光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

楊爽　金偉　周靜

［摘 要］ 對(duì)焦國家中國芯開發(fā)戰(zhàn)略，自主設(shè)計(jì)開發(fā)光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以芯片生產(chǎn)過程中的光刻-刻蝕工藝作為代表，通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)備建模、光路模擬、微觀粒子運(yùn)動(dòng)演示等，將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的光刻-刻蝕工藝影響、轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀化展示給實(shí)驗(yàn)者，利用“練習(xí)模式”和“考試模式”讓實(shí)驗(yàn)者充分開展實(shí)驗(yàn)探索，通過不同模擬情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)解決了光刻-刻蝕實(shí)驗(yàn)在高校難以開展的問題，為綜合型人才培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 光刻-刻蝕；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度武漢理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“材料物理實(shí)習(xí)課程教學(xué)體系和運(yùn)行模式研究與實(shí)踐”（W2022004）；2021年湖北省科技廳湖北省自然科學(xué)基金杰出青年基金“復(fù)合介質(zhì)材料高頻介電損耗的界面序構(gòu)調(diào)控”（2021CFA067）；2022年湖北省教育廳國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（省級(jí)）“Cu3Mo2O9/MoO3p-n異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料的制備及其胺敏性能研究”（S202210497046）

［作者簡(jiǎn)介］ 楊 爽（1988—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事過渡金屬氧化物納米功能材料研究；金 偉（1983—），女，湖北咸寧人，博士，武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員，主要從事功能材料及物理效應(yīng)研究；周 靜（1970—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，博士，武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事介電、壓電、鐵電功能陶瓷及其復(fù)合材料研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）17-0041-05［收稿日期］ 2022-11-28

引言

光刻與刻蝕技術(shù)是實(shí)現(xiàn)圖案從掩膜版向特定基底轉(zhuǎn)移的精密加工技術(shù)，在集成電路制造、太陽能電池的制備、智能傳感器件等上述的諸多領(lǐng)域中均有涉及，具有廣泛的適用性［1-2］。然而，光刻-刻蝕相關(guān)設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高昂、加工環(huán)境要求苛刻，難以在高校中開展實(shí)踐教學(xué)［3-4］。僅通過理論教學(xué)，學(xué)生無法充分了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及抽象運(yùn)行過程，不能體驗(yàn)工藝過程對(duì)結(jié)果的復(fù)雜影響［5］。

利用虛擬仿真技術(shù)可以將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、抽象復(fù)雜的光刻原理和刻蝕原理、轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、工藝流程、操作技能等，以沉浸式、交互式的形式，準(zhǔn)確、生動(dòng)、形象地展現(xiàn)出來，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握［6-8］。立足學(xué)科優(yōu)勢(shì)，對(duì)接武漢光谷萬億級(jí)光電子產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體相關(guān)行業(yè)人才的培養(yǎng)需求，基于“固體物理”“半導(dǎo)體物理與器件”“新能源材料與技術(shù)”等理論課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐需求，武漢理工大學(xué)開展了光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)。本文將從實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的要求、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)特色三方面闡述光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)情況，并對(duì)其實(shí)施后對(duì)教學(xué)的影響進(jìn)行分析。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思路

首先，了解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的受眾，明確相關(guān)基礎(chǔ)理論課程對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求焦點(diǎn)，從而合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合［9］。具有相關(guān)學(xué)科理論知識(shí)背景的實(shí)驗(yàn)者，能夠掌握典型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和材料制備加工基本技能，但缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無法真正理解光刻-刻蝕具體加工過程及相關(guān)影響因素。因此，本實(shí)驗(yàn)一方面設(shè)計(jì)了工廠漫游環(huán)節(jié)，讓實(shí)驗(yàn)者能夠?qū)Π雽?dǎo)體相關(guān)背景及加工全過程形成感性認(rèn)識(shí)；另一方面，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)情境，允許實(shí)驗(yàn)者試錯(cuò)并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在趣味探索過程中掌握知識(shí)，從而了解不同工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響情況。對(duì)于相關(guān)學(xué)科理論知識(shí)薄弱的學(xué)生，通過實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備拆解、考試等功能板塊的有機(jī)結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)者能夠通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)光刻-刻蝕的基本原理知識(shí)、技術(shù)要求、設(shè)備結(jié)構(gòu)，并能隨時(shí)對(duì)知識(shí)的掌握情況進(jìn)行自檢。

