“半導體器件仿真與設計”課程思政教學的探索和實踐

胡冬青，周新田

（北京工業(yè)大學信息學部，北京 100124）

一、背景

培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人，是高校人才培養(yǎng)必須面對的根本性問題。2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上就強調指出：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”，“各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應”[1]。2017年2月，中共中央、國務院印發(fā)了《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》，明確提出了“堅持全員、全過程、全方位”的育人要求，并在之后兩年，先后公布兩批“三全育人”綜合改革試點單位。2019年3月，習近平總書記再次指出，“要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現(xiàn)全員全程全方位育人”“要堅持價值性和知識性相統(tǒng)一，寓價值觀引導于知識傳授之中”[2]。

為了更好地貫徹落實“三全育人”，各高校紛紛開展關于課程思政的探討，有關將思政元素有機地融入專業(yè)課教學中的嘗試[3-4]，不斷豐富和擴展。

本文將依據(jù)社會主義核心價值觀，結合專業(yè)選修課“半導體器件仿真與設計”的課程內(nèi)容和特點，開展課程思政建設，有效引導學生正確看待、客觀評價我國微電子技術水平，增強憂患意識，激發(fā)學生責任感、使命感、為民族科技振興奮斗的熱情。

二、“半導體器件仿真與設計”課程特點與課程思政建設

（一）課程特點

“半導體器件仿真與設計”是北京工業(yè)大學面向電子科學與技術專業(yè)開設的專業(yè)限選課。課程設置的目的，旨在通過具體器件設計、仿真優(yōu)化與版圖實現(xiàn)，將所學半導體物理、晶體管原理、工藝原理等相關知識貫穿起來。通過課程學習，學生能夠明確器件設計的主要思路，掌握器件設計的基本方法，能夠應用專業(yè)知識，設計器件結構及參數(shù)，并應用專用仿真工具進行優(yōu)化，確定工藝范圍，并逐步樹立工程設計過程中成本意識、環(huán)境意識、品牌意識和法律意識（知識產(chǎn)權保護）。

半導體器件仿真與設計課程涉及到我國“卡脖子”技術——高端芯片設計，同時半導體器件本身是電能轉換與控制處理的核心元件，它不僅與微電子技術發(fā)展密切相關，也是實現(xiàn)各種電子設備高效、節(jié)能、小型化的關鍵所在，是支持我國努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“器件基礎”。因此課程蘊含的思政元素非常豐富，可以很方便地通過一件事、幾句話達成課程思政潤物細無聲的效果。

（二）課程思政建設

課程思政策略通常有兩種。一種是以教學內(nèi)容為主線，進行思政映射和融入點設置，例如內(nèi)蒙古科技大學“電力電子技術”的課程思政改革。這種策略的優(yōu)點是與課程內(nèi)容融入度高，易實現(xiàn)隨性切入，且容易進行全過程覆蓋。缺點是如果設計不充分，思政教育目標指標點不明晰，達成實現(xiàn)出現(xiàn)重復或缺失；另一種是以思政內(nèi)涵為主線，對落實環(huán)節(jié)和融入時機進行設置，例如重慶理工大學“集成電路設計原理”的課程思政建設。這種策略的優(yōu)點是思政目標比較明確，指標點具體，容易進行全方位覆蓋。缺點是如果落實設計不合理，易導致集中。最容易出現(xiàn)的狀況是課程思政主要集中在緒論課環(huán)節(jié)，而后繼教學內(nèi)容思政教育很少。

“半導體器件仿真與設計”進行課程思政建設的總體原則是：注重課程思政與課程教學內(nèi)容無縫對接和前后呼應；注重全局規(guī)劃，避免重復，提高效率；注重節(jié)奏規(guī)劃，保證全過程不斷線；注重多元化開發(fā)，一個教學內(nèi)容，蘊含多個思政元素。具體課程思政建設的實施策略如下：

1.以“弘揚社會主義核心價值觀”為目標，設置思政元素

國無德不興，人無德不立。育人之本，在于立德鑄魂。在課程思政建設中，借鑒工程教育認證畢業(yè)要求的思路，確定了“弘揚社會主義核心價值觀”這一課程思政建設的總目標，設置了6個思政目標指標點，具體包括：民族自信與創(chuàng)新發(fā)展、借鑒與自強自立、文化傳承與科學世界觀、發(fā)展權/使命感和責任感、規(guī)矩與底線（工程與法律/道德）、工匠精神與科學精神。

2.以深化“三全育人”改革為牽引，落實課程思政的全方位、全過程覆蓋：

為了保證課程思政在完整性、持續(xù)性和顯隱結合性方面達到較好的平衡，做好課程教學和思政教育的內(nèi)容平衡和相互促進，在課程思政建設，認真設計了思政元素的具體落實（參見表1），將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)緊密融合。

表1 思政元素的落實

3.以“持續(xù)改進”為導向，開展“課程思政”的考核規(guī)劃

“思政”教育與課程教學有機融合，相互促進，是課程思政重要目標之一。課程思政考核，是檢驗“課程思政”教育成效的重要手段，也是課程持續(xù)改進的重要依據(jù)。為此，“半導體器件仿真與設計”的考核環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化考題題干設計，從而在改善考核手段的同時，落實對“思政”內(nèi)容的考核。涉及的思政指標點，以“創(chuàng)新意識和創(chuàng)新發(fā)展”和“工程與道德/法律/倫理”這兩個指標為主。“創(chuàng)新意識和創(chuàng)新發(fā)展”的考核，有兩種策略，一是融入到對二極管或MOSFET前沿結構、創(chuàng)新原理、創(chuàng)新效果等的考核中；一是單獨的思維擴展題，要求學生構想一種新結構，結構“工程與道德/法律/倫理”的考核，主要通過多選題、簡答題的形式進行。思政考核大約占期末考試的5%-10%。

