面向應(yīng)用型本科院校的微電子類課程體系建設(shè)與實(shí)踐

馬湘蓉　花濤

摘 要 以南京工程學(xué)院校訓(xùn)“學(xué)以致用”為目標(biāo)，從課程的特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際出發(fā)，建設(shè)微電子類課程混合式分層次立體化的應(yīng)用能力培養(yǎng)體系，既重視傳統(tǒng)知識(shí)的傳授，又注重學(xué)科前沿及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，力求使得學(xué)生對(duì)微電子類課程進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)后，較好地掌握微電子類課程的核心內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法，為培養(yǎng)高水平和高素質(zhì)的高級(jí)工程人才打下可靠的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科；微電子類課程體系；學(xué)以致用

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）08-0072-03

Construction and Practice of Microelectronics Class Curriculum oriented to Applied Colleges//MA Xiangrong， HUA Tao

Abstract The school motto of Nanjing Institute of technology is that study for the purpose of application， application ability training system for microelectronics class curriculum is constructed based on the course characteristic and students facts to achieve school motto， this system not only attaches importance to traditional knowledge teaching， but also does development of subject frontiers and innovation ability， the reformation make students better master central content and design method after systematic learning of microelectronics class curriculum， and lay a reliable foundation for training high quality senior engineering talents.

Key words applied colleges； microelectronics class curriculum； study for the purpose of application

1 引言

隨著集成電路和大規(guī)模集成電路的不斷更新和發(fā)展，微電子工程與技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展。其涵蓋內(nèi)容廣泛，包括電路設(shè)計(jì)、材料制備等一系列的技術(shù)，具有較長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，是信息技術(shù)和高科技的核心內(nèi)容。2015年10月29日在北京召開“第十六屆北京微電子國(guó)際研討會(huì)”，會(huì)議的主題定為“把握機(jī)遇，共促中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)大跨越”。與會(huì)者對(duì)國(guó)內(nèi)外微電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了廣泛而深入的交流，認(rèn)為我國(guó)當(dāng)前的微電子技術(shù)的發(fā)展還存在廣闊的發(fā)展空間，還遠(yuǎn)未達(dá)到市場(chǎng)的要求，且技術(shù)創(chuàng)新遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)展的步伐[1]。

2015年5月8日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》這一戰(zhàn)略性的綱要，為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了制度和政策的保障，將我國(guó)微電子技術(shù)的發(fā)展及集成電路的產(chǎn)業(yè)化指引到一個(gè)新的發(fā)展層次[2]。受國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)，集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展掀起新高潮，但微電子人才的短缺是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，作為擔(dān)負(fù)培養(yǎng)人才重任的高校，理所當(dāng)然應(yīng)該承擔(dān)起此項(xiàng)任務(wù)。如何培養(yǎng)合格的人才，既具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)、過硬的專業(yè)知識(shí)，又兼具創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，是擺在每個(gè)高校面前的一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題。

市場(chǎng)雖然需要理論基礎(chǔ)扎實(shí)的創(chuàng)新型微電子人才，但工程應(yīng)用型人才的缺口更大。對(duì)于應(yīng)用型人才的標(biāo)準(zhǔn)，指的是指德、智、體、美等方面全面發(fā)展，在設(shè)定培養(yǎng)目標(biāo)時(shí)，更加注重專業(yè)知識(shí)和技能的培養(yǎng)，是以實(shí)踐動(dòng)手能力為核心，在教學(xué)中除理論知識(shí)外，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，更加注重技術(shù)性、實(shí)踐性和應(yīng)用性。培養(yǎng)的學(xué)生比高職高專的學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)更深厚，而實(shí)踐動(dòng)手能力比傳統(tǒng)本科生要強(qiáng)[3]。

面對(duì)國(guó)內(nèi)迅猛發(fā)展的微電子市場(chǎng)，大量國(guó)外微電子制造業(yè)巨頭爭(zhēng)相登陸中國(guó)，國(guó)內(nèi)一些中小規(guī)模的微電子制造設(shè)計(jì)企業(yè)也在不斷發(fā)展，希望在這個(gè)巨大的市場(chǎng)分得一杯羹。這些企業(yè)無疑需要大量的微電子人才，但他們需要的人才不要求掌握非常扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，需要的是工程應(yīng)用型人才。面對(duì)這樣的市場(chǎng)需求，作為培養(yǎng)人才的搖籃，高校應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)市場(chǎng)需求，沒有必要太注重學(xué)生層次的拔高，更應(yīng)注重培養(yǎng)出具有掌握實(shí)用知識(shí)和技能的專業(yè)人才。

