微電子器件與技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革初探

朱友華 王美玉 李 毅 鄧洪海 施 敏

0 引言

微電子器件與技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是在該課理論課的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的，在學(xué)習(xí)理論課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)理論、固體物理、半導(dǎo)體物理等課程，后續(xù)會(huì)學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)、CAD、版圖設(shè)計(jì)等集成電路相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程。因此，該課程是培養(yǎng)學(xué)生具備大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)能力必不可少的基礎(chǔ)課[1]。而微電子器件與技術(shù)基礎(chǔ)這門(mén)課的理論部分因?yàn)殡y度比較大，涉及的內(nèi)容抽象復(fù)雜，重要知識(shí)點(diǎn)多，教學(xué)時(shí)間緊，往往以老師講學(xué)生聽(tīng)為主，爭(zhēng)分奪秒地進(jìn)行教學(xué)。原本的課程設(shè)計(jì)依然只是趕進(jìn)度，學(xué)生興趣索然地為完成學(xué)習(xí)任務(wù)而完成設(shè)計(jì)，所學(xué)理論未得到驗(yàn)證，實(shí)際的能力未得到提高，學(xué)生可能收獲甚少。因此，在課程設(shè)計(jì)階段，有必要以“培養(yǎng)學(xué)生能力”為指導(dǎo)思想進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)體系改革，使成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生可以培養(yǎng)更多創(chuàng)新能力和擁有探索未知世界的精神，基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)能夠在新模式下得到更多的機(jī)會(huì)，通過(guò)自主構(gòu)建知識(shí)夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 本課程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

微電子器件與技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)是電子科學(xué)與技術(shù)、集成電路專(zhuān)業(yè)、電子信息等專(zhuān)業(yè)的重要課程之一，微電子器件與技術(shù)課程設(shè)計(jì)的開(kāi)設(shè)是課程系統(tǒng)性的要求，是理論與實(shí)踐并重，綜合性比較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課。在國(guó)外技術(shù)性貿(mào)易壁壘的影響下，中國(guó)的先進(jìn)半導(dǎo)體相關(guān)高新科技企業(yè)與領(lǐng)域正面臨著“卡脖子”的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何縮小與海外領(lǐng)先技術(shù)的差距，解決技術(shù)難題，改變現(xiàn)狀，微電子技術(shù)的發(fā)展必須緊跟時(shí)代，提高競(jìng)爭(zhēng)力，微電子實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)也必須與時(shí)俱進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高質(zhì)量的人才。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)靈活運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)媒介，選擇適宜的課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教材，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的真正結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，并為其步入社會(huì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 本課程設(shè)計(jì)的不足之處

2.1 理念上未引起足夠重視

受以前精英教育的影響再加上原有的實(shí)驗(yàn)室條件有限，很多老師和學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)仍然不是太重視，思想上往往有“重理論輕實(shí)踐”的傾向。因此，需要推進(jìn)實(shí)踐課的教學(xué)方式改革，將理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)有機(jī)有效地整合起來(lái)，切實(shí)加強(qiáng)實(shí)踐課教學(xué)的重要性。

2.2 學(xué)生的積極主動(dòng)性不夠

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，講臺(tái)上教師專(zhuān)注于灌輸，一味地演示，而不注重學(xué)生到底有沒(méi)有理解掌握，臺(tái)下學(xué)生則依葫蘆畫(huà)瓢地模仿，操作之后對(duì)自己的知識(shí)點(diǎn)還是模糊不清不能學(xué)以致用。這樣的教學(xué)方式既不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造能力，也導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程缺乏興趣，浪費(fèi)了時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)踐課程未達(dá)到教學(xué)的完美效果。實(shí)踐教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)，不能以教師的“填鴨式”演示來(lái)貫穿始末，原有的教學(xué)過(guò)程流于嚴(yán)肅刻板，學(xué)生的創(chuàng)造力和思考力受到限制。

