微電子人才實(shí)踐能力中的批判性思維培養(yǎng)

［摘 要］ 批判性思維在教育中的應(yīng)用有廣泛的意義和價(jià)值。為了應(yīng)對不斷變化的市場需求和技術(shù)環(huán)境，微電子人才亟待加強(qiáng)批判性思維的培養(yǎng)。以國防科技大學(xué)開設(shè)的“微電子科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)為例，從問題提出、驗(yàn)證方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面具體介紹了在課堂教學(xué)中如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)，有意識地加強(qiáng)學(xué)生的批判性思維的培養(yǎng)。對批判性思維的培養(yǎng)面臨的一些挑戰(zhàn)，例如，教師自身能力不足、學(xué)生缺乏意識和能力、評估手段不足等展開介紹，并且分析了具體的對策。

［關(guān)鍵詞］ 微電子技術(shù)；批判性思維；教學(xué)設(shè)計(jì)

［基金項(xiàng)目］ 2022年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向微電子人才培養(yǎng)的全流程貫通式實(shí)踐模式研究”（HNJG-2022-0417）；2021年度國防科技大學(xué)教育教學(xué)研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目“面向集成電路‘全流程’能力培養(yǎng)的微電子本科專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)”（U2021204）

［作者簡介］ 李 楠（1984—），男，湖南長沙人，博士，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，現(xiàn)任國防科技大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)負(fù)責(zé)人，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究；陳長林（1986—），男，山東泰安人，博士，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副研究員，主要從事智能計(jì)算芯片技術(shù)研究和集成電路設(shè)計(jì)研究；劉 森（1988—），男，河南南陽人，博士，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事微電子科學(xué)與工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）29-0037-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

批判性思維被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)重要的核心素養(yǎng)之一。批判性思維是指在思考過程中能夠?qū)ψ约汉退说挠^點(diǎn)、理由、證據(jù)及結(jié)論等進(jìn)行有效的評估、分析、質(zhì)疑和改進(jìn)的一種思維方式。批判性思維可以幫助學(xué)生避免盲從、偏見及誤解等思維誤區(qū)，提高思考質(zhì)量和效率，增強(qiáng)創(chuàng)新能力和解決問題能力［1］。2017年9月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見》中指出，要注重培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應(yīng)時(shí)代要求的關(guān)鍵能力。培養(yǎng)認(rèn)知能力，引導(dǎo)學(xué)生具備獨(dú)立思考、邏輯推理、信息加工、學(xué)會學(xué)習(xí)、語言表達(dá)和文字寫作的素養(yǎng)，養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的意識和能力［2］。2021年5月，習(xí)近平總書記在兩院院士大會的講話中指出，要更加重視人才自主培養(yǎng)，更加重視科學(xué)精神、創(chuàng)新能力、批判性思維的培養(yǎng)培育［3］。加快構(gòu)建新時(shí)代人才自主培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)高等教育高質(zhì)量發(fā)展和高水平科技自強(qiáng)自立，亟須推進(jìn)批判性思維與創(chuàng)新能力教育。

微電子技術(shù)是指以微米或納米級別的半導(dǎo)體材料與工藝制造集成電路芯片的技術(shù)。隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)及人工智能等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，微電子人才需要快速學(xué)習(xí)和適應(yīng)新技術(shù)，才能緊跟市場和技術(shù)的發(fā)展變化。批判性思維可以幫助微電子人才在設(shè)計(jì)實(shí)踐中提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，在學(xué)習(xí)過程中提高學(xué)習(xí)效果和水平，更快地找出問題的本質(zhì)和解決方案，在領(lǐng)域拓展中提升視野廣度和深度，從而創(chuàng)新出符合市場需求和技術(shù)趨勢的產(chǎn)品和技術(shù)。高校是微電子人才培養(yǎng)的第一陣地，因此加強(qiáng)教學(xué)過程中批判性思維的融入十分迫切。

