新時(shí)代計(jì)算機(jī)類專業(yè)電子工程能力的培養(yǎng)探索

吳屏 高菲 姜倩倩

摘要：隨著我國(guó)核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)的自主化進(jìn)程，十四五規(guī)劃中明確提出了科技前沿領(lǐng)域的攻關(guān)，“人工智能”“集成電路”，包括不限于集成電路設(shè)計(jì)工具、聚焦高端芯片，加強(qiáng)通用處理器、云計(jì)算系統(tǒng)和軟件核心技術(shù)一體化研發(fā)。這些規(guī)劃和遠(yuǎn)景目標(biāo)都要求新時(shí)代計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生擁有更多的電子類知識(shí)結(jié)構(gòu)和一定的硬件動(dòng)手能力，能夠系統(tǒng)地分析解決工程問(wèn)題，本文探索了如何在現(xiàn)有的課程架構(gòu)中，改革工程訓(xùn)練（電子工藝實(shí)習(xí)）的課程內(nèi)容和教學(xué)方式，以工程項(xiàng)目為引導(dǎo)，以電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的流程為主線，建設(shè)了緊接電子前沿技術(shù)行業(yè)、主流技術(shù)、多學(xué)科交叉的模塊化的課程群。實(shí)踐表明，課程的教學(xué)改革有助于計(jì)算機(jī)類專業(yè)電子工程能力的培養(yǎng)，對(duì)后續(xù)課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽、科技創(chuàng)新、科研深造等都有很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：電子工程;計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng);電子實(shí)訓(xùn)

多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的階躍式的進(jìn)步和發(fā)展，高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的培養(yǎng)方案和主干課程越來(lái)越向著軟件類擴(kuò)展，電子硬件課程類大量被刪減，導(dǎo)致培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生缺少必要硬件的知識(shí)和能力，缺乏對(duì)系統(tǒng)的理解，對(duì)他們后期的深造和發(fā)展是十分不利的。隨著我國(guó)核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)的自主化進(jìn)程，十四五規(guī)劃中明確提出了科技前沿領(lǐng)域的攻關(guān)，“人工智能”“集成電路”[1]，包括了集成電路設(shè)計(jì)工具、集成電路先進(jìn)工藝，聚焦高端芯片、操作系統(tǒng)、傳感器等關(guān)鍵領(lǐng)域，加強(qiáng)通用處理器、云計(jì)算系統(tǒng)和軟件核心技術(shù)一體化研發(fā)。這些規(guī)劃和遠(yuǎn)景目標(biāo)都要求新時(shí)代的計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生擁有更多的電子類的知識(shí)結(jié)構(gòu)和一定的硬件動(dòng)手能力，能夠系統(tǒng)地分析問(wèn)題，解決產(chǎn)業(yè)中學(xué)科交叉的工程問(wèn)題[2]。

高校的專業(yè)培養(yǎng)方案的更改相比于市場(chǎng)人才的需求更新是緩慢的，那如何在現(xiàn)有的體制下，培養(yǎng)學(xué)生這種能力？我們研究探索了面向計(jì)算機(jī)類學(xué)生的工程訓(xùn)練（電子工藝實(shí)習(xí)）課程改革[3]，改變了傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單基礎(chǔ)技能的動(dòng)手實(shí)訓(xùn)，深度整合利用各專業(yè)的實(shí)驗(yàn)資源，讓學(xué)生獲得從芯片級(jí)到板級(jí)到整機(jī)級(jí)別的電子產(chǎn)品制成工藝的基本知識(shí)，建立電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、檢測(cè)的制造體系概念，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀、工程知識(shí)和工業(yè)素養(yǎng)。

一、電子工藝實(shí)習(xí)

（一）課程內(nèi)容體系

我校計(jì)算機(jī)類的工程訓(xùn)練（電子工藝實(shí)習(xí)），面向本科二年級(jí)學(xué)生，培養(yǎng)電子工程行業(yè)素質(zhì)和綜合實(shí)踐能力。結(jié)合電子行業(yè)領(lǐng)域的背景，以及計(jì)算機(jī)類專業(yè)的課程體系，以電子工程項(xiàng)目方案為依托[4]，以電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的流程為主線，設(shè)計(jì)與制造并重，軟件和工藝并存，建設(shè)了緊接電子前沿技術(shù)行業(yè)、主流技術(shù)、多學(xué)科交叉的模塊化的課程群。