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容跟不上微電子技術(shù)飛速發(fā)展的速度

微電子科技與產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)的硅基BJT和FET等有源器件已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高頻的集成電路需求[2]。新的材料與結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件不斷被制造出來(lái)，微電子方面的內(nèi)容不斷被豐富擴(kuò)充。近日，IBM公司宣布了芯片領(lǐng)域的最新突破，已成功制造出2納米制程的芯片，這意味著一個(gè)“指甲蓋大小的芯片”可以容納500億個(gè)晶體管，實(shí)現(xiàn)了目前最領(lǐng)先的芯片制造工藝密度[3]。這些科技前沿進(jìn)展在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相關(guān)課程中往往還未編入，使得課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)際存在差異。國(guó)內(nèi)外微電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展，促使學(xué)習(xí)的課程也要緊跟時(shí)代步伐，及時(shí)更新微電子課程設(shè)計(jì)教程。

2.4 缺少平時(shí)表現(xiàn)的考核

以往的課程設(shè)計(jì)，往往簡(jiǎn)單地用出勤率、設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)打分。因?yàn)閰⒓诱n程設(shè)計(jì)的學(xué)生多，往往一位老師至少要帶一個(gè)班，接觸時(shí)間短，有的學(xué)生名字都叫不出來(lái)，課程設(shè)計(jì)就結(jié)束了，對(duì)于其實(shí)際表現(xiàn)和能力僅憑出勤及最后的報(bào)告來(lái)評(píng)判，缺乏良好的標(biāo)準(zhǔn)，不能很好地反映其實(shí)際能力。

3 課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革措施

針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)行業(yè)需求、學(xué)生情況以及課程特點(diǎn)，筆者對(duì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)進(jìn)行了改革和優(yōu)化。

3.1 以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，建立教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生重視和喜歡課程設(shè)計(jì)的教學(xué)

建立一個(gè)共同學(xué)習(xí)的線(xiàn)上線(xiàn)下良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，目的是在輕松活躍的氣氛下，增加大家互相交流和促進(jìn)學(xué)習(xí)的環(huán)境，增加師生聯(lián)系，提高學(xué)生參與度。網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放的教學(xué)平臺(tái)，以線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)，對(duì)于學(xué)生們理解上不夠透徹的知識(shí)點(diǎn)，老師可以錄制一些相關(guān)教學(xué)視頻，還可以將抽象深?yuàn)W難理解的知識(shí)點(diǎn)制作成動(dòng)畫(huà)，形象直觀地展現(xiàn)比口頭講述要更易于理解，在平臺(tái)上上傳以供學(xué)生反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，進(jìn)一步強(qiáng)化指導(dǎo)。另外，結(jié)合社會(huì)發(fā)展和需求，平臺(tái)上也會(huì)經(jīng)常發(fā)布一些對(duì)于課程設(shè)計(jì)相關(guān)的典型案例和用途廣泛的高新技術(shù)，開(kāi)闊學(xué)生的眼界，加深了他們對(duì)微電子知識(shí)的進(jìn)一步理解，激發(fā)了他們的創(chuàng)新樂(lè)趣。同時(shí)，也可以發(fā)布題目讓學(xué)生在線(xiàn)進(jìn)行小測(cè)驗(yàn)。設(shè)立發(fā)言區(qū)，平時(shí)建議大家積極互動(dòng)，熱烈討論。學(xué)生遇到問(wèn)題也可以隨時(shí)在線(xiàn)咨詢(xún)，根據(jù)發(fā)言的踴躍程度和小測(cè)驗(yàn)的正確度都可以在線(xiàn)計(jì)算分?jǐn)?shù)。因?yàn)橛辛艘粋€(gè)良好的學(xué)習(xí)氛圍，上進(jìn)的學(xué)生可以帶動(dòng)一般學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，落后學(xué)生也可迎頭趕上，形成較好的互動(dòng)循環(huán)。學(xué)生可以課前預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容；課中系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真和實(shí)際操作，充分利用課堂時(shí)間，提高課程設(shè)計(jì)的效率；課后又能借助教學(xué)平臺(tái)拓寬思路，主動(dòng)去探求新知識(shí)。通過(guò)互相交流學(xué)習(xí)心得，學(xué)生們你追我趕，進(jìn)一步培優(yōu)補(bǔ)差，大大提高了學(xué)生的參與性，克服了疏懶情緒，創(chuàng)造能力得以提升。教師也因?yàn)槎荚谝粋€(gè)平臺(tái)上，根據(jù)回答問(wèn)題的正確率和積極性的高低，給予學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)的適當(dāng)評(píng)分，有助于考核。