一、批判性思維在教育中的應(yīng)用

批判性思維自古以來就是學(xué)者重視的內(nèi)涵之一，孔子曰“疑是思之始，學(xué)之端”，《孟子·盡心下》中指出“盡信書，則不如無書”，《荀子·勸學(xué)》中也提到“君子博學(xué)而日參省乎己，則知明而行無過矣”。批判性思維是指在處理信息和問題時(shí)，能夠有意識地運(yùn)用邏輯、推理和分析等技能，以產(chǎn)生準(zhǔn)確、清晰和合理的結(jié)論。批判性思維是一種高級的認(rèn)知能力，通常包括的特征有獨(dú)立思考、邏輯分析、判斷力、創(chuàng)新性、反思和溝通等［4］。批判性思維的目的是通過有目的、有條理、有邏輯地思考過程，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)和解決問題的途徑。在教育領(lǐng)域中，批判性思維被視為一種重要的能力和技能，可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問題和挑戰(zhàn)［5-7］。批判性思維在教育中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。

（一）課程設(shè)計(jì)

教師可以通過合理設(shè)計(jì)課程，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度去看待問題，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用批判性思維來分析問題和解決問題。例如，引導(dǎo)學(xué)生在研究文本時(shí)，通過提出問題、推理、分析和歸納等方式，來理解文本內(nèi)在的邏輯和意義［8］。

（二）教學(xué)方法

在討論和互動式教學(xué)方法中，教師鼓勵學(xué)生思考問題和提出問題，從而提高學(xué)生建立對問題本源的分析路徑；在案例分析和問題解決式教學(xué)方法中，教師也可以通過引導(dǎo)學(xué)生針對案例和問題提出自己的解決方案，從而幫助學(xué)生掌握批判性思維技能。

（三）評估方式

批判性思維可以被應(yīng)用于改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)評估方式。以課堂提問為例，教師可以利用開放式問題，鼓勵學(xué)生展示其批判性思維能力，從而評估學(xué)生的思維能力和表達(dá)能力。通過評估學(xué)生的批判性思維能力，教師可以更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和能力，從而更加有效地改進(jìn)教學(xué)方法。

二、批判性思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“微電子科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)計(jì)”課程為例

“微電子科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)計(jì)”是國防科技大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的重要課程。課程目的是通過目標(biāo)清晰、過程開放、層次遞進(jìn)的一系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉微電子器件與集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的方法、工藝與流程，掌握微電子器件與集成電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)所需的基本技能。課程中學(xué)生將接觸到從產(chǎn)業(yè)需求提煉出的多個實(shí)驗(yàn)課題，并從中選取適合自己專業(yè)方向（器件與工藝、模擬集成電路、數(shù)字集成電路）的題目開展設(shè)計(jì)。在此課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者從分析問題、提出假設(shè)、驗(yàn)證方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面有意識地加強(qiáng)了批判性思維的培養(yǎng)。

（一）問題的提出與分析環(huán)節(jié)

在微電子設(shè)計(jì)實(shí)踐中，首先要做的就是對問題進(jìn)行清晰的定義和分析。這需要運(yùn)用批判性思維對問題進(jìn)行歸納、分類、梳理及抽象等操作，找出問題的本質(zhì)、關(guān)鍵、難點(diǎn)等，且避免受到無關(guān)信息或先入為主觀念的影響。下面以“微電子科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)計(jì)”課程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目《CMOS運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)》為例，學(xué)生要自主選擇合適的電路架構(gòu)和器件參數(shù)來構(gòu)建一個符合指標(biāo)要求的運(yùn)算放大器。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生經(jīng)常會遇到仿真電路的輸出不符合預(yù)期的問題，在這種情況下，教師需要有意識地引導(dǎo)學(xué)生使用批判性思維找到問題的根源。具體的教學(xué)過程設(shè)計(jì)有以下幾個方面。

