微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐教學(xué)改革研究

謝寧波　高健超

【摘 要】《微電子器件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》是微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程，在本專業(yè)的課程體系中具有重要的地位。本文從新形勢(shì)下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求和當(dāng)前該課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問題出發(fā)，系統(tǒng)化探討了該課程實(shí)踐教學(xué)改革的改革思路，并在此基礎(chǔ)上提出一套合理有效的改革方案。通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?yōu)化改進(jìn)、自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式推進(jìn)以及引入虛擬仿真新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)三方面對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，不僅提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也培養(yǎng)和提升其工程素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；自主式實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN0-4；G712.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0053-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.024

0 引言

《微電子器件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》是微電子專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課程，其目的是通過實(shí)踐過程，使學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，加深對(duì)半導(dǎo)體特性原理的理解，理論聯(lián)系實(shí)際掌握常用半導(dǎo)體器件的特性及測(cè)試方法，為后續(xù)深入的專業(yè)知識(shí)及技能學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。本課程強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐的統(tǒng)一，通過本課程的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生實(shí)際使用和操作常用的半導(dǎo)體器件測(cè)試儀器，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析加深對(duì)半導(dǎo)體特性原理的理解，從而掌握基本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，加強(qiáng)基本應(yīng)用知識(shí)的應(yīng)用能力。

1 微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前實(shí)驗(yàn)室所開設(shè)的《微電子器件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)采用自編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的方式開展實(shí)踐教學(xué)工作。但是由于新形勢(shì)下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求以及電子信息專業(yè)的特點(diǎn)，當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)模式存在以下缺點(diǎn)和不足[1]：

（1）傳統(tǒng)教學(xué)理念“重理論輕實(shí)踐”。當(dāng)前高校的教學(xué)思想仍深受以前精英教育的影響，在形式上還存在“重理論輕實(shí)踐”的傾向，沒有將理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)進(jìn)行有效的整合。因此，需要大力推進(jìn)教學(xué)方式改革，切實(shí)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的重要性。

（2）學(xué)生的主體地位沒有得到真正體現(xiàn)。教學(xué)依然延續(xù)傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)模式，教學(xué)過程不僅生硬、呆板，而且限制了學(xué)生的思維和創(chuàng)造力。在實(shí)踐教學(xué)過程中，教師專注于演示和學(xué)生重復(fù)操作，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐經(jīng)歷不夠充分，實(shí)踐教學(xué)效果不佳。

（3）教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，與科技發(fā)展脫節(jié)。電子信息專業(yè)的技術(shù)更新日新月異，當(dāng)前行業(yè)發(fā)展對(duì)電子信息類專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)知識(shí)及技能需求已與過去截然不同。然而當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)在某些內(nèi)容設(shè)置上已落后于技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容陳舊過時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試方法已不再適用于當(dāng)前通用的技術(shù)，脫節(jié)于前沿科技的發(fā)展。

（4）新形勢(shì)下需求加強(qiáng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。隨著教學(xué)改革的深入，如何開展好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及開放實(shí)驗(yàn)室工作是各大高校實(shí)踐教學(xué)改革均面臨的問題，主要集中在可行性和實(shí)際效果兩方面。

2 微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的改革思路

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀中存在的問題，在新的教育觀念和技術(shù)條件下，我們必須打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，在內(nèi)容和形式上進(jìn)行變革，特別是實(shí)踐教學(xué)模式改革應(yīng)該確立“以學(xué)生為本”的思想，教學(xué)組織圍繞學(xué)生的需要進(jìn)行設(shè)置，使學(xué)生真正成為實(shí)踐教學(xué)的活動(dòng)者和受益者。

本實(shí)踐教學(xué)改革的核心思路主要包括如下幾點(diǎn)：①在現(xiàn)有條件下對(duì)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；②實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)，推行“漸進(jìn)式、自主式、探索式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；③針對(duì)新形勢(shì)下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求，引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于特定實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中來。通過上述實(shí)踐教學(xué)體系改革，一方面優(yōu)化和完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，同時(shí)也注重了學(xué)生工程能力的提高和拓展。

3 微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的改革方案

3.1 現(xiàn)有條件下對(duì)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)

針對(duì)新形勢(shì)下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求，為達(dá)到提高工程素質(zhì)、拓展工程應(yīng)用能力的目的，僅靠單一的介紹實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)規(guī)范等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，本實(shí)踐教學(xué)改革的首要任務(wù)是在現(xiàn)有條件下對(duì)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

（1）改進(jìn)、更新《微電子器件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的自編教材編已沿用多年，其中部分項(xiàng)目的內(nèi)容設(shè)置上已落后于技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容陳舊過時(shí)、實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試方法已不再適用于當(dāng)前通用的技術(shù)。因此，教學(xué)改革在原有的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教程進(jìn)行了改進(jìn)完善、內(nèi)容擴(kuò)充。對(duì)較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)充，讓學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所包涵的原理與特性；逐步淘汰陳舊的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，新購(gòu)置自動(dòng)化程度高、精度高的驗(yàn)證平臺(tái)，以達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展需求的優(yōu)秀電子信息專業(yè)畢業(yè)生的目的。