很多國(guó)內(nèi)高校已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題的癥結(jié)，在培養(yǎng)方式上進(jìn)行諸多改革和創(chuàng)新[4]，提出須以夯實(shí)課程基礎(chǔ)、優(yōu)化課程體系、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)和注重創(chuàng)業(yè)與就業(yè)教育為重點(diǎn)，側(cè)重學(xué)科、專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和專業(yè)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)在微電子方面具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力和一定的創(chuàng)新精神的微電子相關(guān)領(lǐng)域的高級(jí)工程型人才。

2 微電子類課程體系的特點(diǎn)與現(xiàn)狀

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)模式、數(shù)量規(guī)模和市場(chǎng)的關(guān)系是緊密相連的，是一種相互制約又相輔相成的辯證關(guān)系。結(jié)合這些年各高校的教學(xué)實(shí)踐來看，微電子類課程的教學(xué)特點(diǎn)表現(xiàn)為課程知識(shí)難度高，專業(yè)性很強(qiáng)；培養(yǎng)體系實(shí)踐性很強(qiáng)，而能提供實(shí)踐教學(xué)的設(shè)施及維護(hù)費(fèi)用非常高。南京工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2015年新的培養(yǎng)方案里的微電子類課程主要有半導(dǎo)體物理、新型微電子器件、集成電路設(shè)計(jì)等課程，這次修訂除注重培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)，尤其強(qiáng)調(diào)實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，要求大力加強(qiáng)理論基礎(chǔ)教學(xué)，培養(yǎng)具有動(dòng)手實(shí)踐能力的學(xué)以致用的應(yīng)用型人才。因此，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和一般性的實(shí)訓(xùn)教學(xué)已經(jīng)不是很適用。

作為微電子技術(shù)的前期基礎(chǔ)內(nèi)容，半導(dǎo)體物理研究、半導(dǎo)體材料和器件的基本性能與內(nèi)在機(jī)理是該方向的重要理論基礎(chǔ)內(nèi)容。半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是多個(gè)相關(guān)專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程，但該課程理論抽象，數(shù)學(xué)物理的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生普遍反映該課程枯燥、抽象、用處不大。對(duì)于缺乏一定前期基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生來說，該課程在學(xué)習(xí)和理解上的確會(huì)有很大的難度。教師首先必須在熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，化繁為簡(jiǎn)，不要過多沉醉于理論推導(dǎo)，盡可能結(jié)合實(shí)際問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以期提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

2015年5月8日公布的《中國(guó)制造2025》中明確指出，必須盡快實(shí)現(xiàn)由集成電路生產(chǎn)制造大國(guó)向集成電路研發(fā)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，而轉(zhuǎn)變的核心任務(wù)在于培養(yǎng)一批高質(zhì)量的與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)接軌的超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)人才，這也是新型微電子器件這門課程所要達(dá)到的目標(biāo)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)直接取決于該課程教學(xué)效果的好壞，但當(dāng)前新型微電子器件課程的教學(xué)效果在部分高校并不理想。究其根本原因，實(shí)質(zhì)上是以往教學(xué)中所運(yùn)用的教學(xué)模式已不再適應(yīng)新形勢(shì)下新型微電子器件課程的教育教學(xué)。

因此，如何針對(duì)信息化環(huán)境下對(duì)新型微電子器件課程教學(xué)的新要求和新特點(diǎn)，探索與提煉微電子類課程新的、信息化的教學(xué)模式，成為當(dāng)前亟待解決的新問題，也是本學(xué)科組研究的重點(diǎn)。另外，從新型微電子器件課程教學(xué)的重要性來講，它的教學(xué)內(nèi)容不僅是學(xué)生必須掌握的重要知識(shí)，還與半導(dǎo)體物理、集成電路設(shè)計(jì)等一系列核心課程一脈相承，互為前提。因此，該課程教學(xué)效果的好壞直接影響著本專業(yè)一系列課程群教學(xué)質(zhì)量的好壞。

