張蒙 張亞民 萬培元 朱慧 郭春生
[摘? ? ? ? ? ?要]? 微電子科學(xué)與工程作為現(xiàn)代科技領(lǐng)域的一個關(guān)鍵學(xué)科,其本科教育極其重要。通過深入探討微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合的模式,旨在分析如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,提高他們在微電子領(lǐng)域的競爭力。首先介紹了微電子科學(xué)與工程的背景和重要性,然后詳細(xì)討論了實踐與理論相結(jié)合的教育模式的理論基礎(chǔ),接著以混合信號集合電路設(shè)計為例詳細(xì)分析了實踐與理論相結(jié)合的教育模式,最后提出了進一步優(yōu)化和改進本科微電子教育的建議,以更好地適應(yīng)快速發(fā)展的微電子領(lǐng)域的需求。
[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 微電子科學(xué)與工程;本科教育;實踐與理論相結(jié)合;綜合能力;教育模式
[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603(2023)35-0141-04
微電子科學(xué)與工程是現(xiàn)代科技領(lǐng)域中最為重要和前沿的學(xué)科之一。微電子技術(shù)的快速發(fā)展不僅改變了我們的生活方式,也推動了社會和經(jīng)濟的發(fā)展。因此,培養(yǎng)高素質(zhì)的微電子科學(xué)與工程人才是至關(guān)重要的。本科教育是培養(yǎng)這些人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,而實踐與理論相結(jié)合的教育模式被認(rèn)為是有效培養(yǎng)微電子科學(xué)與工程學(xué)生的重要途徑。微電子教學(xué)除了在課堂上進行理論授課以外,強化學(xué)生的動手實踐能力也是重要的教育教學(xué)目標(biāo)之一。
本文將深入探討微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合的教育模式,分析該模式對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和微電子領(lǐng)域競爭力提高的影響,分析實踐與理論相結(jié)合的教育模式的理論基礎(chǔ),調(diào)查該模式在微電子本科教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀和效果,提出進一步優(yōu)化和改進本科微電子教育的建議,以更好地適應(yīng)微電子領(lǐng)域的需求。通過深入研究微電子科學(xué)與工程本科教育中的實踐與理論相結(jié)合模式,可以為提高本科教育的質(zhì)量和效果,培養(yǎng)更多的優(yōu)秀微電子科學(xué)與工程人才提供有益的參考和借鑒。
一、微電子科學(xué)與工程教育的背景和重要性
微電子科學(xué)與工程涉及微觀電子元件和電路的設(shè)計、制造和應(yīng)用。它是現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于計算機、通信、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域。微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動了各行各業(yè)的發(fā)展,為社會發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會福祉。
《華盛頓協(xié)議》是國際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議。2016年6月2日,我國在馬來西亞首都吉隆坡舉辦的國際工程聯(lián)盟大會上全票通過加入《華盛頓協(xié)議》,這意味著我國的高等工程教育水平在國際上被認(rèn)可。也說明我國通過工程教育認(rèn)證的本科畢業(yè)生,可以在一些較為發(fā)達的國家獲得相應(yīng)的工程師執(zhí)照。這提升了我國相關(guān)工程專業(yè)國際上的影響力[1]。
然而,微電子科學(xué)與工程領(lǐng)域也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。技術(shù)的快速進步要求工程師和科學(xué)家具備創(chuàng)新精神、跨學(xué)科合作能力和問題解決能力。此外,微電子領(lǐng)域的競爭也日益激烈,要想在這一領(lǐng)域取得成功,不僅需要扎實的理論知識,還需要實際操作和實驗技能。結(jié)合我國的發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)今時代的特點,學(xué)習(xí)和運用辯證唯物主義世界觀和方法論,要學(xué)習(xí)掌握認(rèn)識和實踐辯證關(guān)系原理,堅持實踐第一的觀點,不斷推進實踐基礎(chǔ)上的理論創(chuàng)新。因此,微電子科學(xué)與工程本科教育的質(zhì)量和效果對于培養(yǎng)優(yōu)秀的人才至關(guān)重要。
