從電路分析實驗教學(xué)到產(chǎn)業(yè)化人才培養(yǎng)

智 婷，汪 金，薛俊俊

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院 微電子學(xué)院，南京210023)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是引導(dǎo)第三次工業(yè)革命的核心產(chǎn)業(yè)[1]。進入21世紀(jì)以來，國際上對集成電路專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的投入與日俱增，能否掌握關(guān)鍵核心技術(shù)已成為衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。雖然近年來我國在集成電路領(lǐng)域的發(fā)展得到了顯著提升，但研究基礎(chǔ)薄弱。推動集成電路產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，掌握關(guān)鍵核心技術(shù)是黨中央、國務(wù)院站在全局高度作出的重大決策[2]。然而，往往大眾的固化思維就是“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，在哪些技術(shù)上薄弱，就靠花大力氣不計成本的投入來解決。這種方法在很多基礎(chǔ)領(lǐng)域中能產(chǎn)生良好的效果，但電子產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集型、技術(shù)密集型、人才密集型和資本密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，高速的技術(shù)迭代尤為突出。例如：很多人認(rèn)為集成電路領(lǐng)域中最具代表性的問題是先進的光刻機，并認(rèn)為花重金、下工夫就能破解這個問題，這種思想是片面的。在集成電路領(lǐng)域，關(guān)鍵的核心問題在于人才培養(yǎng)。目前，我國集成電路產(chǎn)業(yè)人才總量不足、領(lǐng)軍人才缺乏、人才結(jié)構(gòu)不合理，而且急缺具備創(chuàng)新能力、能夠解決問題的高水平人才。大學(xué)擔(dān)負著“人才培養(yǎng)”這一基本職能，培養(yǎng)國家急需的高素質(zhì)人才是推動社會發(fā)展的重要任務(wù)。

當(dāng)前關(guān)于教學(xué)與科研相融合的教改文章和論著普遍集中在理論教學(xué)層面，在實驗型課程中如何培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新能力很少討論。多數(shù)高校受條件限制，不具備培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的工程實踐硬件條件。受制于傳統(tǒng)的固化思維，培養(yǎng)出的人才普遍缺乏創(chuàng)新思維和解決問題的能力。換句話說，這種培養(yǎng)模式可以認(rèn)為是在培養(yǎng)操作工，這遠遠不能滿足正在快速發(fā)展的技術(shù)迭代需求。目前，高校對電子類人才的培養(yǎng)，不僅要從人才數(shù)量上取得突破，滿足市場產(chǎn)業(yè)的需求，更要全面提升人才的創(chuàng)新能力，滿足技術(shù)發(fā)展的迫切需求和持續(xù)發(fā)展的動力。要解決高校電子專業(yè)人才能力不足的問題，破解相關(guān)專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新思維不夠的難題，提升大學(xué)生解決問題的能力，不是靠設(shè)置一兩門實習(xí)實踐課程能夠完成的，必須從基礎(chǔ)實驗課程入手，動腦筋，改革固化的教學(xué)模式。

1 有教無類，因材施教

從集成電路領(lǐng)域的發(fā)展來說，從來就不是僅僅依靠電子專業(yè)完成的。以諾貝爾獎得主高琨為例，他的研究集中在光纖材料。在50年以前，很難想象數(shù)據(jù)是通過光作為媒介實現(xiàn)高速傳輸?shù)?，?dāng)時的人們普遍認(rèn)為電線和無線電才是傳輸信號的主流手段。如今，沒有高速光纖形成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，就沒有集成電路的飛速發(fā)展。由此可見，集成電路領(lǐng)域的發(fā)展需要依靠材料、設(shè)計、電子、軟件、芯片、設(shè)備等眾多行業(yè)的共同進步。本研究針對電路分析實驗這門基礎(chǔ)實驗課來展開討論。作為電子類本科學(xué)生的首次實驗實踐類課程，一定要強調(diào)“有教無類”和“因材施教”。其實，很多高校的電路分析實驗課程是面向全校其他院系開放的，吸引了多學(xué)科本科生參與其中，從基礎(chǔ)教學(xué)上引導(dǎo)學(xué)科交叉[3-4]。這種“廣撒網(wǎng)”的模式有助于提升本科生，特別是其他院系本科學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

