電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)改革研究

張賀 孫顯龍 于慧

[摘 要] 在新冠肺炎疫情和核心技術(shù)遭到封鎖的雙重困局下，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)正加速進(jìn)入重大調(diào)整變革期。近年來國(guó)內(nèi)大學(xué)已把培養(yǎng)集成電路行業(yè)相關(guān)人才列為重要發(fā)展目標(biāo)。因此，探討如何借新工科建設(shè)的東風(fēng)，圍繞電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特色，在現(xiàn)有學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新技術(shù)，以及分級(jí)、分層次的實(shí)踐教學(xué)新體系，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行改革，以實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的目的，進(jìn)而滿足集成電路行業(yè)對(duì)各類層次人才的需求。

[關(guān)鍵詞] 集成電路;驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué);探索性實(shí)踐教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2020年度遼寧省教育廳基礎(chǔ)研究基金“以微懸臂為核心的‘微-宏’一體化生化檢測(cè)芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”（LJGD2020014）

[作者簡(jiǎn)介] 張 賀（1981—），男，遼寧沈陽人，博士，沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微機(jī)電系統(tǒng)研究。

[中圖分類號(hào)] TN710-4;G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）52-0137-04 ? [收稿日期] 2021-04-22

一、引言

以電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科為基礎(chǔ)的集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試及應(yīng)用是目前全球信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，也是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、保障國(guó)家戰(zhàn)略安全、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)領(lǐng)域[1，2]。我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)60年代誕生以來，歷經(jīng)“軍工配套”“進(jìn)口二手”“突破攻關(guān)”等發(fā)展階段后，已經(jīng)走上了快速發(fā)展道路。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)推進(jìn)綱要”等一系列重大戰(zhàn)略措施的出臺(tái)，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批具備一定國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)秀企業(yè)。以華為海思為代表的電路設(shè)計(jì)公司整體實(shí)力顯著提升，已具備一定國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力;以中芯國(guó)際、上海華宏為代表的芯片制造企業(yè)，已成功實(shí)現(xiàn)14nm芯片量產(chǎn);以中微半導(dǎo)體、沈陽芯源等為代表設(shè)備制造公司，部分核心產(chǎn)品已被國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)線大規(guī)模采用;以南通華達(dá)、天水華天等為代表的封裝測(cè)試企業(yè)，技術(shù)也正在逐步接近國(guó)際先進(jìn)水平。然而，我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)仍然存在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)缺失、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)不能協(xié)同發(fā)展、科研院所創(chuàng)新能力薄弱、高校人才培養(yǎng)與市場(chǎng)需求脫節(jié)等突出問題[3，4]。上述問題導(dǎo)致我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展水平與先進(jìn)國(guó)家（地區(qū)）相比依然存在較大差距，高端芯片、傳感器仍然大量依賴進(jìn)口或國(guó)外代工廠生產(chǎn)，經(jīng)常面臨限購、斷供甚至禁運(yùn)的威脅，難以保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的有序發(fā)展，也無法形成對(duì)信息安全的有力支撐。

作為全球最大的芯片進(jìn)口國(guó)，受到新冠肺炎疫情和以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)封鎖的影響，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)正加速進(jìn)入重大調(diào)整變革期。一方面，我國(guó)擁有全球規(guī)模最大的集成電路市場(chǎng)，在5G移動(dòng)智能終端、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新業(yè)態(tài)引領(lǐng)下，芯片需求量呈爆發(fā)式增長(zhǎng);另一方面，2019年我國(guó)芯片的自給率僅為30%，而中國(guó)企業(yè)在全球供應(yīng)鏈的占比僅為5%，且以技術(shù)含量較低的分立器件為主[5，6]。突出的供需矛盾使我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展既面臨巨大的挑戰(zhàn)，也迎來難得的機(jī)遇，如何充分發(fā)揮市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，營(yíng)造良好發(fā)展環(huán)境，激發(fā)企業(yè)活力并帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，努力實(shí)現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展是“十四五”規(guī)劃及今后更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)需要持續(xù)關(guān)注的問題[7，8]。