1.定義問題。電路輸出不符合預(yù)期，需要找到問題的原因。

2.分析問題。首先，需要學(xué)生確定電路的預(yù)期輸出是什么（如電壓幅度、頻率等），確定不符合預(yù)期的指標(biāo)。其次，帶領(lǐng)學(xué)生檢查電路的各個部分，如果電路的各個部分都正常，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考可能導(dǎo)致問題的其他因素，例如，電源噪聲、接地問題等。

3.梳理問題。在這個步驟中，將運(yùn)放的電路分成各個部分，使用思維導(dǎo)圖或其他圖表工具將問題進(jìn)行分類和梳理，并找到輸出不符合預(yù)期的部分，然后細(xì)化問題的原因和解決方案。

4.抽象問題。在這個步驟中，需要讓學(xué)生摒棄細(xì)節(jié)，著重于問題的本質(zhì)和根本原因。例如，在仿真的電路中，輸出不符合預(yù)期可能是由于電源電壓波動導(dǎo)致的。在這種情況下，學(xué)生就需要設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定的電源或采用更加高級的電源穩(wěn)壓技術(shù)來解決這一問題。

通過上面的過程，教師引導(dǎo)學(xué)生通過定義問題、分析問題、梳理問題和抽象問題等步驟找到問題的根源，在這個過程中，學(xué)生不僅掌握了專業(yè)知識，也學(xué)會了運(yùn)用批判性思維來分析問題和解決問題。

（二）設(shè)計(jì)方案的提出和驗(yàn)證

在完成上面的問題的提出和分析過程之后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步根據(jù)問題提出合理可行的假設(shè)或方案，并對其進(jìn)行驗(yàn)證和評估。在這個過程中，學(xué)生需要學(xué)會運(yùn)用批判性思維對假設(shè)或方案進(jìn)行邏輯推理、證據(jù)支持及風(fēng)險(xiǎn)評估等操作。還是以上面的課題為例，假設(shè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)放大電路的輸出增益不穩(wěn)定，具體的教學(xué)過程設(shè)計(jì)有以下幾個方面。

1.假設(shè)或方案。根據(jù)電路的故障現(xiàn)象，教師首先引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)致電路的增益不穩(wěn)定的原因有幾種？假設(shè)主要的原因是由MOS管的偏置電流不穩(wěn)定導(dǎo)致，為了解決這個問題，學(xué)生可以采用反饋電路來穩(wěn)定偏置電流。

2.邏輯推理。帶領(lǐng)學(xué)生回顧課堂學(xué)習(xí)過的運(yùn)放反饋電路原理，加強(qiáng)理論和實(shí)踐相聯(lián)系。反饋電路可以通過調(diào)節(jié)反饋電阻的值來控制偏置電流。由于反饋電路的設(shè)計(jì)是基于負(fù)反饋原理的，因此可以使電路的增益更加穩(wěn)定，且減少由于溫度和器件差異等因素引起的影響。

3.證據(jù)支持。指導(dǎo)學(xué)生通過理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證反饋電路的效果。理論計(jì)算可以用公式來表達(dá)反饋電路對增益的影響，仿真實(shí)驗(yàn)可以通過SPICE軟件進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果。

4.風(fēng)險(xiǎn)評估。在反饋電路的設(shè)計(jì)中需要多方面考慮反饋電路參數(shù)、反饋網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及穩(wěn)定性等因素給電路帶來的影響，如果反饋電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會引入其他問題，例如，振蕩、失真等?？梢宰寣W(xué)生運(yùn)用多種方式仔細(xì)評估反饋電路的風(fēng)險(xiǎn)，并且制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

通過這些步驟，學(xué)生可以有效地學(xué)習(xí)到如何運(yùn)用批判性思維來提出并驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

（三）設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和改進(jìn)

驗(yàn)證了初步的方案后，下一步需要做的就是根據(jù)驗(yàn)證和評估結(jié)果對方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。這一過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用批判性思維對方案進(jìn)行比較分析、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)權(quán)衡、改進(jìn)建議等操作，且避免受到慣性思維或沉沒成本的影響。下面以“微電子科學(xué)與工程專業(yè)設(shè)計(jì)”課程中的另一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目《基于FPGA的數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)》為例，介紹將批判性思維融入實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)方法。

