新工科背景下微電子科學與工程專業(yè)“集成電路測試技術實踐”課程的教學探究

摘"要：針對當前新工科教育下的微電子科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)提出的更高要求，本文深入研討了微電子科學與工程專業(yè)中“集成電路測試技術實踐”課程的優(yōu)化策略與發(fā)展方向。以筆者所屬學校的實踐課程為藍本，本文剖析了當前課程設置、教學模式及教學內(nèi)容中所存在的問題，并據(jù)此提出了一系列前瞻性的理論改革舉措，旨在通過實踐教學體系的革新，切實增強學生對集成電路領域的深刻理解和實操技能，同時著重強化學生的實踐參與過程，并著力培養(yǎng)其自主學習能力、創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作精神。通過這些改革，以期能夠為微電子科學與工程專業(yè)的課程教學改革和微電子行業(yè)高素質(zhì)人才培養(yǎng)提供支持和參考。

關鍵詞：新工科；微電子科學與工程；集成電路測試技術；實踐教學

集成電路（Integrated"Circuit，IC）產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在已成為國民經(jīng)濟和國防系統(tǒng)發(fā)展的基礎，成為一個國家的核心競爭力，成為一個國家綜合實力的關鍵標志之一［1］。微電子是隨集成電路發(fā)展起來的新技術，在新工科背景下，微電子科學與工程專業(yè)正蓬勃發(fā)展，成為電子信息科技的核心，前景廣闊。一方面，5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興領域需求增長，促進了微電子科學與工程專業(yè)人才需求的擴大，為專業(yè)提供了廣闊的就業(yè)空間。另一方面，新工科強調(diào)跨學科融合和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這與微電子科學與工程專業(yè)的特點高度契合。

理論教學與實踐教學深度融合是高等院校教育教學的基本規(guī)律，是新時代教育改革發(fā)展的要求［2］，也是世界格局變化的要求。實踐與理論相結(jié)合的教育模式有助于學生綜合能力的培養(yǎng)。學生不僅是理論知識的接受者，還能夠運用所學知識解決實際問題，堅持理論指導和實踐探索的辯證統(tǒng)一，實現(xiàn)理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新的良性互動［3］。針對當前新工科教育下的微電子科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)提出的更高要求，高等院校更要注重具有工程性的實踐教學環(huán)節(jié)。

1"實踐課程設置背景

集成電路制造涵蓋設計、晶圓制造、封裝、測試及系統(tǒng)級測試，完整產(chǎn)業(yè)鏈如右圖所示。由此可知，對于集成電路人才的培養(yǎng)，高等院校不僅需要追求嚴謹?shù)睦碚摻虒W，更要注重具有工程性的實踐教學環(huán)節(jié)。其中，封裝與測試尤為關鍵，為此，筆者所在學院的微電子科學與工程專業(yè)于大三下學期設置了“集成電路測試技術實踐”課程，該課程作為課程體系基石，能夠強化學生對測試技術的理解與實踐能力。

集成電路完整產(chǎn)業(yè)鏈圖

在本課程前，學生們已經(jīng)完成了包括“半導體物理”“半導體器件”“微電子工藝”“模擬及數(shù)字集成電路設計”等在內(nèi)的一系列專業(yè)課程學習，為理解本課程的理論知識打下了堅實的基礎。然而，這些課程內(nèi)容獨立，學生很難領悟內(nèi)在聯(lián)系及產(chǎn)業(yè)鏈應用。本課程作為實踐平臺，能夠讓學生從芯片制造全鏈條，特別是測試環(huán)節(jié)整合知識，實現(xiàn)綜合應用，深化理解，為職業(yè)生涯打下基礎。

本課程的核心內(nèi)容是完成集成電路參數(shù)的測試，這與本專業(yè)的核心課程“半導體物理與器件”緊密相連，旨在通過實踐讓學生明白學習的目的，并在實際操作中體驗器件與電路的功能，加深學生對半導體測試在產(chǎn)業(yè)鏈中作用的理解。

