從電路分析實驗教學到產業化人才培養

智 婷，汪 金，薛俊俊

(南京郵電大學 電子科學與光學工程學院 微電子學院，南京210023)

0 引言

集成電路產業是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性、先導性產業，被認為是引導第三次工業革命的核心產業[1]。進入21世紀以來，國際上對集成電路專業技術領域的投入與日俱增，能否掌握關鍵核心技術已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志。雖然近年來我國在集成電路領域的發展得到了顯著提升，但研究基礎薄弱。推動集成電路產業實現跨越式發展，掌握關鍵核心技術是黨中央、國務院站在全局高度作出的重大決策[2]。然而，往往大眾的固化思維就是“頭痛醫頭，腳痛醫腳”，在哪些技術上薄弱，就靠花大力氣不計成本的投入來解決。這種方法在很多基礎領域中能產生良好的效果，但電子產業是典型的知識密集型、技術密集型、人才密集型和資本密集型的高科技產業，高速的技術迭代尤為突出。例如：很多人認為集成電路領域中最具代表性的問題是先進的光刻機，并認為花重金、下工夫就能破解這個問題，這種思想是片面的。在集成電路領域，關鍵的核心問題在于人才培養。目前，我國集成電路產業人才總量不足、領軍人才缺乏、人才結構不合理，而且急缺具備創新能力、能夠解決問題的高水平人才。大學擔負著“人才培養”這一基本職能，培養國家急需的高素質人才是推動社會發展的重要任務。

當前關于教學與科研相融合的教改文章和論著普遍集中在理論教學層面，在實驗型課程中如何培養本科生的創新能力很少討論。多數高校受條件限制，不具備培養高水平創新人才的工程實踐硬件條件。受制于傳統的固化思維，培養出的人才普遍缺乏創新思維和解決問題的能力。換句話說，這種培養模式可以認為是在培養操作工，這遠遠不能滿足正在快速發展的技術迭代需求。目前，高校對電子類人才的培養，不僅要從人才數量上取得突破，滿足市場產業的需求，更要全面提升人才的創新能力，滿足技術發展的迫切需求和持續發展的動力。要解決高校電子專業人才能力不足的問題，破解相關專業大學生創新思維不夠的難題，提升大學生解決問題的能力，不是靠設置一兩門實習實踐課程能夠完成的，必須從基礎實驗課程入手，動腦筋，改革固化的教學模式。

1 有教無類，因材施教

從集成電路領域的發展來說，從來就不是僅僅依靠電子專業完成的。以諾貝爾獎得主高琨為例，他的研究集中在光纖材料。在50年以前，很難想象數據是通過光作為媒介實現高速傳輸的，當時的人們普遍認為電線和無線電才是傳輸信號的主流手段。如今，沒有高速光纖形成的數據網絡，就沒有集成電路的飛速發展。由此可見，集成電路領域的發展需要依靠材料、設計、電子、軟件、芯片、設備等眾多行業的共同進步。本研究針對電路分析實驗這門基礎實驗課來展開討論。作為電子類本科學生的首次實驗實踐類課程，一定要強調“有教無類”和“因材施教”。其實，很多高校的電路分析實驗課程是面向全校其他院系開放的，吸引了多學科本科生參與其中，從基礎教學上引導學科交叉[3-4]。這種“廣撒網”的模式有助于提升本科生，特別是其他院系本科學生的學術視野。

更多類型的學生參與，也對課程的教學老師提出了更高的要求，尤其是不同專業的學生基礎不同，能力也不同，甚至思維模式上也有區別。作為電子科學與技術的專業教師，通過實驗課堂上的案例就能夠充分體現“因材施教”的必要性。例如：電路分析實驗課程中要求學生完成一個智能手環的電路設計、軟件編寫和工藝制備。課程中包含了基礎的集成電路設計、驅動軟件編程及半導體工藝這三個主要內容。大部分學生都能夠完成實驗課程的基礎要求和智能手環的制作，但在課程中發現，不同專業的學生對同一個問題的思維模式有很大差異。例如：要在智能手環中增加時間校準模塊的功能，軟件學院的學生主要是從驅動軟件的角度來思考，而電子學院的學生則主要從增加模塊的角度來思考，通訊學院的學生則跳出了“圍欄”，從物聯網互連的角度來解決。如果課程仍然按照教學計劃中所規劃的要求來實施，可能很多創新思維會受到抑制，學生從而失去了對課程的興趣，也埋沒了創新能力。由此可見，在基礎教學類課程中，并不缺乏創新點，也特別需要將本科新生從長期的固化思維中解放出來，打破多年基礎教育所形成的思維壁壘，激發學生的大腦風暴。要實現“有教無類”和“因材施教”這兩個要求，對課程教師的教學水平也提出了更高的要求，教師要先具備扎實的專業能力和分層次教學的意識，這樣才能在教學過程中發現并引導多角度思維，激發本科生的興趣與創新意識。