1.比較分析。學(xué)生可以將不同的數(shù)字處理器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析，評估他們在功耗、面積、速度及可重構(gòu)性等方面的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，學(xué)生可以比較RISC和CISC架構(gòu)的特點(diǎn)，評估他們在指令集、內(nèi)存訪問、流水線結(jié)構(gòu)及寄存器數(shù)量等方面的差異。

2.優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)權(quán)衡。在比較分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要權(quán)衡不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，找出最優(yōu)的方案，從而選擇合適的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)題目要求。在這個過程中，學(xué)生可能會發(fā)現(xiàn)RISC架構(gòu)具有更高的性能和更低的功耗，但是他的指令集相對較小，需要更多的代碼來完成復(fù)雜的操作。

3.改進(jìn)建議。在確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案之后，接下來可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。優(yōu)化的措施有很多，包括優(yōu)化流水線結(jié)構(gòu)、增加緩存大小及調(diào)整指令集等，以提高性能和降低功耗。

4.再次驗(yàn)證和評估。在進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化之后，教師需要指導(dǎo)學(xué)生對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再次驗(yàn)證和評估，以確保他們滿足設(shè)計(jì)要求。在這過程中可以使用模擬器、仿真工具和實(shí)際測試來驗(yàn)證方案的正確性和性能表現(xiàn)。

在上面的案例教學(xué)中，學(xué)生通過比較分析、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)權(quán)衡、改進(jìn)建議、再次驗(yàn)證和評估等步驟，可以學(xué)習(xí)使用批判性思維來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

三、批判性思維在教育中的挑戰(zhàn)與對策

雖然批判性思維在教育中有廣泛地應(yīng)用，但在實(shí)踐中也存在一些挑戰(zhàn)。下面從教師、學(xué)生、評價(jià)方式等角度進(jìn)行介紹。

（一）教師自身的批判性思維能力不足

教師是批判性思維能力的關(guān)鍵促進(jìn)者。但是，部分教師在批判性思維的應(yīng)用上缺乏經(jīng)驗(yàn)和技能，這可能導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)、教學(xué)方法和評估方式的不足。為了提高教師本身的批判性思維能力，學(xué)?？梢詾榻處熖峁I(yè)培訓(xùn)，幫助他們了解批判性思維的內(nèi)涵、目標(biāo)、特征和實(shí)踐技巧，鼓勵教師進(jìn)行跨學(xué)科探究和交流，培養(yǎng)跨學(xué)科思維能力，進(jìn)而發(fā)展批判性思維能力，還可以鼓勵教師開展實(shí)踐案例研究等教育研究，提高其教學(xué)水平，包括采用多種評估方法，例如，論文、教學(xué)競賽、小組討論等，以評估教師的批判性思維能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)能力的持續(xù)改進(jìn)。

（二）學(xué)生缺乏批判性思維的意識和能力

部分學(xué)生沒有意識到批判性思維的重要性，或缺乏必要的批判性思維能力，這可能導(dǎo)致他們無法充分參與課程設(shè)計(jì)、教學(xué)方法和評估方式。因此，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到批判性思維的重要性，以及培養(yǎng)他們的批判性思維能力，也是一個重要的挑戰(zhàn)。通過課程中針對批判性思維的專門模塊或案例教學(xué)來強(qiáng)調(diào)批判性思維的價(jià)值，并給學(xué)生提供在不同情境下應(yīng)用批判性思維的機(jī)會。同時(shí)，在課堂上通過案例分析、討論小組及實(shí)驗(yàn)演示等方式，讓學(xué)生從多個角度培養(yǎng)分析、評價(jià)和判斷能力。教學(xué)手段上，可以采用在線學(xué)習(xí)和數(shù)字化教育技術(shù)幫助學(xué)生進(jìn)行批判性思維的實(shí)踐，并輔以教師的反饋和指導(dǎo)，從而幫助學(xué)生不斷發(fā)展和提高自身的批判性思維能力。