集成電路設(shè)計(jì)是高校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)的主要課程，該課程的教學(xué)改革也是微電子類課程的重要內(nèi)容，模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)是該課程的主要重點(diǎn)。當(dāng)前，集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)集成電路設(shè)計(jì)課程提出新的要求，傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已經(jīng)不能適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，需對(duì)現(xiàn)有的培養(yǎng)模式進(jìn)行改革。本課程涉及整個(gè)集成電路的生成過程，其內(nèi)容包括電路設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試等一系列的生產(chǎn)流程，高等學(xué)校不可能具備整個(gè)流程的實(shí)踐條件，通過構(gòu)建微電子器件和集成電路設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)的解決辦法，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)硬件條件的不足。實(shí)踐教學(xué)首先應(yīng)采用新的和產(chǎn)業(yè)接近的集成電路設(shè)計(jì)工具，讓學(xué)生能掌握這些專用的設(shè)計(jì)工具，通過這些電路設(shè)計(jì)工具，彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)室硬件條件的不足，同時(shí)增加綜合性的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)內(nèi)容，使學(xué)生經(jīng)歷融合理論、實(shí)驗(yàn)、技能和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)技術(shù)訓(xùn)練。

3 課程體系的建設(shè)與實(shí)踐

以微電子技術(shù)為主干的專業(yè)課程體系的建設(shè)

1）微電子課程包括半導(dǎo)體物理等基礎(chǔ)知識(shí)部分和集成電路相關(guān)的內(nèi)容。如前所述，半導(dǎo)體物理是微電子類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涵蓋半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)等內(nèi)容，為學(xué)生后續(xù)的課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。該課程主要的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，較為抽象，數(shù)學(xué)物理知識(shí)要求較高，現(xiàn)有的教學(xué)模式是傳統(tǒng)被動(dòng)式的講授，單一的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)薄弱。半導(dǎo)體物理應(yīng)注重理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，現(xiàn)階段開設(shè)的實(shí)驗(yàn)偏于簡(jiǎn)單，效果不好。

針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)中嘗試將研究性的教學(xué)思想融入其中，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將科研過程中涉及半導(dǎo)體物理知識(shí)的一些研究問題與解決方法滲入到半導(dǎo)體物理的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；通過引入研究性的學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生查找資料，關(guān)注微電子領(lǐng)域的最新科研成果；結(jié)合書本的理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生自己思考，在課堂上教師加以引導(dǎo)，進(jìn)行更進(jìn)一步的點(diǎn)評(píng)。這樣可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，體會(huì)到這些理論知識(shí)是非常有用的，不是干巴巴的。知識(shí)因此變得鮮活起來，學(xué)生能夠較好地理解并掌握相關(guān)理論，即使暫時(shí)沒有應(yīng)用的理論，也能認(rèn)真地加以學(xué)習(xí)。

2）利用現(xiàn)在比較先進(jìn)的集成電路仿真模擬軟件如Cadence，可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件工藝的仿真功能，讓學(xué)生熟悉一些因素的改變對(duì)器件性能的影響，能彌補(bǔ)學(xué)校沒有完整的生產(chǎn)線，又無法到真正的企業(yè)去參觀實(shí)習(xí)的缺陷。利用軟件可實(shí)現(xiàn)整條流水線的生產(chǎn)工藝過程。本專業(yè)的新型微電子器件實(shí)踐教學(xué)的改革與探索，主要以實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目為引導(dǎo)，積極鼓勵(lì)教師申報(bào)這方面的教學(xué)實(shí)踐科研課題，為學(xué)生提供課外教學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)并培養(yǎng)他們的科研素質(zhì)，為大學(xué)生創(chuàng)新及創(chuàng)新學(xué)分的獲取提供條件。

3）集成電路設(shè)計(jì)課程具有涉及面廣和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，需要學(xué)生熟悉各種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，實(shí)踐能力強(qiáng)。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的不斷發(fā)展，在電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，電路設(shè)計(jì)人員可以通過計(jì)算機(jī)完成電路設(shè)計(jì)的部分或全部的相關(guān)內(nèi)容。該課程的相關(guān)教學(xué)工作量比較大，要完成一個(gè)電路芯片的設(shè)計(jì)，需要了解從器件基礎(chǔ)到電路搭建、電路仿真調(diào)試、版圖、工藝、封裝、測(cè)試等相關(guān)知識(shí)，同時(shí)要通過實(shí)驗(yàn)熟悉各種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的使用，這就對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容提出更多的要求。