二、實踐與理論相結(jié)合的教育模式的理論基礎(chǔ)
(一)實踐與理論相結(jié)合模式的意義
為貫徹落實《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》精神,教育部啟動實施了“六卓越一拔尖”計劃2.0,大力推進新工科、新文科、新醫(yī)科和新農(nóng)科建設(shè),完善協(xié)同育人機制,加強理論教學(xué)與實踐教學(xué)融合的一體化平臺建設(shè)。理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合是教育教學(xué)的基本規(guī)律,是新時代教育改革發(fā)展的要求[2],也是世界格局變化的要求。實踐與理論相結(jié)合的教育模式有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。學(xué)生不僅僅是理論知識的接受者,還能夠運用所學(xué)知識解決實際問題,堅持理論指導(dǎo)和實踐探索的辯證統(tǒng)一,實現(xiàn)理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新的良性互動。我們學(xué)習(xí)理論知識,不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí),而是為了解決實際問題。只有把理論與我們的工作實際相結(jié)合,理論認(rèn)識才能發(fā)揮它應(yīng)有的作用。
微電子科學(xué)與工程領(lǐng)域的就業(yè)市場競爭激烈,競爭上崗的微電子工作者獲得的回報參差不齊,對于優(yōu)秀的員工,公司愿意付出較高的報酬。有了較強的理論知識基礎(chǔ)還不夠,還應(yīng)該將理論知識基礎(chǔ)用于實踐中,實踐是檢驗理論認(rèn)知的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在擇業(yè)過程中,相同學(xué)歷與專業(yè)的兩個人,有實踐經(jīng)驗的往往具有一定的就業(yè)優(yōu)勢,由此可以看出用人企業(yè)對實踐能力的重視程度。因此,擁有實際操作經(jīng)驗的畢業(yè)生更容易獲得就業(yè)機會,這對推動實踐基礎(chǔ)上的理論創(chuàng)新提出了更高的要求。實踐與理論相結(jié)合的教育模式使在校學(xué)生在畢業(yè)后能夠迅速適應(yīng)工作環(huán)境,提高他們的就業(yè)競爭力。
(二)實踐與理論相結(jié)合的教育模式的理論基礎(chǔ)
實踐與理論相結(jié)合的教育模式基于多種教育理論,其中包括建構(gòu)主義、行為主義和認(rèn)知心理學(xué)等。建構(gòu)主義理論強調(diào)學(xué)習(xí)者通過積極參與和建構(gòu)知識來學(xué)習(xí),實踐與理論相結(jié)合正是為了促進學(xué)生的積極參與和知識建構(gòu)。行為主義理論強調(diào)學(xué)習(xí)是一種反應(yīng)和條件反射的過程,而實踐則可以幫助學(xué)生形成正確的行為反應(yīng)。認(rèn)知心理學(xué)理論關(guān)注學(xué)習(xí)者的思維過程和知識獲取方式,實踐與理論相結(jié)合可以提升學(xué)生的思維深度和創(chuàng)新能力。
(三)實踐與理論相結(jié)合的教育模式的教育心理學(xué)基礎(chǔ)
教育心理學(xué)研究了學(xué)習(xí)和教育的心理過程,對于實踐與理論相結(jié)合的教育模式具有重要的指導(dǎo)作用。在微電子科學(xué)與工程本科教育中,學(xué)生需要掌握復(fù)雜的電子原理和技術(shù)知識,而教育心理學(xué)可以幫助教師更好地理解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和心理特點,有針對性地設(shè)計教育活動。學(xué)習(xí)過程是復(fù)雜的過程,教師需要持續(xù)不斷地發(fā)展自身的教育技能和教學(xué)方法,以適應(yīng)一般和特定的教育目標(biāo),并確保教育過程能夠成功地實現(xiàn)教育目標(biāo)。教育心理學(xué)除了關(guān)注學(xué)習(xí)和教育的過程外,還關(guān)注教育過程的要素。它也可以定義為理解教育大綱,對教育過程中出現(xiàn)的人類行為的研究和科學(xué)理解。
三、微電子科學(xué)與工程本科教育的實踐與理論相結(jié)合模式:以混合信號集合電路設(shè)計這門課程為例
(一)課程設(shè)置