從電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造流程來(lái)看，電子工藝實(shí)習(xí)的核心類課程體系分為如下幾個(gè)教學(xué)模塊：導(dǎo)論、半導(dǎo)體技術(shù)與應(yīng)用、電子封裝設(shè)計(jì)、電子元器件識(shí)別與檢測(cè)、電子小制作、印刷電路板設(shè)計(jì)與制造、SMT生產(chǎn)工藝。學(xué)生由導(dǎo)論和半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用理論課領(lǐng)入門(mén)，隨后開(kāi)展電子硬件設(shè)計(jì)與制造實(shí)訓(xùn)課程。在電子封裝設(shè)計(jì)中了解電子元器件微電子設(shè)計(jì)與制造工藝，學(xué)會(huì)測(cè)試元器件的特性和參數(shù)分析，學(xué)會(huì)挑選元器件進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)，了解PCB制造工藝，學(xué)會(huì)手工焊接與電路功能調(diào)試，同時(shí)了解自動(dòng)化表面貼裝焊接工藝（SMT工藝）與檢測(cè)分析。

（二）教學(xué)模塊建設(shè)

在上述的教學(xué)模塊中，“電子小制作”是核心的綜合類教學(xué)模塊，以一個(gè)簡(jiǎn)單的“音響”產(chǎn)品為例，如圖1為其關(guān)聯(lián)其他的教學(xué)模塊知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。課程以一個(gè)簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品為方案依托，將電子工程中的設(shè)計(jì)知識(shí)、制造工藝流程知識(shí)等一系列的工程知識(shí)融入實(shí)物實(shí)操中，帶領(lǐng)學(xué)生由淺入深地進(jìn)入電子工程的世界，從微小到宏觀，從設(shè)計(jì)圖到實(shí)物，從人工到生產(chǎn)線，在這個(gè)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身計(jì)算機(jī)的專業(yè)背景去思考，在宏大的電子領(lǐng)域內(nèi)，未來(lái)的發(fā)展中，“我的定位是什么”“我想做什么”“我能做什么”“我需要怎樣做”。這樣的教學(xué)方式，使得這門(mén)傳統(tǒng)的工科實(shí)訓(xùn)課程豐富了思政教學(xué)、情操培養(yǎng)的內(nèi)涵。

按照從微小到宏觀，產(chǎn)品的制成順序，我們的各教學(xué)模塊知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)如下：

1.電子封裝設(shè)計(jì)

電子封裝是指在半導(dǎo)體圓片裂片以后，將一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來(lái)，并使芯片的焊區(qū)與封裝的外引腳用引線鍵合（WB）、載帶自動(dòng)鍵合（TAB）和倒裝芯片鍵合（FCB）連接起來(lái)，使之成為有實(shí)用功能的電子元器件或組件，也稱芯片級(jí)封裝。

在電子封裝設(shè)計(jì)教學(xué)模塊中，通過(guò)電子封裝行業(yè)背景和關(guān)鍵技術(shù)流程，以封裝SMDLED為核心實(shí)操內(nèi)容，通過(guò)具體工藝流程，讓學(xué)生了解固晶、焊接、封膠過(guò)程中的關(guān)鍵工藝、材料和設(shè)備。便于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生結(jié)合同學(xué)期其他相關(guān)課程“數(shù)字邏輯”“計(jì)算機(jī)組成原理”，加強(qiáng)對(duì)底層的數(shù)字芯片的制成工藝的理解，使得軟件設(shè)計(jì)有了形象堅(jiān)實(shí)的基石。

2.元器件識(shí)別與檢測(cè)

通過(guò)學(xué)習(xí)常見(jiàn)的電子元器件的分類，特性，學(xué)會(huì)使用萬(wàn)用表、LCR測(cè)試儀、半導(dǎo)體圖示儀等設(shè)備測(cè)量電子元器件的各種參數(shù)，理解同類型不同材料特性的元器件的參數(shù)差異，以及學(xué)習(xí)元器件選用的基本原則。

3.硬件電路設(shè)計(jì)——原理圖和印刷電路板設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)，要求從需求功能分析到電子電路仿真，到電子元器件的計(jì)算選型，接著原理圖設(shè)計(jì)和印刷電路板的設(shè)計(jì)，其中包含了元器件選型、電子電路的設(shè)計(jì)仿真、原理圖繪制、印刷電路板繪制，對(duì)模擬電子技術(shù)知識(shí)的要求較高，而對(duì)于計(jì)算機(jī)類專業(yè)的同學(xué)來(lái)說(shuō)，模擬電路設(shè)計(jì)并不是核心知識(shí)，所以，我們課程的教學(xué)模塊僅要求同學(xué)們讀懂元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，能讀懂原理圖，掌握原理圖的畫(huà)法規(guī)范，能夠由原理圖繪制印刷電路板圖，理解印刷電路板圖的工藝要點(diǎn)，并且體會(huì)工程設(shè)計(jì)軟件對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的幫助，同時(shí)了解機(jī)械加工、化學(xué)材料知識(shí)等在電子工藝中的應(yīng)用，拓展知識(shí)面[5]。

4.印刷電路板制造

印制電路板是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。它將電路原理圖的元器件以及他們的電氣連接關(guān)系在三維空間中以多層的形式構(gòu)建了出來(lái)。