目前，本課程在學院的芯片測試實驗室授課，依托IC一體化測試平臺讓學生學習測試原理與方法。課程強調(diào)創(chuàng)新實驗，故采用小組合作模式，每組2～3人，以促進學生相互協(xié)作與知識共享。值得一提的是，本課程與學科競賽——全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽緊密結(jié)合，鼓勵學生參賽，通過解決實際問題鞏固理論。大賽的項目案例緊貼產(chǎn)業(yè)需求和技術趨勢，能夠進一步深化學生的專業(yè)知識。

2"課程教學存在的問題

2.1"關聯(lián)課程安排不夠合理

本課程緊密對接全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽半導體測試賽道，旨在滿足產(chǎn)業(yè)鏈技能需求。然而，原培養(yǎng)方案中將“測試技術實踐”與“集成電路設計”課程同期設置，導致學生在測試時因設計知識掌握不足，對測試背景、目的與設計關系理解不深。這影響了學生的測試表現(xiàn)及對整個產(chǎn)業(yè)鏈的理解，因此需要優(yōu)化課程安排。

2.2"與前序?qū)嵺`課程整合不緊密、學生認知不足

在參與本次“集成電路測試技術實踐”課程（大三下學期）之前，本專業(yè)學生已接受電路分析、模電、數(shù)電等多環(huán)節(jié)實踐訓練，但與“集成電路測試技術實踐”課程間隔較長，部分學生遺忘前期知識，測試電路理解困難。

此外，以往的集成電路專業(yè)課程實驗教學習慣采用“手把手”灌輸式的實驗教學模式，實驗內(nèi)容沒有挑戰(zhàn)性［4］，多為驗證性實驗。學生注重數(shù)據(jù)準確而忽略知識的深入理解，測試不佳時缺乏自信與反思，達標則滿足現(xiàn)狀，反映出學生的“應試”心態(tài)未變。

2.3"教學模式不完善

本院微電子科學與工程專業(yè)以40～50人的小班教學模式運行，有利于小組討論和實踐課程的開展。因?qū)嶒炇铱臻g小，測試課需要分3批，每批15人左右。小班分批模式雖專注個體學習，卻削弱了班級討論氛圍，增加了教師負擔。此外，測試平臺不足導致學生需要排隊，實踐效率低；且學生能力各異，統(tǒng)一難度的實踐內(nèi)容也難以滿足不同水平學生的需求。

3"課程計劃改革的內(nèi)容

3.1"優(yōu)化課程安排

為提升教學效果和增強學生的競賽競爭力，對于關聯(lián)課程安排不夠合理的問題，可按照下述內(nèi)容改進。

（1）課程順序優(yōu)化：將“集成電路設計”課程提前，確保學生在進入“測試技術實踐”課程前，對集成電路設計原理有深刻理解。同時，將“測試技術實踐”課程設置在與全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽時間對應的學期，以便學生能夠?qū)⒃O計知識應用于實踐。

（2）競賽導向教學：在教學中加入與競賽相關的案例分析和實戰(zhàn)演練，提高學生的實際操作能力和問題解決能力。

（3）個性化學習路徑：根據(jù)學生的興趣和能力，提供個性化學習建議，幫助他們在集成電路領域找到適合自己的發(fā)展方向。

（4）師資隊伍建設：加強教師培訓，確保教師掌握最新技術，提供高質(zhì)量的教學。

（5）持續(xù)評估與反饋：建立評估和反饋機制，定期收集意見和建議，不斷優(yōu)化教學方法。

通過這些措施，旨在為學生打造一個更加高效、實用的學習環(huán)境，幫助他們在集成電路設計和測試方面取得顯著進步，并在競賽中展現(xiàn)出色的表現(xiàn)。