二、課程現(xiàn)狀分析

產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展需要以人為本，近年來國(guó)內(nèi)大學(xué)已把培養(yǎng)集成電路行業(yè)相關(guān)人才列為重要發(fā)展目標(biāo)，從課程設(shè)置到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都進(jìn)行了不同程度的改革，努力填補(bǔ)行業(yè)人才缺口[9，10 ]。盡管如此，很多高校的教學(xué)內(nèi)容依然落后于“摩爾定律”推動(dòng)下的技術(shù)進(jìn)步，導(dǎo)致教學(xué)效果與集成電路行業(yè)對(duì)高層次領(lǐng)軍、骨干專業(yè)和熟練技術(shù)等各類人才需求仍存在較大差距?？梢姡∪娮涌茖W(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系，針對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及高速、可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)出能滿足需求的新一代創(chuàng)新型集成電路人才，是擺在高等教育工作者面前的一份全新試卷。

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是典型的工科專業(yè)，不僅需要各層次畢業(yè)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、深厚的專業(yè)修養(yǎng)、開闊的思維方式，同時(shí)還要求靈活的知識(shí)應(yīng)用能力、熟練的實(shí)際操作能力和出色團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。上述能力僅憑課堂教學(xué)無法獲得，必須借助由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)構(gòu)成的完善實(shí)踐教學(xué)體系，讓學(xué)生加深對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)必修課的理解、提高動(dòng)手能力的同時(shí)，學(xué)會(huì)融會(huì)貫通和創(chuàng)新應(yīng)用。

沈陽工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系成立已有數(shù)十年歷史，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模及設(shè)備經(jīng)過多年積累已初具規(guī)模，其中主要設(shè)備包括：磁控濺射設(shè)備、CVD化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)、光刻機(jī)、擴(kuò)散爐、氧化爐、超聲壓焊機(jī)、燒結(jié)爐等，上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅能夠?yàn)楸究平虒W(xué)工作提供有力保障，也為研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)和各類創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目提供了有力的支持。不過在“摩爾定律”的驅(qū)動(dòng)下，為不斷提高半導(dǎo)體芯片的集成度和良品率，追求最大化的經(jīng)濟(jì)效益，各類生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試設(shè)備的發(fā)展也日新月異，各類微電子設(shè)備不僅價(jià)格高昂，使用和維護(hù)費(fèi)用也不菲。可見，在我國(guó)高校辦學(xué)經(jīng)費(fèi)主要以政府投入的背景下，建立能夠緊隨行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的實(shí)驗(yàn)室，并開展大規(guī)模實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，必須結(jié)合本專業(yè)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的具體情況，依托學(xué)院、學(xué)校的教學(xué)資源共享平臺(tái)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等先進(jìn)手段，建立分層次的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)體系，探索一條適合本專業(yè)現(xiàn)狀的“新工科”人才培養(yǎng)之路。

三、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)改革探索

為適應(yīng)新形勢(shì)下集成電路專業(yè)人才培養(yǎng)要求和解決當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)過程中存在問題，可以把實(shí)踐教學(xué)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)踐兩大類。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與課堂教授的理論知識(shí)緊密聯(lián)系，其的目的是幫助學(xué)生加深對(duì)半導(dǎo)體器件原理的理解，掌握器件典型技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法，熟悉PN節(jié)、MOS管等基礎(chǔ)器件的生產(chǎn)工藝，為繼續(xù)深造學(xué)習(xí)或后續(xù)工作應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。探索性實(shí)踐則是依托學(xué)院現(xiàn)有的省級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、專任教師科研項(xiàng)目或各級(jí)各類競(jìng)賽，將微電子器件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證、制造和測(cè)試等環(huán)節(jié)互相銜接，豐富和拓展學(xué)生的自主知識(shí)體系，吸引學(xué)生主動(dòng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。如此設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)分級(jí)、分層次教學(xué)體系，不僅有助于擺脫電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和以其為基礎(chǔ)的微電子、集成電路等相關(guān)領(lǐng)域畢業(yè)生“進(jìn)不了門、動(dòng)不了手、上不了線”的尷尬局面，還能夠結(jié)合學(xué)生的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，分層次培養(yǎng)出可適應(yīng)行業(yè)內(nèi)不同需求的人才。

在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)方面，改革首先以“微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”為抓手進(jìn)行試點(diǎn)?！拔㈦娮踊A(chǔ)實(shí)驗(yàn)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，集成電路方向重要的驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，也是學(xué)生首次接觸到的專業(yè)實(shí)踐類課程。原有“微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程簡(jiǎn)表如表1所示。