本學(xué)科組結(jié)合應(yīng)用型本科的教學(xué)實(shí)際，以校訓(xùn)“學(xué)以致用”為目標(biāo)，在準(zhǔn)確把握應(yīng)用型本科集成電路設(shè)計(jì)課程目標(biāo)、大綱和標(biāo)準(zhǔn)，合理利用各種課程資源的前提下，進(jìn)行課堂創(chuàng)新教學(xué)，確立學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的課堂角色地位，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情為目標(biāo)。學(xué)生充分感受到學(xué)有所用而建立專業(yè)興趣與信心，通過課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)受到工程實(shí)踐、集成電路設(shè)計(jì)和基本科研能力的培養(yǎng)。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源庫(kù)，通過教學(xué)改革做到理論聯(lián)系實(shí)踐、基礎(chǔ)和前沿并舉、鼓勵(lì)創(chuàng)新和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效益的課堂教學(xué)新模式。

建立微電子類課程混合式、層次化的應(yīng)用能力培養(yǎng)體系 基于上述微電子類課程理論和實(shí)踐教學(xué)存在的不足，現(xiàn)行的課程不能較好地提供給學(xué)生足夠的學(xué)科相關(guān)訓(xùn)練。在實(shí)際教學(xué)中，采用一種分層次的教學(xué)方法，開始部分進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，隨后講授高層次的內(nèi)容。通過這種教學(xué)方式，由簡(jiǎn)入繁，循序漸進(jìn)，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和實(shí)踐動(dòng)手的能力。在進(jìn)入專業(yè)課程教學(xué)后，逐步建立電子材料、制造工藝、電子器件、基本單元電路的課程體系，打通自頂向下的知識(shí)培養(yǎng)通路。教學(xué)中依據(jù)混合式立體化教學(xué)模式的核心思想，即以課程教學(xué)為單元，以能力培養(yǎng)為軸心，以教學(xué)資源為平臺(tái)，動(dòng)用所有教學(xué)要素立體化、全方位地融教與學(xué)為一體，設(shè)計(jì)并制作微電子類課程教學(xué)資源庫(kù)，提高教學(xué)效率的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

分層次的教學(xué)本質(zhì)上是綜合多種教學(xué)資源，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段和方法，構(gòu)建將微電子類課程進(jìn)行融合的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，逐層加深課程內(nèi)容，將課程內(nèi)容、課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)興趣的目的，而其中最重要的就是多種教學(xué)資源的搜集和整理。

建立全方位的課程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系 微電子相關(guān)專業(yè)的課程體系以理論與實(shí)踐相結(jié)合為特質(zhì)，在有效的課堂教學(xué)、完善的實(shí)踐環(huán)節(jié)、精選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、工程性的課程設(shè)計(jì)、協(xié)同合作的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及獨(dú)立完成的畢設(shè)等全方位構(gòu)建課程實(shí)踐體系，科學(xué)合理建設(shè)較為完善的微電子類課程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。在微電子類課程教學(xué)中包含大量工藝流程和工藝實(shí)施后的硅片剖面圖、結(jié)構(gòu)圖和原理圖，以及工藝實(shí)施過程視頻片段，需要大量的多媒體資源的支持。同時(shí)，半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)的變化遵循摩爾定律的快節(jié)奏，有必要將國(guó)內(nèi)外紛繁多樣的多媒體資源收集并積累起來，建立微電子類課程資源支持系統(tǒng)，并隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷地更新和完善其中的教學(xué)資源。

4 結(jié)語

本文通過分析南京工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微電子類課程體系的現(xiàn)狀，分別針對(duì)半導(dǎo)體物理、新型微電子器件和集成電路設(shè)計(jì)等課程的特點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，通過課程體系整體優(yōu)化，科學(xué)處理基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程、課堂理論教學(xué)與課外教學(xué)指導(dǎo)、理論與實(shí)踐、主干學(xué)科與相鄰學(xué)科等方面關(guān)系，注意強(qiáng)化實(shí)踐能力的培養(yǎng)，依據(jù)實(shí)施情況，不斷對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)校外和校內(nèi)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)。在混合式學(xué)習(xí)和分層次立體化教學(xué)的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)微電子類課程的教學(xué)特點(diǎn)，從課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)三個(gè)立體面展開研究，力求使得該專業(yè)學(xué)生對(duì)微電子類課程進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，較好地掌握微電子類課程體系的核心內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法。建立知識(shí)結(jié)構(gòu)的分層次立體化、理論與實(shí)際相結(jié)合的培養(yǎng)體系，全方位培養(yǎng)本專業(yè)畢業(yè)生的理論基礎(chǔ)與工程實(shí)踐能力，最終構(gòu)建改革微電子類課程體系的方式與方法，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，為本專業(yè)一系列課程群的全面改革做一個(gè)先行者，為培養(yǎng)“學(xué)以致用”的創(chuàng)新型人才提供強(qiáng)有力的支持。

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