3.2"更新實踐內(nèi)容

與前序?qū)嵺`課程整合不緊密、學生認知不足等問題凸顯了工科專業(yè)實踐課程教學中常見且關鍵的挑戰(zhàn)。而一門優(yōu)秀的實踐教學課程必然滿足“兩性一度”的要求：高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。而“設計”和“測試（測量）”就是一門優(yōu)秀的電子工程實踐教學課程的“綱”，綱舉目張，使“設計”和“測試（測量）”成為實踐教學課程的兩條相互交織的主線，才能達到理論與實踐的完美融合［5］。

為此，筆者提出一個創(chuàng)新的實踐設計理念，即以項目式課程教學模式為基礎，對電路分析實驗、模電實驗與集成電路參數(shù)測試內(nèi)容進行整合。實驗項目的設計可將電路分析實驗中將運算放大器（以下簡稱“運放”）相關的操作和集成電路中運放參數(shù)測試內(nèi)容相結(jié)合，或?qū)⒛ｋ妼嶒炛械哪?shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實驗內(nèi)容與集成電路中相應參數(shù)的測試內(nèi)容相融合等，以創(chuàng)造全新的實踐環(huán)節(jié)。以運放芯片測試的實驗項目為例，該項目包括的具體內(nèi)容如表1所示。

使用方波信號測試一階RC電路的時域響應，這一環(huán)節(jié)不僅能夠讓學生回顧并鞏固之前課程中涉及的濾波器中RC電路的內(nèi)容，且有助于他們將理論知識應用于實際電路分析中。在掌握了RC電路的測試方法后，構(gòu)建積分電路，利用運放對輸入信號進行積分運算。這一步驟將加深學生對運放基本原理及運放在電路設計中的基礎應用的理解。

完成實驗內(nèi)容1、實驗內(nèi)容2后，學生將利用仿真軟件設計基于運放的低通濾波器測試電路。通過仿真明確電路的工作原理，同時鞏固其在仿真課程中學到的軟件使用技巧。最終，學生將搭建自己設計的測試電路，并使用一體化IC測試平臺對運放芯片進行測試，這一環(huán)節(jié)將檢驗學生對電路設計和測試的綜合能力。由2～3位學生一組完成項目的設計和制作，撰寫相應的報告，并進行匯報。

這種教學內(nèi)容整合的策略不僅有助于學生鞏固和加深對運放、ADC、DAC等關鍵芯片的理解，而且能夠拓寬他們的視野，使他們對整個半導體測試領域有一個更全面的認識。更值得一提的是，此實驗項目是一個綜合性的實踐環(huán)節(jié)，其評估重點在于設計及測試的過程。本項目鼓勵學生超越對“正確指標”的追求，通過不斷思考、討論、嘗試、設計并搭建測試電路，以測定芯片的性能指標。此策略摒棄了傳統(tǒng)的驗證性實驗模式，轉(zhuǎn)而引入全新的實驗項目，旨在提升實踐操作的挑戰(zhàn)性，有助于增強學生的深入探究與鉆研能力，拓展設計思維，使他們能夠在面對復雜問題時展現(xiàn)出獨立解決問題的能力。

3.3"細化教學模式

針對教學模式存在的問題，筆者提出以下建議，以優(yōu)化教學環(huán)境和課程設置。

首先，著手改善實驗室條件。目前，本專業(yè)已成功獲批更寬敞的實驗室，并新增了測試儀器，使2～3名學生組成的團隊都能有對應的儀器使用，無須排隊，這將極大地提升實驗教學的效率和質(zhì)量。

其次，根據(jù)學生在過去學期的實踐能力，將學生分為兩個層次：第一組由實踐能力較強或有意向參加競賽的學生組成，第二組則由實踐能力相對較弱的學生組成。課程內(nèi)容分為三個難度等級：A級（高難度）、B級（中等難度）和C級（低難度）。整個17周的教學計劃中，包含4周的理論教學和13周的實踐操作。理論部分將采用全班統(tǒng)一講解的形式，涵蓋IC產(chǎn)業(yè)鏈基礎、一體化測試儀器使用、芯片測試基礎以及測試程序編寫等關鍵知識點。實踐部分則根據(jù)學生能力分組進行教學，第一組每2周接受一個新的實驗項目，難度為B級；第二組每3周接受一個新的實驗項目，難度為C級。