更多類型的學(xué)生參與，也對課程的教學(xué)老師提出了更高的要求，尤其是不同專業(yè)的學(xué)生基礎(chǔ)不同，能力也不同，甚至思維模式上也有區(qū)別。作為電子科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)教師，通過實驗課堂上的案例就能夠充分體現(xiàn)“因材施教”的必要性。例如：電路分析實驗課程中要求學(xué)生完成一個智能手環(huán)的電路設(shè)計、軟件編寫和工藝制備。課程中包含了基礎(chǔ)的集成電路設(shè)計、驅(qū)動軟件編程及半導(dǎo)體工藝這三個主要內(nèi)容。大部分學(xué)生都能夠完成實驗課程的基礎(chǔ)要求和智能手環(huán)的制作，但在課程中發(fā)現(xiàn)，不同專業(yè)的學(xué)生對同一個問題的思維模式有很大差異。例如：要在智能手環(huán)中增加時間校準(zhǔn)模塊的功能，軟件學(xué)院的學(xué)生主要是從驅(qū)動軟件的角度來思考，而電子學(xué)院的學(xué)生則主要從增加模塊的角度來思考，通訊學(xué)院的學(xué)生則跳出了“圍欄”，從物聯(lián)網(wǎng)互連的角度來解決。如果課程仍然按照教學(xué)計劃中所規(guī)劃的要求來實施，可能很多創(chuàng)新思維會受到抑制，學(xué)生從而失去了對課程的興趣，也埋沒了創(chuàng)新能力。由此可見，在基礎(chǔ)教學(xué)類課程中，并不缺乏創(chuàng)新點，也特別需要將本科新生從長期的固化思維中解放出來，打破多年基礎(chǔ)教育所形成的思維壁壘，激發(fā)學(xué)生的大腦風(fēng)暴。要實現(xiàn)“有教無類”和“因材施教”這兩個要求，對課程教師的教學(xué)水平也提出了更高的要求，教師要先具備扎實的專業(yè)能力和分層次教學(xué)的意識，這樣才能在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)多角度思維，激發(fā)本科生的興趣與創(chuàng)新意識。

2 以問題為導(dǎo)向，以解決問題為目標(biāo)

以電路分析實驗課程這類基礎(chǔ)實驗課為例，在構(gòu)建好教學(xué)體系之后，教學(xué)內(nèi)容往往長期固化[5]，一般以理論基礎(chǔ)為指導(dǎo)，搭配實驗驗證實施教學(xué)，旨在理論聯(lián)系實際，通過實驗增強學(xué)生對理論知識的理解，從而將知識融會貫通。這種教學(xué)方式是正確的，穩(wěn)定的。有論文中指出在教學(xué)內(nèi)容上增加前沿科研內(nèi)容，從而打開學(xué)生的科學(xué)思維和視野[6]。例如：有教師將當(dāng)前最熱的科研方向——“二維材料”作為學(xué)生學(xué)習(xí)的補充材料，也有教師將“等離激元效應(yīng)”作為學(xué)生的思考題。這些創(chuàng)新的教學(xué)方法的初衷是好的，在一些課程中設(shè)置也獲得了良好的效果。但在基礎(chǔ)類課程中強行引入前沿科研內(nèi)容需要特別注意以下幾點：(1)學(xué)生是否已經(jīng)掌握必要的基礎(chǔ)知識；(2)學(xué)生是否對前沿科研內(nèi)容產(chǎn)生興趣；(3)教師是否能將課程內(nèi)容與科研內(nèi)容聯(lián)系起來；(4)前沿科研內(nèi)容是否干擾到基礎(chǔ)教學(xué)任務(wù)。如果不能很好地協(xié)調(diào)解決這些問題，那么在基礎(chǔ)類課程中引入科研內(nèi)容反而會對教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響。

從教學(xué)本質(zhì)上來說，課程內(nèi)容的設(shè)計先要促使學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握必要的知識，要在已掌握的知識基礎(chǔ)上進行思考和拓展。在教學(xué)中引入科研內(nèi)容的目的其實也是基于這一教學(xué)本質(zhì)。因此，要設(shè)計適合基礎(chǔ)類課程的拓展內(nèi)容，并激發(fā)學(xué)生的思考與創(chuàng)新能力，從而鍛煉學(xué)生解決問題的能力，這就是教學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)類教學(xué)課程內(nèi)容的設(shè)計中，適當(dāng)引入問題，并以問題為導(dǎo)向，以解決問題為目標(biāo)，由教師帶領(lǐng)學(xué)生參與到發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的過程中，這樣更能夠解決上述提到的幾點問題。在電路分析實驗課程中，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)類教學(xué)中對前沿科研內(nèi)容并沒有迫切的需求，反而在實踐過程中對基礎(chǔ)問題的解決過程發(fā)揮了很重要的作用，獲得了很好的教學(xué)效果。例如：在測量光電二極管的電學(xué)特性實驗中，學(xué)生要設(shè)計合理的電路，搭建實驗電路，并對電學(xué)進行測量分析。在常規(guī)教學(xué)中，學(xué)生按部就班就可以完成該課程內(nèi)容，并獲得一個統(tǒng)一的結(jié)果。在這種固化的教學(xué)模式下，大部分學(xué)生在設(shè)計電路上“依葫蘆畫瓢”，在搭建電路上照本宣科，最后得到的結(jié)果能夠統(tǒng)一就算完成了任務(wù)。在全過程中，并不是每個學(xué)生都參與了思考。在教學(xué)過程中，特意設(shè)計了一個“可以解決”的問題，通過設(shè)計錯誤的電阻，使得電路搭建后的測試結(jié)果并不能吻合預(yù)期。當(dāng)學(xué)生在搭建電路過程中發(fā)現(xiàn)不能繼續(xù)照本宣科的時候，就迫使學(xué)生必須動腦筋發(fā)現(xiàn)問題并分析問題。大部分學(xué)生都能夠發(fā)現(xiàn)問題，其中一部分學(xué)生能夠分析出電阻的問題，但只有少部分學(xué)生最終能通過修改電路設(shè)計來解決問題。這正反映了之前所提到的課程教學(xué)中需要因材施教。因此，在課程中要以問題為導(dǎo)向，以解決問題為目標(biāo)，對學(xué)生進行分層引導(dǎo)，因材施教。通過激發(fā)學(xué)生興趣和拓展思維模式，促進了學(xué)生實踐能力的有效提升。

