“集成電路可靠性分析技術”課程教改探索

黃姣英 萬 博 王香芬 李 凱

(北京航空航天大學 可靠性與系統工程研究所, 北京 100191)

高校高等教育的核心載體是課堂教學,課堂教學模式改革是當前高等教育研究領域和課堂教學改革實踐領域的熱點問題[1]。

本科階段的主要教育目的是學生學習各類專業技能和知識,進而可以自主學習并解決實際問題。由于網絡的普及,部分高校學生出現“厭學”現象,多樣且便利的知識獲取途徑以及文娛性多媒體泛濫大大降低了課堂教學的效率,教學的第一任務轉變成了如何將學生注意力聚焦在課堂上。

傳統課堂教學模式是由兩個時間上獨立的過程組成,包括教師課堂時間精講課程和學生課后時間自主學習,學生處于被動,主動性無法發揮。高校課堂教學改革需要考慮的基本問題包括:如何依托互聯網時代背景,再塑高校高等教育的目的;結合新時代學生的特點,維持并拔高高校課堂的效率。于是討論式教學[2]、“對分課堂”[3]、翻轉課堂[4-5]、混合式教學[6]等多種教學模式應運而生。討論式教學通過課堂討論激發學生的主動學習動力,然而討論占用大量課堂時間意味著教師講解時間被壓縮,因此學生需要充分預習才能有效討論,這給學生造成較大負擔,加上謹言慎行的傳統文化,討論效果會低于預期[2]。

為了激勵學生學習動機,“對分課堂”教學模式綜合了傳統講授法與討論法的優點,將教學分為講授(Presentation)、內化吸收(Assimilation)和討論(Discussion)三個過程,因此對分課堂也可簡稱為PAD課堂。

近年來,翻轉課堂被大量引入高校教學過程中,其研究引起大量學者的興趣,翻轉課堂研究成果呈上升趨勢,研究聚焦在探討翻轉課堂的教學模式、翻轉課堂在具體課程的應用設計和翻轉課堂滿意度調查研究等三個方面[4]。

在翻轉課堂中,學生的學習興趣、學習能力和合作探究的能力等均有所提高。但翻轉課堂實踐效果不夠理想。在教學實踐中,部分教師不能把握翻轉課堂的核心,仍控制著課堂走向,學生主動性和積極性較低,側重于追求形式上的課堂翻轉。此外,適用于翻轉課堂的課程類型仍有待商榷和探討。

近年來,在集成電路領域被“卡脖子”的痛楚愈發強烈。國家針對集成電路領域出臺了《教育部等七部門關于加強集成電路人才培養的意見》。

國內高校在集成電路課程中,大多側重集成電路的設計、仿真、制造和封裝,圍繞集成電路的固有可靠性提升,缺少從使用可靠性角度論述的課程,尤其缺少可靠性分析與可靠性評價技術的課程[7]。

當前該類課程的教學現狀,主要集中于以下兩類問題:一是廣泛使用的仍是傳統教學模式。教師課堂講授,學生被動接受,積極性不容易被調動。二是教材內容欠缺工作實例,學生解決實際問題的能力無法提高。

此外,集成電路課程深厚的精神內涵和思想價值,應當進行課堂設計和實踐摸索,從文獻調研結果看,課程思政方面也欠缺,急需加強課程思政改革[8]。

2018年高校師生思想政治狀況滾動調查結果顯示[9],影響高校學生思想言行的首要因素是專業課教師。

“集成電路可靠性分析技術”課程是北京航空航天大學可靠性與系統工程學院本科生的專業課程,覆蓋的專業有飛行器質量與可靠性、安全工程。考慮到課程存在一定的難度,結合前三輪次教學,對標一流課程和課程思政要求,結合項目驅動,課程將混合教學、對分課堂和思政元素融合到課程的全過程。分析課堂數據結果顯示,實踐該教學模式后,學生學習的主動性得到了提升,教學效果得到了提高。