以上實(shí)驗(yàn)與“半導(dǎo)體器件物理”“半導(dǎo)體器件原理”等學(xué)科主干課程相輔相成，但部分內(nèi)容已經(jīng)落后于當(dāng)今技術(shù)發(fā)展，所用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法或測(cè)試儀器已不再是當(dāng)下的通用或主流技術(shù)，與行業(yè)發(fā)展方向脫節(jié)。因此，需要針對(duì)新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求進(jìn)行升級(jí)與改革。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖形、圖像處理、仿真和電子信息等技術(shù)，利用生活中的真實(shí)場(chǎng)景作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬人的視覺、觸覺、嗅覺等感知體驗(yàn)。采用VR技術(shù)的微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的工藝、材料信息，按照自己設(shè)計(jì)的器件版圖模擬制備過程。最后通過設(shè)備擴(kuò)展的虛擬儀器功能實(shí)現(xiàn)對(duì)最終器件的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的閉環(huán)生產(chǎn)流程。目前基于VR技術(shù)可完成虛擬實(shí)驗(yàn)課程如表2所示。

基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生參與到PN節(jié)、MOS管等器件從晶圓氧化開始到性能測(cè)試的全流程，使學(xué)生在本科階段就能夠接觸到半導(dǎo)體器件制備的核心技術(shù)，以彌補(bǔ)“半導(dǎo)體器件原理”“微電子工藝基礎(chǔ)”等課程在講授過程中的理論局限性和抽象性。激發(fā)學(xué)生對(duì)集成電路生產(chǎn)制備技術(shù)的興趣，為從根本上改變目前我國(guó)微電子行業(yè)重視設(shè)計(jì)、忽視制備和加工的現(xiàn)狀，早日突破國(guó)外企業(yè)的技術(shù)封鎖盡一份綿薄之力。

在探索性實(shí)踐課程方面，本專業(yè)教師多年來一直在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”精神的指引下開展各類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)和科研工作。在教學(xué)大綱中原有課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的支撐下，緊跟現(xiàn)階段國(guó)家行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，借助全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、天華杯全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽等賽事的東風(fēng)，以服務(wù)東北地區(qū)老工業(yè)基地與制造業(yè)升級(jí)為目標(biāo)，逐步推行探索式實(shí)踐教學(xué)模式。探索式實(shí)踐課程的核心思路包括以下幾點(diǎn)。

1.探索學(xué)生在學(xué)院甚至是學(xué)校內(nèi)部跨專業(yè)選修實(shí)驗(yàn)課程。跨專業(yè)甚至跨學(xué)院選修實(shí)驗(yàn)課程能夠打破專業(yè)壁壘，幫助在學(xué)生構(gòu)建更為完善的知識(shí)體系的同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相近或相關(guān)專業(yè)的了解，也提升了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.改進(jìn)實(shí)踐課程的命題及考核方式。探索類實(shí)踐課程的考核應(yīng)朝著更貼近企業(yè)生產(chǎn)或創(chuàng)新應(yīng)用的方向推進(jìn)。逐步以開放式命題為主，鍛煉學(xué)生依靠團(tuán)隊(duì)的力量分析解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力，降低理論公式、操作規(guī)范等內(nèi)容在考核結(jié)果中的比重。

3.摸索學(xué)分置換式的實(shí)踐教學(xué)新形勢(shì)。聯(lián)合校外實(shí)踐、實(shí)習(xí)基地及與本專業(yè)有人才培養(yǎng)協(xié)議的企業(yè)，將大四年級(jí)待畢業(yè)的學(xué)生送往相關(guān)企事業(yè)單位，進(jìn)行為期3～6個(gè)月不等的校外實(shí)踐實(shí)習(xí)。實(shí)習(xí)結(jié)束后，企事業(yè)單位將按照各自的新員工入職培養(yǎng)考核辦法，對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)能力測(cè)試，并給予成績(jī)。該成績(jī)可與校內(nèi)選修課或?qū)嵺`類課程進(jìn)行置換，以期在滿足培養(yǎng)方案要求的基礎(chǔ)上，最大限度地迎合行業(yè)企業(yè)實(shí)際學(xué)期，縮短畢業(yè)生的就業(yè)適應(yīng)期。

四、結(jié)語

本文分析了在新冠肺炎疫情和國(guó)外技術(shù)封鎖雙重困局下，高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，旨在以此為基礎(chǔ)在“以本為本”和“新工科”建設(shè)辦學(xué)理念下，探索漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)模式。針對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)對(duì)不同層次人才的需求，以提高畢業(yè)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神為目的，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行分層次改革試驗(yàn)。

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