其次，不同器件制造過程中所用到的光刻-刻蝕工序不一，具體流程煩瑣、復(fù)雜。本實(shí)驗(yàn)去掉不同器件制程中的重復(fù)步驟，化繁為簡(jiǎn)，選取最具有普遍性和代表性的光刻-刻蝕工藝作為虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的主要內(nèi)容，著重考查學(xué)生對(duì)典型設(shè)備、工藝、原理、影響因素的掌握與靈活運(yùn)用情況，以及對(duì)結(jié)果的綜合分析能力。

此外，實(shí)驗(yàn)的顆粒度過大易使實(shí)驗(yàn)者疲勞，降低精神集中度，設(shè)計(jì)2～4課時(shí)為宜。實(shí)驗(yàn)還設(shè)計(jì)了“練習(xí)模式”和“考試模式”，使得實(shí)驗(yàn)者可以有練習(xí)過程，根據(jù)自身需求充分探索，又能夠減少后臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)保存質(zhì)量。

（二）實(shí)驗(yàn)面向?qū)W生要求

目前本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向材料類、微電子或信息類的大三或大四年級(jí)學(xué)生，要求學(xué)生較系統(tǒng)的完成“固體物理”“半導(dǎo)體物理與器件”“半導(dǎo)體制造技術(shù)”“新能源材料與器件”等專業(yè)理論課程的學(xué)習(xí)，已掌握晶體材料制備與改性、半導(dǎo)體器件的基本理論，掌握材料制備的基本方法、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理、材料或器件的表征及應(yīng)用，對(duì)晶體材料“組成—結(jié)構(gòu)—電學(xué)性能”之間基本關(guān)系也有一定認(rèn)識(shí)。

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.“練習(xí)模式”與“考試模式”。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)頁面時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示實(shí)驗(yàn)者選擇“練習(xí)模式”或“考試模式”。在“練習(xí)模式”下，實(shí)驗(yàn)者可自由挑選某一步驟學(xué)習(xí)，錯(cuò)誤操作不計(jì)入最終實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)且系統(tǒng)會(huì)給出提示與解析，給予實(shí)驗(yàn)者即時(shí)反饋。實(shí)驗(yàn)者在“練習(xí)模式”下充分嘗試并體驗(yàn)不同實(shí)驗(yàn)情境，了解相關(guān)工藝的要求以及參數(shù)設(shè)置對(duì)結(jié)果的影響，從而在探索中學(xué)習(xí)、總結(jié)。在“考試模式”下，實(shí)驗(yàn)者只能按照正確步驟開展實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)不再給出具體錯(cuò)誤提示與解析，系統(tǒng)僅記錄實(shí)驗(yàn)者操作情況并給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果的最終檢測(cè)。

線下實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的容錯(cuò)率較低，實(shí)驗(yàn)者往往難以真正進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)探索。而這兩種模式充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的便捷性與安全性優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)者提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)選擇，“實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健痹试S實(shí)驗(yàn)者充分探索，在不同實(shí)驗(yàn)情境中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而直觀了解工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，分析、總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，便于及時(shí)查缺補(bǔ)漏；“考試模式”允許實(shí)驗(yàn)者檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，反饋學(xué)習(xí)情況。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)在于讓學(xué)生明確光刻-刻蝕工藝作用，掌握正、負(fù)膠選取原則，理解光刻-刻蝕工藝的影響因素，讓實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行芯片性能分析、改善與設(shè)計(jì)過程中能夠有意識(shí)地將相關(guān)因素納入考量，為后續(xù)實(shí)踐與工作創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。以涂膠步驟為例，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)者提出光刻膠目標(biāo)厚度、掩膜版與目標(biāo)圖形圖案等要求，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)要求選擇光刻膠種類、黏度、涂膠工藝參數(shù)等內(nèi)容。錯(cuò)誤的選擇可能造成光刻圖案錯(cuò)誤、光刻膠層過厚等問題，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