微電子科學(xué)與工程本科教育中,課程設(shè)置是實踐與理論相結(jié)合的關(guān)鍵。除了傳統(tǒng)的理論課程,還應(yīng)該設(shè)置實驗課程、項目課程和實習(xí)課程等,實踐性課程是微電子科學(xué)與工程本科教育專業(yè)課程體系的重要組成部分,它擔(dān)負(fù)著提高學(xué)生操作技能的重要擔(dān)子,對于提高微電子專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)能力非常有益。推進理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度融合,就是要防止理論教學(xué)與實踐教學(xué)相脫節(jié),以便學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用到實際中去。這些實踐課程或者學(xué)時設(shè)置還可以幫助學(xué)生培養(yǎng)實際操作技能和解決問題的能力。
(二)教學(xué)方法也是實踐與理論相結(jié)合的教育模式的核心
在微電子科學(xué)與工程本科教育中,教師可以采用案例教學(xué)、小組討論、項目導(dǎo)向教學(xué)等方法,鼓勵學(xué)生積極參與,培養(yǎng)他們的合作能力和創(chuàng)新能力。班級人數(shù)不宜過多,采用小班教學(xué)較為適宜[3],畢竟教師的精力有限,班級人數(shù)過多則不容易照顧到每一個人。而且班級人數(shù)過多,對小組討論、后續(xù)實踐課程部分都會造成一定的影響。以本?!盎旌闲盘柤想娐吩O(shè)計”這門課程為例,班級人數(shù)為29人,分成三人一組,則有10組,但如果班級人數(shù)有90人,則會分成30組,每組進行一定時間的發(fā)言,會使得整個發(fā)言時間大大增加,而且組間討論的時候可能會產(chǎn)生一定的混亂。如果每組人數(shù)超過3人,會使很多學(xué)生產(chǎn)生渾水摸魚的想法,不利于學(xué)生參與。而且小班教學(xué)也非常有益于后續(xù)的實踐。由于每個學(xué)生一臺設(shè)備,每臺設(shè)備耗費費用、場地以及維護設(shè)備人員的精力,因此設(shè)備數(shù)目有限。還是以本?!盎旌闲盘柤想娐吩O(shè)計”這門課程為例,設(shè)備數(shù)目為36臺,班級學(xué)生人數(shù)為29人,那么一次上課就可以容納所有人,而且每個人都可以使用一臺設(shè)備。
(三)實驗室實踐是微電子科學(xué)與工程本科教育中不可或缺的部分
學(xué)生通過實驗室實踐可以鞏固理論知識,掌握實際操作技能,培養(yǎng)創(chuàng)新精神,同時也可以培養(yǎng)實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力。實驗室實踐應(yīng)該與理論課程有機結(jié)合,形成有序的教育體系。實驗室擁有集教、學(xué)、做三種優(yōu)質(zhì)特性為一體的天然環(huán)境,對提高學(xué)生實際工程中分析問題的能力、解決問題的能力、理論知識的應(yīng)用能力起到至關(guān)重要的作用。比如在微電子科學(xué)與工程本科教育中有一門至關(guān)重要的實驗室實踐課“微電子工藝”,學(xué)生在課上學(xué)的光刻、刻蝕、生長薄膜等工藝方法,在“微電子工藝”這門實驗室實踐課中,學(xué)生通過親身實驗實踐制作過程會發(fā)現(xiàn)不只是學(xué)會每一個步驟即可,而是每一個步驟都受溫度、濕度、時間等影響,實驗做出來的結(jié)果可能會與想象的結(jié)果截然不同。比如光刻過程中曝光之后的刻蝕部分,刻蝕溶液的濃度過高,可能會使得在同樣的刻蝕時間里刻蝕深度過深,比如希望刻蝕深度為1微米,然而產(chǎn)生的結(jié)果卻是1.2微米。
四、混合信號集合電路設(shè)計課程的理論與實踐結(jié)合情況
下面以本校的混合信號集合電路設(shè)計課程為例詳細(xì)說明本科教育中實踐與理論相結(jié)合?;旌闲盘柤想娐吩O(shè)計這門課程的教學(xué)包含理論講授部分和學(xué)生實驗兩部分,共計48學(xué)時,其中理論講授課程占44學(xué)時,剩余4個學(xué)時留給學(xué)生通過一個課程設(shè)計實踐,把所學(xué)到的內(nèi)容通過實時操作加以體會。同時實時操作過程中會有一些特殊的和額外的電學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn),和理論中所學(xué)到的理想的輸出結(jié)果有出入,會促使學(xué)生深刻理解理論指導(dǎo)實踐,卻不全是理想模型。
在理論授課部分,由于集成電路的核心還是半導(dǎo)體器件,集成電路性能出現(xiàn)問題根本還是因為器件特性出現(xiàn)了漂移。因此本課程先為學(xué)生重點解釋器件部分的相關(guān)知識點,尤其是在集成電路中經(jīng)常會遇到的與器件相關(guān)的知識點。比如著名的短溝道效應(yīng),由于現(xiàn)在芯片越做越小,器件尺寸越來越小,它是當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道長度降低到十幾納米,甚至幾納米量級時,晶體管出現(xiàn)的一些效應(yīng)。這些效應(yīng)主要包括閾值電壓隨著溝道長度降低而降低、漏致勢壘降低、載流子表面散射、速度飽和、離子化和熱電子效應(yīng)。大部分學(xué)生只知道器件特性會變化,但是至于為什么器件會在短溝道產(chǎn)生變化,以及變化的大小都不太清楚。與“半導(dǎo)體器件”那門器件核心課程重點不同,這門課的器件理論授課部分主要關(guān)注短溝道效應(yīng)、窄溝道效應(yīng)、飽和區(qū)溝道調(diào)制效應(yīng)等,以及會對混合信號集成電路性能明顯產(chǎn)生影響的一些物理機制。