1 課程特色分析與思考

1.1 課程特色分析

“集成電路可靠性分析技術”作為大四專業課,其承載的任務是,在短時間內(24學時),以深亞微米、SiP、MEMS等新型集成電路的固有可靠性為切入點,在掌握其工藝特性和制造工藝流程知識的基礎上,分析集成電路制造工藝過程工藝污染、互連、封裝和微觀等方面缺陷與固有可靠性的關系;從提高使用可靠性角度,掌握集成電路電性能測試技術、可靠性分析與評價技術、信息安全分析與檢測技術。

課堂授課內容包括集成電路制造工藝原理、集成電路芯片封裝技術、集成電路封裝缺陷和失效、集成電路電性能測試技術、集成電路可靠性分析技術和集成電路可靠性評價方法[7]等六個學術模塊,旨在為集成電路全壽命周期可靠性提供一體化解決方案(如圖1所示)。

圖1 “集成電路可靠性分析技術”課程知識框架

1.2 課程設計思考

培養思維方式和開拓精神是傳統教學模式的短板,也是高校高等教學的主要目標之一。根據學習方式的不同,學習可以分為主動學習和被動學習,不同學習方式與學習效果的關系可見學習金字塔理論[3](如圖2所示)。

圖2 學習金字塔理論

“集成電路可靠性分析技術”作為大四專業課,其承載的任務是,在24學時內,培養學生的自主學習能力,掌握新型集成電路的可靠性分析與評價技術,提高學生自己解決問題的能力。

深入分析學生的年齡和知識背景特征,結合前三輪次教學,反思教學效果,總結教學經驗,對標一流課程和課程思政要求,通過梳理“集成電路可靠性分析技術”課程中存在的問題,發現:①課程嵌入的思政環節生硬,思政元素無設計不成體系;②師生互動較為簡單,思政內容與知識點結合不緊密。

在教學內容方面,需明確學術和思想兩方面的教學目標;通過目標驅動,細化并形成課程思政體系。將“立德樹人”貫穿課堂,在教學設計上將國家意識、人文情懷等元素與知識點結合。

在教學模式方面,秉承“教得更少,學得更多”的教學理念,可結合項目驅動和對分課堂,采用線上線下混合授課模式。同時,尋找專業知識中思政元素的可附著點,在教學過程中滲入思政元素。

2 課程思政與教學模式構建

2.1 “微思政”施教策略

課程思政是追求立德樹人,對專業知識中的思想品德教育元素進行挖掘,實現德育對課程內容的滲透[10]。

在前幾輪次“集成電路可靠性分析技術”課程開展課程思政時,存在“集成電路可靠性分析技術”課程知識與思政內容融合不充分等問題,在課堂傳授時,價值引領難以同步實現。將思政環節嵌入課程的形式也比較僵硬。

“集成電路可靠性分析技術”課程的思政相關元素很多,專業性也很高,因此課程內容很多、難度較高,如何將思政內容隱性地滲入在講授中,需要提前研究確定策略。

“微思政”的“微”是指細微的隱性教育,而不是“微小”,即利用碎片時間開展思政教育[11]。

結合楊為民老師的感人事跡,課程圍繞一個核心、三個要求和七個維度[12](如圖3所示),將思政元素通過四條主線融入:①通過介紹集成電路產業的戰略性定位,深化學生的榮譽使命感;②通過介紹中國集成電路史上最具代表性的六位科學家的事跡,激發學生不畏困難、執著研究的科學精神;③通過介紹當前集成電路產業國內外的差距以及一些近期的集成電路的假貨識別[13]、硬件安全[14]等熱點事件,提醒學生居安思危;④通過介紹國內集成電路失效分析和信息安全事件,培養學生的擔當意識。

圖3 課程思政目標

2.2 課堂教學方式探索

1)傳統+討論式教學

在第1輪次(2018年)教學過程中,以講授基礎知識為主,主要教學模式由課堂講授和學生課后學習兩部分組成。基本上,教師講授什么,學生就被動接受什么,學生缺乏自主參與的熱情,嚴重影響學生學習的積極性。