（三）缺乏批判性思維的有效評估手段

批判性思維是一個相對抽象的概念，評估其能力也存在一定困難。通常，評估批判性思維需要考慮多個方面，包括邏輯思考、問題解決和判斷力等。因此，如何有效地評估學(xué)生的批判性思維能力，對批判性思維的培養(yǎng)過程有著重要意義。

在課堂內(nèi)，教師可以設(shè)計(jì)更加客觀和綜合的評估方式，評估學(xué)生的批判性思維能力。采用討論辯論、口頭報(bào)告及項(xiàng)目展示等方式，評估學(xué)生在研究、分析和解決微電子問題時(shí)的思考過程和成果。在課后可以設(shè)計(jì)多種不同形式的作業(yè)和考試，涵蓋批判性思維的不同方面，包括邏輯推理、問題解決和判斷力等。此外，還可以借助一些標(biāo)準(zhǔn)化的測試工具，比如Watson-Glaser批判性思維能力測驗(yàn)、Cornell批判性思維測驗(yàn)等工具，幫助了解學(xué)生的批判性思維能力的具體表現(xiàn)。

結(jié)語

批判性思維能夠培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)造力，幫助分辨信息來源的真?zhèn)?、可靠性和價(jià)值，從而提高學(xué)生解決問題的能力和應(yīng)變能力。盡管現(xiàn)在越來越多的教育機(jī)構(gòu)和教育者開始關(guān)注并重視批判性思維的培養(yǎng)，但是要真正培養(yǎng)出具有批判性思維能力的學(xué)生并非易事。批判性思維的教育是一項(xiàng)長期又具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要教育界和社會各界的共同努力。只有在不斷改革和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，才能夠真正培養(yǎng)出具有批判性思維能力的高素質(zhì)人才，為國家和社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］羅清旭.論大學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)［J］.清華大學(xué)教育研究，2000（4）：5.

［2］中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳.印發(fā)《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見》［A/OL］.（2017-09-24）［2023-05-26］.https：//www.gov.cn/zhengce/2017-09/24/content_5227267.htm.

［3］在中國科學(xué)院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話［EB/OL］.（2021-05-28）［2023-05-26］.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5616154.htm.

［4］張長海.基于批判性思維和創(chuàng)造力的我國大學(xué)生信息素養(yǎng)教育模式研究［J］.中國圖書館學(xué)報(bào)，2016，42（4）：102-106.

［5］潘家明.批判性閱讀教學(xué)與批判性思維能力培養(yǎng)［J］.教育探索，2009（3）：121-123.

［6］王習(xí)勝.批判性思維及其技能研究［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（高教研究版），2006（2）：6-9.

［7］鐘啟泉.“批判性思維”及其教學(xué)［J］.全球教育展望，2002（1）：34-38.

［8］董毓.我們應(yīng)該教什么樣的批判性思維課程［J］.工業(yè)和信息化教育，2014（3）：36-42+77.

The Cultivation of Critical Thinking in the Practical Ability of Microelectronics Talents

LI Nan， CHEN Chang-lin， LIU Sen

（College of Electronic Science， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan

410003， China）

Abstract： The application of critical thinking in education has wide significance and value. In order to cope with the changing market demand and technological environment， microelectronics talents urgently need to strengthen the cultivation of critical thinking. Taking the course design of “Professional Design of Microelectronics Science and Engineering” offered by National University of Defense Technology as an example， this paper introduces in detail how to consciously enhance the cultivation of students’ critical thinking in classroom teaching through teaching design from the aspects of problem posing， scheme verifying and design optimizing. Finally， the paper introduces some challenges faced by the cultivation of critical thinking， such as the lack of teachers’ own ability， students’ lack of awareness and ability， and insufficient evaluation means， and analyzes the specific countermeasures.

Key words： microelectronics technology; critical thinking; teaching design