3 抓住重點，以點帶面

有機結(jié)合現(xiàn)有課程基礎(chǔ)，加大電路分析實驗在實踐培訓(xùn)方面的投入。要重點打造理論教學(xué)與實踐實習(xí)相互配合的教學(xué)體系，盡可能為學(xué)生提供實訓(xùn)、實踐條件。無論課程學(xué)時多少，教學(xué)內(nèi)容都要保證課程體系的完整性。內(nèi)容完整、層次分明、脈絡(luò)清晰的課程體系不僅是本科教學(xué)的基本要求，更是促進學(xué)生科研素質(zhì)提升的基本條件。該課程在保證完整教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，加強這門課的學(xué)科體系特點，強化學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)，做到基礎(chǔ)的原理知識只增不減，選擇原理與具體知識點的結(jié)合點和突破口作為具體事例，對工程工業(yè)化的知識進行一定強化。堅持以產(chǎn)業(yè)需求倒逼課程培養(yǎng)，促進創(chuàng)新鏈與人才培養(yǎng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈的有效對接，重點突破與全面輻射相結(jié)合，帶動院系內(nèi)其他課程乃至其他院系教學(xué)理念的整體提升。要抓住國內(nèi)外半導(dǎo)體企業(yè)在各個城市落戶這一契機。若干企業(yè)需要大量的人才，要充分發(fā)揮高校在人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，加強高校與集成電路產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)合對接。

4 校企融合，打破壁壘

集成電路行業(yè)是一個飛速發(fā)展的行業(yè)，但大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容往往滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，教科書的更新速度趕不上摩爾定律的發(fā)展規(guī)律。這導(dǎo)致高校的本科教育與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求之間形成了一個天然的壁壘[1]，學(xué)生從高校畢業(yè)后并不能無縫對接企業(yè)需求，集成電路相關(guān)企業(yè)還要對畢業(yè)學(xué)生進行二次培訓(xùn)。高校作為人才的孵化器，必須打破這種壁壘，促使學(xué)生形成產(chǎn)業(yè)化視野。因此，有必要在基礎(chǔ)課程中引入企業(yè)教師。企業(yè)教師能夠帶來企業(yè)從業(yè)人員必需的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建高校與企業(yè)之間的橋梁，在基礎(chǔ)教育與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之間形成高速路，加速我國集成電路行業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)核心技術(shù)的彎道超車。電子綜合設(shè)計課程教學(xué)中，邀請高新企業(yè)的專家給本科學(xué)生做了關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展與企業(yè)運行的專題講座，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對專題講座的興趣很高，提出了很多從業(yè)與發(fā)展方面的問題，反映出了學(xué)生對校企融合的迫切需求。由此可見，在課程中加強校企融合是促進高校優(yōu)化產(chǎn)業(yè)化人才培養(yǎng)的重要方式。

5 結(jié)語

電路分析實驗雖然是一門基礎(chǔ)實驗課，但要求教師具備扎實的知識背景和創(chuàng)新的教學(xué)意識。結(jié)合目前我國集成電路產(chǎn)業(yè)的迫切發(fā)展需求合理安排教學(xué)內(nèi)容，對培養(yǎng)集成電路領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化人才具有至關(guān)重要的意義。這對教師提出了更高的要求，在今后的教學(xué)過程中要繼續(xù)探索，打破長期基礎(chǔ)教育導(dǎo)致的固化思維，對學(xué)生進行分層引導(dǎo)，因材施教?？赏ㄟ^激發(fā)學(xué)生興趣和拓展思維模式來促進學(xué)生實踐能力的提升。在教學(xué)中建立系統(tǒng)的知識體系的同時，以探索性問題為導(dǎo)向，以提升解決問題的能力為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生靈活應(yīng)用科學(xué)理論，強化學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。