考慮到傳統課堂教學模式缺乏師生交互,無法適應新時代學生的身體心理特點,在課程教學的后半部分,新增了討論式教學。通過課堂討論提升學生主動學習意愿。

實踐發現:討論占用大量課堂時間,教師講解時間就被壓縮;由于教師講授時間較短,學生有效討論需要充分預習;作為大四專業課程的“集成電路可靠性分析技術”反映學科積累,專業知識較多,學生預習時把握分寸困難、容易產生挫敗感。

2) “對分課堂”教學

為了激起學生學習動機,在第2輪次教學中,新增了“對分課堂”教學模式。如圖4所示可知,當堂對分是講授和討論在同一堂課,而隔堂對分是講授和討論不在同一堂課內。

圖4 當堂對分與隔堂對分

“集成電路可靠性分析技術”課程一周一次課,共2節。在對分課堂教學模式中,課堂討論和教師精講新課各占一個課時。

雖然學生學習更主動,教師減輕負擔。但由于討論的開放性特點,容易影響學習系統性或者陷入看似學生自主實則教師引導的誤區。學生的學習能力、學習興趣和合作探究的能力等很難完全達到期待的效果。

實踐發現:在“對分課堂”的框架內,還可以將三成課堂時間用于討論,七成用于講授;實踐發現:當教師講授的時間是學生討論的時間的2倍多時,比較適合內容科學性較強、具有較多的工程應用背景的專業課程。

3)項目驅動式教學

在教學實踐中發現,通過前兩輪次的教學改革,借助微課資源和網絡,學生的學習能力、學習興趣均有所提高;學生通過系統學習,對集成電路可靠性的一些基本知識可以了解,但是解決問題和實際應用的能力還相當欠缺。為了進一步提升學生的合作探究能力,在第三輪次教學中,在教學內容方面,將理論知識與實踐設計相融合;在教學方式上,新增項目驅動式教學模式課程用項目教學案例如表1所示。

表1 課程用項目教學案例

2.3 三七分課堂混合式教學模式構建

混合式教學(Blended Teaching)的核心理念是對學生有限的學習時間和空間進行擴展,促進學生深度學習。

“集成電路可靠性分析技術”課程,通過融合科研引領與教學引領,可將混合式教學和對分課堂的優點結合起來,合理重構,形成三七分課堂混合式教學模式。

三七分課堂混合式教學由線上學習和課堂教學兩個模塊組成。線上學習利用課前和課后時段開展,在課前階段,教師推送資料,學習資料一般以短視頻、微課為主,發布預習任務。課后階段,師生的任務包括課程回顧和拓展作業,其中拓展作業是可選項。作為專業選修課,拓展作業以滿足課程思政要求的工程倫理、大國工匠和科技報國等為主,圍繞集成電路可靠性,結合當前的最新技術或者熱點事件,提升學生的思辨能力。

考慮到“集成電路可靠性分析技術”課程的工程背景,在“對分課堂”的框架內,課堂時間以“三七分”為主。除此之外,首次課或教學內容簡單的課上,采用當堂對分;首次課以后或有困難內容的課上,采用隔堂對分。

3 實踐效果和思考

3.1 課程建設與師資儲備

在課堂教學中不要囿于書本,研究方向可以吸收發現的學科、專業前沿等相關問題,并把研究成果和課程知識點相結合,更新課程內容,激起學生自主學習積極性,在保證教學中心地位的基礎上,充分發揮科研導向作用。

課程教學團隊均具有高級職稱,承擔了大量科研和技術研發任務,包括國家自然科學基金、技術基礎和元器件的共性檢測課題;此外,北航元器件中心作為第三方實驗室的掛靠單位,承擔了大量集成電路的檢測篩選、失效分析、破壞性物理分析等工程任務,涉及了集成電路的電性能測試技術、試驗技術和可靠性分析技術等,覆蓋面廣,可為教學內容提供豐富的素材。