2 以問題為導向，以解決問題為目標

以電路分析實驗課程這類基礎實驗課為例，在構建好教學體系之后，教學內容往往長期固化[5]，一般以理論基礎為指導，搭配實驗驗證實施教學，旨在理論聯系實際，通過實驗增強學生對理論知識的理解，從而將知識融會貫通。這種教學方式是正確的，穩定的。有論文中指出在教學內容上增加前沿科研內容，從而打開學生的科學思維和視野[6]。例如：有教師將當前最熱的科研方向——“二維材料”作為學生學習的補充材料，也有教師將“等離激元效應”作為學生的思考題。這些創新的教學方法的初衷是好的，在一些課程中設置也獲得了良好的效果。但在基礎類課程中強行引入前沿科研內容需要特別注意以下幾點：(1)學生是否已經掌握必要的基礎知識；(2)學生是否對前沿科研內容產生興趣；(3)教師是否能將課程內容與科研內容聯系起來；(4)前沿科研內容是否干擾到基礎教學任務。如果不能很好地協調解決這些問題，那么在基礎類課程中引入科研內容反而會對教學質量產生不好的影響。

從教學本質上來說，課程內容的設計先要促使學生學習并掌握必要的知識，要在已掌握的知識基礎上進行思考和拓展。在教學中引入科研內容的目的其實也是基于這一教學本質。因此，要設計適合基礎類課程的拓展內容，并激發學生的思考與創新能力，從而鍛煉學生解決問題的能力，這就是教學創新的關鍵環節。在基礎類教學課程內容的設計中，適當引入問題，并以問題為導向，以解決問題為目標，由教師帶領學生參與到發現問題、分析問題和解決問題的過程中，這樣更能夠解決上述提到的幾點問題。在電路分析實驗課程中，發現基礎類教學中對前沿科研內容并沒有迫切的需求，反而在實踐過程中對基礎問題的解決過程發揮了很重要的作用，獲得了很好的教學效果。例如：在測量光電二極管的電學特性實驗中，學生要設計合理的電路，搭建實驗電路，并對電學進行測量分析。在常規教學中，學生按部就班就可以完成該課程內容，并獲得一個統一的結果。在這種固化的教學模式下，大部分學生在設計電路上“依葫蘆畫瓢”，在搭建電路上照本宣科，最后得到的結果能夠統一就算完成了任務。在全過程中，并不是每個學生都參與了思考。在教學過程中，特意設計了一個“可以解決”的問題，通過設計錯誤的電阻，使得電路搭建后的測試結果并不能吻合預期。當學生在搭建電路過程中發現不能繼續照本宣科的時候，就迫使學生必須動腦筋發現問題并分析問題。大部分學生都能夠發現問題，其中一部分學生能夠分析出電阻的問題，但只有少部分學生最終能通過修改電路設計來解決問題。這正反映了之前所提到的課程教學中需要因材施教。因此，在課程中要以問題為導向，以解決問題為目標，對學生進行分層引導，因材施教。通過激發學生興趣和拓展思維模式，促進了學生實踐能力的有效提升。

3 抓住重點，以點帶面

有機結合現有課程基礎，加大電路分析實驗在實踐培訓方面的投入。要重點打造理論教學與實踐實習相互配合的教學體系，盡可能為學生提供實訓、實踐條件。無論課程學時多少，教學內容都要保證課程體系的完整性。內容完整、層次分明、脈絡清晰的課程體系不僅是本科教學的基本要求，更是促進學生科研素質提升的基本條件。該課程在保證完整教學體系的基礎上，加強這門課的學科體系特點，強化學生的工程素質培養，做到基礎的原理知識只增不減，選擇原理與具體知識點的結合點和突破口作為具體事例，對工程工業化的知識進行一定強化。堅持以產業需求倒逼課程培養，促進創新鏈與人才培養鏈、產業鏈的有效對接，重點突破與全面輻射相結合，帶動院系內其他課程乃至其他院系教學理念的整體提升。要抓住國內外半導體企業在各個城市落戶這一契機。若干企業需要大量的人才，要充分發揮高校在人才培養方面的優勢，加強高校與集成電路產業界的聯合對接。

4 校企融合，打破壁壘

集成電路行業是一個飛速發展的行業，但大學的教學內容往往滯后于產業發展，教科書的更新速度趕不上摩爾定律的發展規律。這導致高校的本科教育與產業的發展需求之間形成了一個天然的壁壘[1]，學生從高校畢業后并不能無縫對接企業需求，集成電路相關企業還要對畢業學生進行二次培訓。高校作為人才的孵化器，必須打破這種壁壘，促使學生形成產業化視野。因此，有必要在基礎課程中引入企業教師。企業教師能夠帶來企業從業人員必需的實踐經驗，構建高校與企業之間的橋梁，在基礎教育與產業化發展之間形成高速路，加速我國集成電路行業的發展，實現核心技術的彎道超車。電子綜合設計課程教學中，邀請高新企業的專家給本科學生做了關于半導體行業發展與企業運行的專題講座，發現學生對專題講座的興趣很高，提出了很多從業與發展方面的問題，反映出了學生對校企融合的迫切需求。由此可見，在課程中加強校企融合是促進高校優化產業化人才培養的重要方式。

5 結語

電路分析實驗雖然是一門基礎實驗課，但要求教師具備扎實的知識背景和創新的教學意識。結合目前我國集成電路產業的迫切發展需求合理安排教學內容，對培養集成電路領域產業化人才具有至關重要的意義。這對教師提出了更高的要求，在今后的教學過程中要繼續探索，打破長期基礎教育導致的固化思維，對學生進行分層引導，因材施教。可通過激發學生興趣和拓展思維模式來促進學生實踐能力的提升。在教學中建立系統的知識體系的同時，以探索性問題為導向，以提升解決問題的能力為目標，引導學生靈活應用科學理論，強化學生的科研素養和創新能力。