接下來進行了反相器相關(guān)知識點的重點講解。反相器是模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換中數(shù)字部分的核心內(nèi)容。同時結(jié)合CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semicon-ductor)晶體管反相器為學(xué)生簡要介紹集成電路基本工藝流程,培養(yǎng)全面發(fā)展型人才。由于這門課開在大三下學(xué)期,前序的很多課程都是此門課程的基礎(chǔ),而且一些課程已經(jīng)學(xué)了一年以上,學(xué)生容易遺忘,另外有些學(xué)生當(dāng)時也沒有學(xué)懂。因此根據(jù)實際情況,在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的講解之前,有必要為學(xué)生復(fù)習(xí)需要用到的前序課程重點知識,例如比較器、運算電路、斯密特觸發(fā)器等,尤其是施密特觸發(fā)器是后面實驗課上電復(fù)位電路需要用到的。這樣才能達到理論與實踐相結(jié)合的效果。此門課的最后兩部分重點內(nèi)容就是核心的數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號電路和模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號電路。相對來說,數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號電路基于前序課程模擬電子技術(shù)中的運算電路,相對容易理解一些,其中包含權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號電路、倒T型網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號電路等,因此講授課時相對較少。然而,從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,含有較多的新概念,比如系統(tǒng)性的概念,采樣、保持、量化、編碼,很多學(xué)生易被困擾,最終使得與數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號電路相比感覺難度更大,因此在模擬信號到數(shù)字信號這一塊,計劃占用較多的課時,同時咨詢了課程學(xué)生的意見,他們絕大部分認(rèn)為采取較多的課時。在模擬信號到數(shù)字信號這一塊,我們重點關(guān)注了并行比較型、逐次漸近型、雙積分型三種轉(zhuǎn)換電路。
本課程為了提高實驗的重要性,對學(xué)生的考核,不再單一地以期末考試成績分?jǐn)?shù)作為標(biāo)準(zhǔn),期末考試的成績只占混合信號集合電路設(shè)計這門課程總成績的60%,而實驗環(huán)節(jié)和課堂表現(xiàn)作業(yè)等也占到總成績的40%。設(shè)計的實驗課,用到很多理論課的知識點。實驗環(huán)節(jié)我們?yōu)閷W(xué)生提供的實驗類型為設(shè)計型,設(shè)計一款上電復(fù)位電路,如圖1所示[4]。本實驗課的目的主要是進行模擬與混合信號電路設(shè)計的訓(xùn)練,使學(xué)生初步理解電路的設(shè)計流程,掌握電路的設(shè)計方法。通過分析電路功能、理解電路原理、搭建具體電路,在電路設(shè)計過程中解決所遇到的技術(shù)問題,培養(yǎng)實訓(xùn)技能和解決實際問題的能力,提高實踐動手能力;培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、扎實肯干的工作作風(fēng)。實驗課的教學(xué)要求為具有基本的電路分析與理解能力、初步操作Cadence電路設(shè)計工具。此上電復(fù)位電路,包括電源電壓檢測電路、斯密特觸發(fā)器和延時整形電路,被廣泛應(yīng)用于集成電路芯片電源電壓上電或者下電時。電路中MN1這個NMOSFET(n type Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)工作在飽和區(qū),而不是亞閾值區(qū),因為在低電源電壓域,NMOSFET工作在飽和區(qū)的特性要比在亞閾值區(qū)穩(wěn)定。根據(jù)理論授課階段學(xué)過的器件在亞閾值區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū)等不同階段的特性,學(xué)生在此處可以更好地理解MN1的工作方式。
五、進一步優(yōu)化和改進微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合教育模式的建議