在學期中期，將根據(jù)學生的表現(xiàn)和反饋進行分組調(diào)整。具體的分組和教學安排如表2所示。

根據(jù)中期的分析結(jié)果，第二組學生將被進一步細分為B級和C級，而第一組學生將被劃分為A級和B級。在學科競賽報名期間，將再次綜合評估學生的實際情況，并統(tǒng)計其參賽意向，利用B1級表示有參賽意向的B級學生，利用B2級表示無意向參賽的B級學生。將第一組中的A級學生和第二組中有意向參加競賽的B1級學生歸入第一組，并提高實踐難度，以學科競賽為目標進行重點培養(yǎng)。對于能力較弱的C級學生和無意向參賽的B2級學生，將其留在第二組，維持原有教學內(nèi)容，并根據(jù)需要微調(diào)難易度。

授課模式優(yōu)化后，對于不同組別的學生，課程考核也應進行對應調(diào)整。課程評價將聚焦于實踐過程，采用多角度、多元化的考核方式。最終成績由期末操作考核（50%）和過程評價（50%）組成，過程評價細分為：課堂實踐過程表現(xiàn)（40%）、測試題目操作結(jié)果（30%）以及研討（匯報）成績（30%）。此評價體系旨在鼓勵學生將理論知識應用于實踐，同時鍛煉其自主學習、團隊合作與表達能力，確保每位學生都能得到全面而公正的評估。

結(jié)語

本文探討了微電子科學與工程專業(yè)的集成電路技術測試實踐課程的挑戰(zhàn)。在新工科教育背景下，本文以實踐育人理念為核心，針對教學問題，提出教學方法和內(nèi)容的創(chuàng)新措施，包括課程優(yōu)化、內(nèi)容更新、教學模式細化和考核體系調(diào)整，以構(gòu)建高效、靈活的教學環(huán)境。學院將持續(xù)關注成效和學生反饋，推動教學改革，培養(yǎng)基礎扎實、實踐能力突出的微電子科學與工程專業(yè)人才，滿足新工科建設和微電子領域創(chuàng)新發(fā)展的需求。相信這些改革將為學生提供更豐富、更具挑戰(zhàn)性的學習平臺，促進個人與專業(yè)的雙重發(fā)展。

參考文獻：

［1］王陽元.集成電路產(chǎn)業(yè)全書：上冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2018.

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［3］張蒙，張亞民，萬培元，等.微電子科學與工程本科教育中實踐與理論相結(jié)合模式探究［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2023（35）：141144.

［4］謝小東.挑戰(zhàn)性實驗課程教學探索與實踐［J］.實驗科學與技術，2019，17（01）：8994.

［5］李剛，林凌.設計與測試：實踐教學中的兩條主線［J］.電氣電子教學學報，2023，45（01）：152156.

基金項目：新工科視角下基于應用型人才培養(yǎng)的微電子科學與工程專業(yè)建設與改革研究（項目編號：2023JG"B376）；融入課程思政的“集成電路設計原理”課程教學與研究（項目編號：Wyjg2023A026）；新工科視角下基于集成電路產(chǎn)業(yè)應用型人才培養(yǎng)的微電子科學與工程專業(yè)建設與改革研究（項目編號：Wyjg2023A063）；電子電路類課程的理實融合和引導式教學的研究——以微電子科學與工程專業(yè)為例（項目編號：Wyjg2024A005）

*通信作者：彭瑤（1990—"），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，實驗師，研究方向：集成電路測試技術、生物醫(yī)學電子學。