3.2 探求校企合作，提高教學(xué)實(shí)用性

學(xué)生們?nèi)鄙賹?shí)習(xí)和生產(chǎn)工作經(jīng)驗(yàn)，“填鴨式”教學(xué)僅通過(guò)紙上的圖片和文字來(lái)理解知識(shí)點(diǎn)，缺少?gòu)纳a(chǎn)實(shí)踐實(shí)際角度出發(fā)來(lái)思考問(wèn)題的條件，有很大的局限性[4]。紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。微電子技術(shù)飛速發(fā)展，需要大量適應(yīng)能力強(qiáng)、創(chuàng)造力強(qiáng)的人才。如果學(xué)生知識(shí)只停留在理論上，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)一問(wèn)三不知，勢(shì)必不能滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)人才需求。而到企業(yè)實(shí)習(xí)是非常重要的環(huán)節(jié)。該課程安排在三年級(jí)上學(xué)期，學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)已經(jīng)有了基本的認(rèn)識(shí)，利用課程中的兩節(jié)課時(shí)間，進(jìn)行高新企業(yè)的實(shí)地參觀和學(xué)習(xí)，使學(xué)生直觀感受到國(guó)內(nèi)外發(fā)展的大致情況，了解企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備和工藝器件水平。他們進(jìn)入研發(fā)車(chē)間、生產(chǎn)車(chē)間等，感受到產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程以及嚴(yán)格的生產(chǎn)管理等，開(kāi)闊了眼界。參觀過(guò)程中，學(xué)生們積極向企業(yè)的技術(shù)人員請(qǐng)教，學(xué)到課堂上學(xué)不到的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。企業(yè)因?yàn)橹苯用鎸?duì)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，在知識(shí)創(chuàng)新和實(shí)用性上比學(xué)校更有優(yōu)勢(shì)。學(xué)生通過(guò)參觀學(xué)習(xí)，獲得企業(yè)技術(shù)人員們的共同指導(dǎo)，將理論知識(shí)和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái)，課堂內(nèi)容在實(shí)踐中則得到進(jìn)一步理解，獲得知識(shí)質(zhì)的飛越。

3.3 更新課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)

增加一些微電子技術(shù)相關(guān)新進(jìn)展的內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生們課前課后在網(wǎng)絡(luò)上包括知網(wǎng)等期刊尋找更多相關(guān)信息，鼓勵(lì)他們討論進(jìn)行分析和PPT總結(jié)等，大大增加了同學(xué)們的視野，也更加了解我國(guó)的現(xiàn)狀。這些措施都激發(fā)了學(xué)生的課程興趣和研究熱情，并將一些有難度的切合技術(shù)現(xiàn)狀的課題穿插在課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐，提升了他們主動(dòng)獲取知識(shí)的能力。引導(dǎo)學(xué)生嘗試著探索不同器件結(jié)構(gòu)的性能和熟悉不同半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中測(cè)試不同微電子器件的電學(xué)特性。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生不再滿(mǎn)足只是吃透課本理論知識(shí)，更重要的是將所學(xué)理論知識(shí)在模擬仿真和實(shí)踐中得到升華，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)鉆研新技術(shù)、新方法的能力，緊跟時(shí)代的需要，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)。