3.2 教學實踐

下面以“集成電路可靠性分析技術”課程中的破壞性物理分析為例,具體說明三七分課堂混合式教學模式的實踐情況。

破壞性物理分析這部分的教學內容包括破壞性物理分析簡介、集成電路DPA試驗項目、集成電路DPA案例、假冒偽劣器件分析和物理特征分析PFA等五部分。

破壞性物理分析(destructive physical analysis)簡稱為DPA,是指通過對元器件樣品解剖前后檢驗、分析的全過程,驗證元器件是否滿足相關要求。它用于檢查元器件的批質量問題[13]。目前已有軍用電子元器件破壞性物理分析的通用方法標準[15],包括DPA程序的一般要求以及典型電子元器件DPA試驗與分析的通用方法和缺陷判據。

集成電路的可靠性分析技術包括失效分析、破壞性物理分析和結構分析,失效分析技術已講解過,希望學生預習掌握破壞性物理分析簡介,共包括定義、目的、參考標準在內等六部分。

教師課程前給學生提供的學習資料包括GJB4027A—2006、MIL-STD-883、PEM-INST-001和ESA PSS-01-60等標準,同時布置了思考題,如:對于軍用集成電路,何時需進行破壞性物理分析?開展集成電路的DPA試驗,觸發批拒收缺陷的因素有哪些?

學生線上學習遇到問題時,可以在線提問。爭取做到學生參加線下教學時均已理解破壞性物理分析的內涵。

課堂教學的第一節課由教師精講新課,主要是結合工程失效案例,講解不同封裝的集成電路DPA試驗項目,如何借助DPA試驗開展假冒偽劣器件分析等知識;余下的20～30 min采用當堂對分,加深學生對設置DPA試驗項目的針對性的理解。

課堂分組討論密封型集成電路與塑封型集成電路DPA試驗項目的異同,結合表2和器件封裝特點,解釋表格A、B、C、D、E處差別的原因。

表2 集成電路DPA試驗項目(部分)

課后階段,圍繞課程內容回顧和拓展作業展開師生任務,拓展作業為自學物理特征分析PFA的課件。一般是結合課堂討論和課后作業,回顧課堂內容,課后作業是課堂討論的深化。留的作業是:塑封半導體集成電路的DPA試驗項目有哪些?各試驗項目對應的檢查內容是什么?各試驗項目可能預防的失效模式有哪些?

3.3 教學反思

通過學生課后反饋及線上評教情況,這種三七分課堂混合式教學模式得到了學生們的普遍認可,有效帶動了他們的自主學習積極性,學生經過與教師、同學們的交流受益匪淺,而且課堂上介紹的項目實例使他們解決實際問題的能力得到了提高,協作能力也得到了提升。

這是因為:三七分課堂混合式教學模式可從學生、教師、課堂、要求和境界5個維度,實現教授和學習的轉變。從圖5可以看出,項目討論取代課堂聽講,學生主動學習取代被動學習;教師引導探究取代知識講授,通過考核綜合能力而不是掌握的知識進行學生評價,促進創新能力、自學能力等綜合能力的提升。

圖5 三七分課堂混合式教學轉變示意圖

但也不能以偏概全,一概而論。“集成電路可靠性分析技術”課程具有專業性強、內容多、難度高等特點,講課任務繁重,而又受限于課時,仍需在不斷實踐中,通過學生的課堂狀態,分析學生對課程知識點的接受程度,做出適當調整。

視頻、照片及其他多媒體工具,僅是輔助教學手段;授課應該以人為本,多鼓勵學生查閱文獻,不只是看教師提供的課件和資料。此外,需繼續圍繞教學內容、教學方法、課堂組織、師生活動、學習資源及課程思政等方面,進一步優化課程教學效果。

4 結語

通過對北京航空航天大學“集成電路可靠性分析技術”課程的分析和思考,提出將思政教育融入課堂,并設計“微思政”施教策略;結合前三輪次教學,結合項目驅動,通過將混合教學、對分課堂和思政元素融合到課程全過程,構建三七分課堂混合式教學模式,實現教學轉變。

以破壞性物理分析教學為例,詳細闡述了三七分課堂混合式教學的實施情況;實踐效果表明,該教學方式可從學生、教師、課堂、要求和境界等五個維度,有效提升學生的自學能力、探究能力、表達能力、創新能力和思辨能力。