經(jīng)過幾輪實踐顯示，當“工程與道德/法律/倫理”相關的思政內(nèi)容以多選題的形式出現(xiàn)進行考核時，幾乎100%的同學都認為器件研發(fā)須除了需要考慮器件性能、工藝水平外，還需要考慮法律（是否涉及別人或自己的專利）、工程道德（對社會環(huán)境影響）等問題，但如果以“作為未來工程師，在器件研發(fā)過程中須考慮哪些因素”作為簡答題出現(xiàn)時，有30%-40%的學生會忽略法律因素和經(jīng)濟因素（專利保護或規(guī)避、環(huán)境影響和責任、工藝能力和成本）。有關“創(chuàng)新意識”的考核，如果融入到具體器件結構，解讀原理與創(chuàng)新思路，回答正確率能到達80%以上，特別是當以綜合設計題形式，問及我國半導體專家對功率半導體貢獻時，幾乎100%同學能答出超結構及其創(chuàng)新本質，但如果要求學生自己任意構思一個結構，不需要考慮如何實現(xiàn)，只需要說出采用哪些設計出于何種考慮，絕大部分同學只能以教學涉及的結構為例進行構思，只有10%左右的同學，能將場效應、電荷耦合效應或者超結原理用于自己結構的構想，并給出一個確實是文獻難以看到的新結構。由此可見， “課程思政”考核成績好壞，與考核形式密切相關，課程思政考核任重道遠，有待不斷改進和提高。

三、“課程思政”實施案例

“半導體器件仿真與設計”課程教學中，課程思政設計，注重顯性、隱性相結合，注重價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)的緊密融合。以“高壓功率MOSFET設計”為例，介紹教學開展“課程思政”設計與實施的具體舉措。

（一）課程教學內(nèi)容

“高壓功率MOSFET設計”是課程重點內(nèi)容之一，授課要點包括四方面：

1.高壓MOS器件面臨的困境：單極器件漂移區(qū)電阻正比于阻斷能力的2.5次方；

2.解決關鍵問題的突破性發(fā)明：打破傳統(tǒng)“極限”的超結結構；

3.超結結構的依據(jù)的物理基礎：電荷決定電場；

4.超結MOSFET產(chǎn)品技術難點、前沿成果及仿真要點：電荷平衡。

（二）學生知識構架分析：

“半導體器件仿真與設計”在大三下學期開設，學生具備電磁場理論、半導體物理和半導體器件原理基礎，掌握了PN結雪崩擊穿的理論基礎、PN結反偏時電場三角形分布及理論依據(jù)，對電荷分布決定電場分布有清醒認識，知道產(chǎn)生均勻電場分布要求的電荷分布。

（三）課程思政設計思路：

1.從普通高壓功率MOSFET面臨的困境引出問題，從最大限度挖掘材料極限出發(fā)，提問怎樣的電場分布最優(yōu)？從“電荷是產(chǎn)生電場的根本原因”出發(fā)，引導學生思考怎樣的電荷分布，可以實現(xiàn)近“方形”電場分布？

2.面向創(chuàng)新意識培養(yǎng)，引導學生思考怎樣獲得類平行板電容器的電荷分布？怎樣讓“空間電荷區(qū)”的“凈”電荷局域不為零，大尺度范圍平均近似為零？最終引出超結漂移區(qū)結構，并指出這種結構由我國知名學者陳星弼教授發(fā)明（1991年申請了國際專利），強調發(fā)明的理論意義（打破傳統(tǒng)極限）、現(xiàn)實意義（超結產(chǎn)品已應用到航天領域，抗單粒子燒毀能力優(yōu)于普通漂移區(qū)結構）和社會影響力（單專利領域，就被300多申請主體，引用了近千次，引用最多的，都是國際知名功率半導體公司，包括仙童半導體、富士電機、英飛凌技術、3D半導體、通用半導體、西門子、電裝株式會社等），增強民族自信；

3.通過一個“遺憾”轉折，指出：盡管陳院士的專利意識，帶來了一定的經(jīng)濟利益（專利轉讓費），但是由于最早捕捉到這個發(fā)明價值并把它用于產(chǎn)品研發(fā)、賺取技術紅利的是外國公司，強調工程研究的重要性。具體到與課程相關的設計優(yōu)化，明確結構拉偏、參數(shù)拉偏的必要性，指出科學精神與工匠精神的統(tǒng)一，是推動技術進原動力。

4.章節(jié)總結時再次強調，超結結構雖然最初看起來似乎無法實現(xiàn)，似乎看起來尤其不適合規(guī)模生產(chǎn)，但它確確實實被制備出來了，而且產(chǎn)品化，并帶來了經(jīng)濟利益和社會價值。最后鼓勵學生“睜大好奇的眼、持一份懷疑的態(tài)度、做一個改變現(xiàn)狀的創(chuàng)新夢，不管這個夢多荒誕，也許明天就會實現(xiàn)”呼應課程思政之“創(chuàng)新發(fā)展”的主題。

四、結束語

半導體器件仿真與設計，雖然是選修課程，但直接與高端芯片設計有關，與國家戰(zhàn)略發(fā)展有關。通過課程的學習，使學生能夠在掌握器件設計與優(yōu)化的基本思路和方法的基礎上，將所學半導體物理、晶體管原理、工藝原理等相關知識貫穿起來，同時明確我國微電子領域的發(fā)展和布局，增強學生的責任感、使命感、法律意識和創(chuàng)新意識。幾輪課程思政考核結果顯示，考核形式不同，目標達成度也不相同。不斷提升授課教師課程思政設計能力、落實計較，優(yōu)化考核形式和內(nèi)容，是持續(xù)改進課程思政效果關鍵所在。