3.4 利用Silvaco仿真軟件，高效化培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力

充分發(fā)揮其在微電子教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加可操作性和實(shí)體感，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及解決實(shí)踐問(wèn)題的能力得到高效化培養(yǎng)。Silvaco仿真軟件是世界領(lǐng)先的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件，可用于模擬/混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)。用于TCAD工藝和器件仿真，Spice參數(shù)提取，電路仿真、定制IC設(shè)計(jì)/驗(yàn)證等?？赏暾啬M半導(dǎo)體工藝、器件和自動(dòng)化設(shè)計(jì)等。課程設(shè)計(jì)通過(guò)訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)過(guò)的半導(dǎo)體器件原理的基本知識(shí)，掌握使用Silvaco工具進(jìn)行微電子器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件性能仿真及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力以及分析、解決問(wèn)題的實(shí)踐能力。通過(guò)該課程設(shè)計(jì)使學(xué)生更好地鞏固加深對(duì)半導(dǎo)體物理及器件基礎(chǔ)知識(shí)的理解，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生在理論指導(dǎo)下有所創(chuàng)新，為今后專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。在微電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方面，充分利用Silvaco仿真軟件的作用，建設(shè)了虛擬半導(dǎo)體制造的仿真環(huán)境并提高了實(shí)踐課的可操作性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師對(duì)實(shí)踐內(nèi)容精心選擇，合理化地運(yùn)用軟件進(jìn)行教學(xué)輔助。教會(huì)學(xué)生運(yùn)用Silvaco工具設(shè)計(jì)典型半導(dǎo)體光電子器件的方法，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程，增加學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高學(xué)生器件性能分析及處理數(shù)據(jù)能力。教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該軟件操作過(guò)程清晰，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)計(jì)算模擬出結(jié)果，將思維進(jìn)行可視化處理，增加了形象性和直觀感，讓學(xué)生感受到類(lèi)似工作的趣味性和成就感。該軟件大大方便了他們進(jìn)一步對(duì)理論知識(shí)的理解和感悟，通過(guò)仿真直觀性，提高了教學(xué)活動(dòng)的綜合效果。

3.5 綜合平時(shí)表現(xiàn)和課程設(shè)計(jì)，科學(xué)合理地進(jìn)行考核

加強(qiáng)了平時(shí)考核，占50%，其中包括：線(xiàn)上線(xiàn)下表現(xiàn)、提問(wèn)答疑等參與情況，以及答辯考核和課堂表現(xiàn)。其中，設(shè)計(jì)過(guò)程中表現(xiàn)出的學(xué)習(xí)態(tài)度、工作作風(fēng)及科學(xué)精神（占分10%）；是否能較好地掌握Silvaco軟件仿真工具，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能討論過(guò)程中具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力等（占20%）；答辯情況（預(yù)答辯主要考核學(xué)生課程設(shè)計(jì)的總體框架、課題概述，軟件流程和芯片選型等，對(duì)老師和同學(xué)們的提問(wèn)情況）（占分20%）[5]。

最后提交的設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容、質(zhì)量及創(chuàng)新性等，占分50%。其中，設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容量（占總分40%）；設(shè)計(jì)微電子器件的正確性、合理性與創(chuàng)造性（占總分10%）。綜合以上線(xiàn)上線(xiàn)下各階段學(xué)生們的學(xué)習(xí)情況給出最終評(píng)價(jià)，更好地反映了學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)和技能過(guò)程中表現(xiàn)出的態(tài)度、方法和能力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)微電子器件與技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的原有不足之處進(jìn)行一系列教學(xué)改革，開(kāi)展多元化教學(xué)，更新課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)行校企合作、利用仿真軟件用于設(shè)計(jì)及科學(xué)考核成績(jī)等，使學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣和熱愛(ài)，參與主動(dòng)性明顯增強(qiáng)，開(kāi)闊了思路，加深了對(duì)微電子器件與技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神和綜合科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力及工程應(yīng)用能力，對(duì)學(xué)生將來(lái)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了良好的影響，也對(duì)教師以后的實(shí)踐課程教學(xué)具有借鑒意義。