（2）為實(shí)現(xiàn)新形勢(shì)下微電子專業(yè)人才培養(yǎng)要求的培養(yǎng)目標(biāo)，本教學(xué)改革針對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)，以貼近業(yè)界實(shí)際需求，幫助學(xué)生提高專業(yè)知識(shí)技能及工程實(shí)踐能力。以“半導(dǎo)體器件特性測(cè)試”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)為例，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是通過指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和測(cè)量，以加深對(duì)常用半導(dǎo)體器件工作特性的理解以及基本測(cè)試方法的掌握。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重于要求學(xué)生完成伏安特性的測(cè)量，而忽略了對(duì)半導(dǎo)體器件工作特性的理解和工程應(yīng)用。因此，在該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的優(yōu)化和改進(jìn)中，增加了光敏二極管的伏安特性測(cè)試內(nèi)容，以注重培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)，推行“漸進(jìn)式、自主式、探索式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

新形勢(shì)下需求加強(qiáng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。隨著教學(xué)改革的深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革要求構(gòu)建以學(xué)生為主體的自主構(gòu)建知識(shí)、增長(zhǎng)技能、發(fā)展能力的指導(dǎo)思想和教學(xué)思路，也就是說傳統(tǒng)以演示和驗(yàn)證為主的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，需要逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自己控制實(shí)驗(yàn)過程、自主分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和系統(tǒng)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

通過對(duì)本專業(yè)人才培養(yǎng)方案和電子信息類應(yīng)用型本科的課程體系的深入研究，秉承以學(xué)生為主體的教學(xué)改革思想，對(duì)既定的培養(yǎng)目標(biāo)方向作深入探討，結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，本教學(xué)改革推行“漸進(jìn)式、自主式、探索式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。具體來說，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由易到難，包含從驗(yàn)證性到綜合設(shè)計(jì)性多個(gè)實(shí)驗(yàn)層次，讓學(xué)生循序漸進(jìn)經(jīng)歷認(rèn)知、實(shí)踐、探索的全過程；學(xué)生在完成基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可選擇難易不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還可自行設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)探索更多問題。獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)踐的教學(xué)環(huán)節(jié)逐漸增多，通過這些引導(dǎo)，吸引更多的學(xué)生進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室，對(duì)多方位的內(nèi)容進(jìn)行探索和實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程設(shè)計(jì)能力。

3.3 引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于特定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)硬件性能的提高，虛擬仿真技術(shù)已從理論及設(shè)想發(fā)展成為當(dāng)前科技前沿的現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并且是近幾年來技術(shù)前沿的研究熱點(diǎn)。虛擬仿真技術(shù)亦可應(yīng)用于電子信息類的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，并在多個(gè)重點(diǎn)高校取得一定的成果及探索經(jīng)驗(yàn)[2，3]。在以往的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)和時(shí)間是被限定的，通常只是讓學(xué)生完成數(shù)據(jù)讀取、分析與處理等“規(guī)定操作”，因而大大制約了對(duì)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而虛擬仿真技術(shù)因其交互性和逼真性，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將實(shí)驗(yàn)實(shí)踐置于線上，不再受制于地點(diǎn)和時(shí)間的制約，能很好地解決上述難題。

以“集成運(yùn)放應(yīng)用特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)為例，探討引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于本課程的實(shí)踐教學(xué)改革。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的理解，結(jié)合先修課程的知識(shí)，設(shè)計(jì)合理的測(cè)試電路和測(cè)試方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)算放大器規(guī)定特性參數(shù)的測(cè)試以及其基本應(yīng)用方法的實(shí)踐。當(dāng)前普遍存在的問題是由于該項(xiàng)目是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，測(cè)試電路的搭建由學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)教程自主完成，而大部分學(xué)生分析和應(yīng)用實(shí)際電路的能力較薄弱，往往搭錯(cuò)測(cè)試電路導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果存在較大差異，使得實(shí)驗(yàn)效果存在偏差和不理想。而如果先讓學(xué)生在電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)基于虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)測(cè)試電路，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)演練和先行驗(yàn)證，可以有效地幫助學(xué)生完成既定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的操作、學(xué)習(xí)及驗(yàn)證，同時(shí)也能夠給有自主學(xué)習(xí)能力的學(xué)生提供自主設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及自主探索的平臺(tái)，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力、工程創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，取得事半功倍的效果。

4 微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的改革成效

按照上述改革思路和方案，已在17-18學(xué)年秋季學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行部分項(xiàng)目的改革嘗試，初步取得一定成效。下表為以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別列出了進(jìn)行教學(xué)改革前后的教學(xué)成效對(duì)比。

其中16-17學(xué)年是以傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的，17-18學(xué)年開始實(shí)施教學(xué)改革。從表中數(shù)據(jù)可以看出，通過“以學(xué)生為主體”為指導(dǎo)思想的實(shí)踐教學(xué)體系改革，原本基礎(chǔ)較薄弱的同學(xué)能夠在新模式下得到更多的自主構(gòu)建知識(shí)的機(jī)會(huì)，在“漸進(jìn)式、自主式、探索式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中激發(fā)了更多的學(xué)習(xí)熱情，自主能動(dòng)性和動(dòng)手能力得到提高，實(shí)驗(yàn)成績(jī)也隨之有一定的提升。教學(xué)改革一方面優(yōu)化和完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力及工程應(yīng)用能力。

5 結(jié)論

《微電子器件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》實(shí)踐教學(xué)是微電子學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)過程的一個(gè)重要部分。本文確立了“以學(xué)生為主體”為指導(dǎo)思想的實(shí)踐教學(xué)改革方案，并從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?yōu)化改進(jìn)、自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式推進(jìn)以及引入虛擬仿真新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)三方面提出了具體措施，對(duì)提高該課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)具有重要意義。

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