對(duì)準(zhǔn)曝光是光刻工藝中的重要過程，涉及的知識(shí)點(diǎn)包括對(duì)準(zhǔn)曝光的作用、光源與關(guān)鍵尺寸（CD）分辨率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、曝光劑量對(duì)光刻結(jié)果的影響等。為使實(shí)驗(yàn)者直觀看到光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)曝光過程，系統(tǒng)搭建光刻機(jī)模型并呈現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行時(shí)光路變化等細(xì)節(jié)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論或?qū)嵺`教學(xué)方式難以將微觀、瞬時(shí)過程及設(shè)備運(yùn)行機(jī)制展現(xiàn)出來的缺憾。系統(tǒng)在此設(shè)置了兩個(gè)考察點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)者需要根據(jù)特征尺寸要求選擇曝光光源的種類、波長(zhǎng)和描述符；二是實(shí)驗(yàn)者需要通過正膠/負(fù)膠留膜率與曝光劑量關(guān)系，合理選擇曝光時(shí)間。錯(cuò)誤的選擇可能造成光刻精度不符合要求、光刻膠清洗不凈等問題，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

在實(shí)際生產(chǎn)中，光刻是制程中唯一可返廠的工藝，系統(tǒng)模擬實(shí)際生產(chǎn)中的光刻結(jié)果檢查過程，要求實(shí)驗(yàn)者在這一步驟中，正確評(píng)價(jià)晶圓圖案情況，并選擇是否讓晶圓返廠。晶圓圖案會(huì)因?qū)嶒?yàn)者操作不同而呈現(xiàn)不同結(jié)果，如正常、浮膠、針孔等。若選擇返廠，系統(tǒng)回到第一個(gè)步驟重新開始實(shí)驗(yàn)；若選擇不返廠，則進(jìn)行刻蝕步驟并根據(jù)刻蝕后圖案結(jié)果的正確性給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)。晶圓圖案檢查是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)者要綜合利用所學(xué)知識(shí)，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)結(jié)果，分析光刻-刻蝕過程的影響因素，及時(shí)糾錯(cuò)。通過這一過程，深化實(shí)驗(yàn)者對(duì)工藝與性能相關(guān)性的認(rèn)識(shí)，在實(shí)踐中學(xué)會(huì)考慮芯片性能分析與芯片工藝設(shè)計(jì)相關(guān)因素間的關(guān)系，從而具備進(jìn)一步進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)、開發(fā)的創(chuàng)新能力。

（四）教學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)方法

教學(xué)過程中，教師有機(jī)結(jié)合各種教學(xué)新形式，綜合運(yùn)用講授法、討論法、練習(xí)法、啟發(fā)法等教學(xué)方法，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)各階段有序進(jìn)行。例如，同時(shí)利用武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行授課，提供線下VR設(shè)備體驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生沉浸感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，利用情境法、模型法、觀察法和逆向思維法等實(shí)驗(yàn)方法，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，方便學(xué)生充分觀察、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，提高學(xué)生的思考、總結(jié)能力。

二、實(shí)驗(yàn)特色

（一）問題導(dǎo)向的綜合性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)屬于綜合性實(shí)驗(yàn)，以問題為導(dǎo)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)者實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［10］。系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)置晶圓污染情況、光刻膠厚度、目標(biāo)圖案形狀、尺寸、待刻蝕物質(zhì)等實(shí)驗(yàn)情景和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程不同，結(jié)果也不同。著重考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與靈活運(yùn)用能力，以及對(duì)結(jié)果的綜合分析與解決問題的能力，這也是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。

（二）探究式體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的“練習(xí)模式”和“考試模式”給予實(shí)驗(yàn)者自由探究空間，實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)提示與實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄看到錯(cuò)誤操作，根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析問題并找到原因。不同實(shí)驗(yàn)情境和隨機(jī)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)問題增加了實(shí)驗(yàn)過程中的挑戰(zhàn)度，激發(fā)了實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)興趣，這也是本實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)［11］。

（三）教學(xué)指引完善，易上手

實(shí)驗(yàn)過程中，有必要的操作指引與明確標(biāo)識(shí)，使實(shí)驗(yàn)者能夠順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，教學(xué)引導(dǎo)視頻、在線咨詢、論壇、系統(tǒng)操作提示等教學(xué)指導(dǎo)資源豐富，方便實(shí)驗(yàn)者快速理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，上手學(xué)習(xí)。此外，用游戲的體驗(yàn)方式開展實(shí)驗(yàn)，有芯片輸送機(jī)器人和導(dǎo)航機(jī)器人進(jìn)行晶圓運(yùn)送和相關(guān)知識(shí)講解。每次步驟操作都會(huì)有人機(jī)交互反饋，避免了以往的實(shí)訓(xùn)軟件生硬的操作體驗(yàn)，提高了用戶認(rèn)可度［12］。