目前,很多微電子專業(yè)的學(xué)生缺乏動手能力,當(dāng)需要設(shè)計一個簡單電路或者一臺電子基本設(shè)備時便無從下手。為了更好地實現(xiàn)實踐與理論相結(jié)合,可以采取開放實驗室的方法,加大實驗室的利用率。對于一些空余時間多的實驗室,建議采取每周固定時間向?qū)W生開放,這樣也更方便管理。由于每周固定實驗室開放時間,有些學(xué)生可能會有課,所以采取單雙周不同開放時間應(yīng)該會更好。
還有一些專門的實踐課實驗室,平時基本都是空著的,沒有學(xué)生和教師使用,只有管理員進行一些基本的管理,這些實驗室只有實踐課時間才使用,會產(chǎn)生極大的浪費。如果平時也開放給學(xué)生,則會更好地實現(xiàn)實踐與理論相結(jié)合。有些實驗室在學(xué)生申請的情況下,也會偶爾讓學(xué)生進入,但如果直接開放給學(xué)生而不是等學(xué)生來申請,則會更便利學(xué)生。對于有社恐或者有點懶惰的學(xué)生,采用直接開放的方式對他們非常有益。
另外,為了更好地實現(xiàn)實踐與理論相結(jié)合,微電子本科課程需要不斷改革,更新課程內(nèi)容,引入前沿技術(shù),關(guān)注行業(yè)需求,使課程更具實踐性和針對性。還要進行教育資源整合,包括實驗室資源、教材資源、師資資源等。學(xué)校應(yīng)該投入更多的資源,提高實驗室設(shè)備的先進性,更新教材,培養(yǎng)高水平的師資隊伍。
師資隊伍的質(zhì)量直接影響微電子本科教育的質(zhì)量。當(dāng)前,高校的很多教師理論水平高,動手實踐能力差,缺乏相關(guān)的實踐經(jīng)驗。學(xué)校可以鼓勵教師參與科研項目,提高他們的實踐經(jīng)驗,同時也可以為他們提供繼續(xù)教育和培訓(xùn)機會,以保持其教學(xué)水平的先進性。
與微電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)和機構(gòu)是寶貴的合作伙伴。建立產(chǎn)學(xué)研合作項目可以為學(xué)生提供實踐機會,豐富教學(xué)內(nèi)容,同時也為學(xué)校提供了資源支持和實踐平臺。微電子科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)迅速發(fā)展,教育模式也需要不斷創(chuàng)新和改進。學(xué)校應(yīng)該與產(chǎn)業(yè)界密切合作,及時調(diào)整課程,培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的微電子科學(xué)與工程人才,以滿足社會的需求。
六、結(jié)束語
本文深入探討了微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合的重要意義以及教育模式。通過對教育理論和心理學(xué)的理論基礎(chǔ)分析,探討了課程設(shè)置、教學(xué)方法和實驗室實踐等方面的具體內(nèi)容,分析了該模式對學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和就業(yè)競爭力提高的影響。在微電子科學(xué)與工程本科教育中,實踐與理論相結(jié)合的教育模式具有重要的理論基礎(chǔ)和實踐意義。通過合理設(shè)置課程、采用多樣化的教學(xué)方法、強化實驗室實踐,可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,提高他們在微電子領(lǐng)域的競爭力。然而,要取得更好的效果,學(xué)校需要不斷優(yōu)化和改進教育模式,與產(chǎn)業(yè)界合作,提高教師的實踐水平,為學(xué)生提供更多的實踐機會。微電子科學(xué)與工程本科教育將繼續(xù)面臨挑戰(zhàn)和機遇。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,微電子領(lǐng)域的知識和技能要求也將不斷更新。因此,學(xué)校需要與產(chǎn)業(yè)界緊密合作,及時調(diào)整課程,保持教育內(nèi)容的前沿性。此外,還可以探索在線教育、遠(yuǎn)程實驗等創(chuàng)新教育方式,以滿足更多學(xué)生的需求。
本文著重探討了微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合的模式,但也存在一些局限性。本文僅就理論方面進行了一般性的討論,實際的教育模式可能因?qū)W校、地區(qū)和文化差異而有所不同。
總之,微電子科學(xué)與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合的模式是一種有效的教育方式,有助于培養(yǎng)優(yōu)秀的微電子科學(xué)與工程人才。通過不斷優(yōu)化和改進,可以更好地滿足微電子領(lǐng)域的人才需求,推動該領(lǐng)域的發(fā)展。堅持微電子科學(xué)與工程本科教育中理論和實踐相結(jié)合,必須在堅持中發(fā)展、在發(fā)展中堅持。
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