn)可以快速呈現(xiàn)不同工藝流程和工藝環(huán)境對(duì)工藝結(jié)果的影響，能夠設(shè)定不同的偏置條件來(lái)研究器件的能帶、電場(chǎng)、載流子濃度分布、伏安特性等內(nèi)部特征，避免惡劣繁雜的對(duì)物理過(guò)程的解析建模，具有直觀和形象的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和提高學(xué)習(xí)的積極性?？梢葬槍?duì)成熟工藝，利用仿真軟件進(jìn)行器件和電路設(shè)計(jì)。實(shí)際過(guò)程中，參照經(jīng)典的器件結(jié)構(gòu)和電路模塊單元，開(kāi)展新特性、新功能的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生綜合知識(shí)的能力，面向工程實(shí)踐，對(duì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。這個(gè)過(guò)程需要授課教師根據(jù)學(xué)生的已開(kāi)設(shè)課程和知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)編寫適宜的實(shí)驗(yàn)輔助教材，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行精巧的設(shè)計(jì)及和細(xì)致地指導(dǎo)。

2.2 實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

微電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)旨在鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，掌握集成電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，能夠根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分層分級(jí)設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件電路的額性能特點(diǎn)來(lái)構(gòu)建規(guī)模化電路。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，利用微電子設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具完成一定規(guī)模電路的設(shè)計(jì)、仿真、版圖設(shè)計(jì)、版圖檢查等環(huán)節(jié)。通過(guò)微電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的練習(xí)，學(xué)生能夠培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)分析能力、電路綜合能力等，為將來(lái)進(jìn)入研發(fā)設(shè)計(jì)類型的工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

對(duì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的考核，采用大作業(yè)或者設(shè)計(jì)報(bào)告的形式，讓學(xué)生通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選題，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過(guò)對(duì)參考文獻(xiàn)的參考和綜述，掌握課題的結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)，充分了解系統(tǒng)的模型，理解各模塊對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)是的一次較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法訓(xùn)練，不僅可以鞏固課堂和教材上的內(nèi)容，還可以引入實(shí)際工程系統(tǒng)的指標(biāo)要求，鍛煉學(xué)生的綜合規(guī)劃和設(shè)計(jì)能力。

3 微電子技術(shù)教學(xué)改革實(shí)施效果

通過(guò)微電子技術(shù)的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)模式的改革，在實(shí)踐中積極總結(jié)得失，發(fā)現(xiàn)微電子技術(shù)的教學(xué)該給能夠幫助學(xué)生提高微電子設(shè)計(jì)的專業(yè)素養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)課程內(nèi)容的理解程度大幅提高，原先學(xué)生對(duì)課本的知識(shí)抱有敬畏的心理，在課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)之后，都產(chǎn)生了很大程度的自信。微電子技術(shù)課程、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)考核成績(jī)的優(yōu)秀率也大大提高，表明通過(guò)微電子技術(shù)的教學(xué)和實(shí)踐改革，學(xué)生能夠比較好地掌握課程大綱所要求的內(nèi)容。

2）通過(guò)細(xì)致地設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的積極性，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況比較理想，報(bào)告內(nèi)容的撰寫也更加細(xì)致、全面。

3）通過(guò)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生勤于動(dòng)腦，在多種手段和方法中，尋找最優(yōu)的方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

微電子技術(shù)的教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革和探索，取得了較好的效果，在教學(xué)過(guò)程中，能夠較好地體現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)的特點(diǎn)。目前，該教學(xué)和實(shí)訓(xùn)模式也正實(shí)踐中不斷摸索和優(yōu)化。首先，學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)流程的理解更為深刻，克服傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)的現(xiàn)象，實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)也不會(huì)停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解及運(yùn)用。其次，實(shí)踐環(huán)節(jié)增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，改變了學(xué)生偏重理論學(xué)習(xí)，忽視動(dòng)手能力培養(yǎng)的片面想法。實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容豐富，從編程設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化到實(shí)驗(yàn)仿真，讓學(xué)生在實(shí)際操作中不斷提高工程開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新水平，并為后續(xù)課程的開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

微電子技術(shù)作為一門新興的電子設(shè)計(jì)技術(shù)，需要不斷增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力，全面提高學(xué)生的科研素質(zhì)。在今后，仍然需要對(duì)微電子技術(shù)的課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷改進(jìn)，力求適應(yīng)未來(lái)技術(shù)的要求。

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