（四）虛擬仿真程度高，沉浸式體驗(yàn)感好

模擬真實(shí)場(chǎng)景，還原芯片生產(chǎn)場(chǎng)景細(xì)節(jié)。如：加設(shè)天車系統(tǒng)、布置通風(fēng)口，以及不同的設(shè)備對(duì)燈光要求不同，光刻機(jī)、顯影機(jī)、清洗機(jī)等要放在黃光區(qū)，離子刻蝕機(jī)放在白光區(qū)，并且光刻機(jī)要單獨(dú)隔離。設(shè)備、工廠模型仿真設(shè)計(jì)，參考真實(shí)設(shè)備外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，仿真模擬設(shè)備的輸入面板，設(shè)備運(yùn)行參考真實(shí)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，綜合運(yùn)用Unity3D、3D Studio Max、Visual Studio等技術(shù)手段，提高場(chǎng)景的可觀性與真實(shí)性，進(jìn)而確保實(shí)驗(yàn)者在設(shè)備操作過程中的沉浸感。此外，對(duì)于微觀、瞬時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用模型法通過獨(dú)立畫中畫進(jìn)行放大展示，生動(dòng)直觀。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)施對(duì)教學(xué)的影響

一方面，光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)資源，豐富課堂教學(xué)模式。另一方面，相比于線下實(shí)驗(yàn)過程難以記錄、評(píng)價(jià)依據(jù)單一的問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過隨機(jī)考試、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等實(shí)現(xiàn)多角度考核，評(píng)價(jià)體系更加完善［13］。教師可從后臺(tái)監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并隨時(shí)調(diào)取信息以便后續(xù)教學(xué)結(jié)果分析與改進(jìn)。此外，教學(xué)資源及信息管理便捷、高效，便于進(jìn)行資源共享，為校間合作與校企合作提供更多便利。目前，本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)對(duì)接“實(shí)驗(yàn)空間—國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)”，實(shí)驗(yàn)面向社會(huì)開放使用，目前已有萬余訪問量，校內(nèi)外受益使用者近千人，4所高校依托本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行課程教學(xué)，我校依托該項(xiàng)目與其他高校間積極開展相關(guān)教學(xué)交流。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的光刻-刻蝕虛擬仿真實(shí)驗(yàn)立足學(xué)校學(xué)科優(yōu)勢(shì)，對(duì)接社會(huì)相關(guān)行業(yè)人才需求，利用虛擬仿真技術(shù)將無法觸及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的光刻-刻蝕工藝影響，轉(zhuǎn)瞬即逝的微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及光刻-刻蝕工藝流程、操作技能，以沉浸式、交互式的形式，準(zhǔn)確、生動(dòng)、形象地展現(xiàn)出來，解決了高校中由于設(shè)備昂貴、數(shù)量稀少、場(chǎng)地及環(huán)境條件等因素限制而無法開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的問題。該實(shí)驗(yàn)通過問題導(dǎo)向和探究式體驗(yàn)激發(fā)實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)者綜合分析問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)界面友好、便于信息化管理，很好地補(bǔ)充了相關(guān)教學(xué)資源，豐富了課堂教學(xué)模式，具有良好的實(shí)用性與開發(fā)前景。

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Design and Implementation of? Photolithography Etching Virtual Simulation Experiment

YANG Shuanga， JIN Weib， ZHOU Jingb

（a. School of Materials Science and Engineering， b. State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Focus on the strategy for the development of national chip，A photolithography etching virtual simulation experiment was designed and developed independently. As the representative， the photolithography etching process in the field of chip production was implied. By means of virtual simulation technology， equipment modeling， light path simulation， micro particle movement demonstration， the internal structure of equipment? the complex impacts of photolithography etching technology， fleeting microscopic experiment phenomenons could be shown visually. The design of “practice mode” and “test mode” helped experimenters to carry out the experiments as they want， and learning through different simulated situations could further stimulate students interests in learning. The experiment solved the difficulty in implementing photolithography etching experiment in colleges， and laid the foundation for comprehensive cultivation of talents.

Key words： photolithography etching， virtual simulation， experiment design， teaching reform