《微納米制造技術(shù)及理論》課程的精品化教學探索

蔣永剛 張德遠 蔡軍 陳華偉

摘要：本文從《微納米制造技術(shù)及理論課程》的內(nèi)容精品化、虛擬科研實驗教學方法和實驗教學的開展三個方面做了一些探討，并認為通過實現(xiàn)重點突出、邏輯性強的教學內(nèi)容，采用多元化的教學和考核方式，加強實驗教學環(huán)節(jié)的建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)該課程的精品化教學。

關(guān)鍵詞：微納制造;教學方法;虛擬科研;虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0090-02

一、微納米制造技術(shù)課程的背景及特點

微納米科學與技術(shù)已成為一種戰(zhàn)略性的、占主導地位的技術(shù)，被中國機械工程協(xié)會列為影響我國制造業(yè)發(fā)展的八大問題之一。微納米制造技術(shù)通過在微納米尺度范圍內(nèi)對物質(zhì)的集成與控制，創(chuàng)造并使用新的材料和裝置，以實現(xiàn)不同功能的機電或機光電一體化智能系統(tǒng)，涉及電子、機械、光學、物理、化學、材料、制造、生物、信息等多種學科，是制造技術(shù)的融合交叉新領(lǐng)域。教育部已經(jīng)將微機電工程列為機械工程一級學科的五個二級學科之一，相當多的高校陸續(xù)開設(shè)了相關(guān)課程?！段⒓{米制造技術(shù)及理論》作為微機電工程研究的入門課，提高其課堂教學的質(zhì)量，逐步開展實驗教學是非常有必要的。我們在精品化教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在教學實踐中探索了微納米制造技術(shù)及理論課程的虛擬實驗與模擬科研教學法，并取得了較好的課堂效果。

二、精品化課程內(nèi)容

《微納米制造技術(shù)及理論》作為一門導論類課程，內(nèi)容涵蓋了微機械加工、半導體加工、納米制造和生物制造等種類繁多的微納米加工方法，且各制造方法的相關(guān)性不強，給教學帶來了極大的挑戰(zhàn)。結(jié)合本校特點，我們編排的課程內(nèi)容從分子操作到納米加工、從生物制造到仿生制造、從微細機械加工到微細特種加工、從集成電路工藝（IC工藝）到MEMS（微電子機械系統(tǒng)）構(gòu)成了結(jié)構(gòu)對稱的多學科制造技術(shù)。在體系編排上從納尺度制造到微尺度制造、從低維低復雜度制造到高維高復雜度制造、從探索前沿到實用產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了循序漸進的知識體系?？傮w內(nèi)容涵蓋了機械、材料、電子等工程學科知識及物理、化學、生物等基礎(chǔ)學科的理論，培養(yǎng)了學科交叉創(chuàng)新的意識。

教學內(nèi)容組織首先強調(diào)“由理及表”，即從原理到應(yīng)用、從理論到實際，同時強調(diào)內(nèi)容來源的“鮮活性”，即緊密跟蹤國際前沿最新科學研究成果，緊跟國家戰(zhàn)略需求，最終使學生達到微納米制造技術(shù)基礎(chǔ)理論學習和工程應(yīng)用等綜合能力的培養(yǎng)。

三、探索虛擬科研情景教學法

（一）虛擬科研情景教學

技術(shù)發(fā)展有不以人的意志為轉(zhuǎn)移的內(nèi)在驅(qū)動力，在講解某項微納制造技術(shù)時，可以通過講解該技術(shù)發(fā)明前的客觀需求、相關(guān)技術(shù)和理論發(fā)展水平來引領(lǐng)學生的思維，使學生站在研究者的角度去思考如何創(chuàng)造一種“新”的微納加工方法來解決面臨的“歷史”問題，從而引出具有內(nèi)在邏輯必然性的該項微細加工技術(shù)。例如在講解深硅等離子刻蝕技術(shù)時，我們首先講解加速度傳感器的歷史現(xiàn)狀，為提高其靈敏度，亟需高深寬比微納結(jié)構(gòu)的加工方法，而當時的硅化學刻蝕方法，無法實現(xiàn)高深寬比的微納加工;等離子加工技術(shù)和理論已在集成電路加工中獲得應(yīng)用，如何開展基于等離子刻蝕技術(shù)的高深寬比硅加工成為當時的熱門研究課題。學生從科學探索的角度和教師一起從化學原理的角度分析基于“SF6+O2”的加工方法，逐漸引出在通用的BOSCH深硅加工工藝。這種基于虛擬科研情景再現(xiàn)的授課方式，不但提高了學生的注意力，還使學生從一個研究者的角度去思考問題，輕松掌握了該微納米制造技術(shù)的用途、原理和特點。

（二）多媒體輔助虛擬實驗教學

微納米制造技術(shù)及理論課程知識涵蓋面廣、信息量大，而教學時間僅有32個學時，如何提高課堂效率成為一個重要問題。除了突出重點，在微納尺度效應(yīng)、微機械切削原理、體微硅制造、表面微加工等方面深入講解外，在裝備原理、工藝過程等方面通過多媒體等手段增加形象認識是非常有必要的。例如，光刻過程包含清洗、烘干、涂膠、前烘、對準、曝光、后烘、顯影、顯影檢查、顯影硬烘等多步工藝，我們在研究生課的講解中采用了傳統(tǒng)的講授方法，由于多數(shù)學生對相關(guān)工藝過程不了解，既不容易抓住重點，也不容易提起興趣。而在留學生課的教學中，在給學生講授了光刻的基本原理的基礎(chǔ)上，我們采用了播放光刻過程實景錄像，穿插關(guān)鍵點講解的教學方式，這樣既提高了課堂效率，又吸引了學生的興趣，加深了理解的形象化程度。

（三）虛擬科研的考核方式

在《微納米制造技術(shù)及理論》的課程考核中，過去我們多依賴閉卷考試的方式，閉卷考試能考察學生對基礎(chǔ)理論的掌握，督促學生在課后進行重點內(nèi)容的復習和掌握。而在本輪的改革嘗試中，我們增加了要求學生寫一個課程總結(jié)的考核方式。這份課程總結(jié)不是對本課程主要內(nèi)容的綜述，而是針對某一項微納米制造技術(shù)的現(xiàn)狀綜述，并給出一個利用該種加工工藝制作某種新型微結(jié)構(gòu)或微器件的創(chuàng)新性提案。雖然多數(shù)學生的提案可行性不大，但至少達到了使學生站在一個科研工作者的角度去了解并利用微納米制造技術(shù)的教學目的。

（四）微納米制造課的實驗教學

通過虛擬科研實驗的教學方式，雖然能在一定程度上增加學生的直觀認識，但給人最深刻的認識一般還是從實踐中獲得的。《微納米制造技術(shù)及理論》作為一門實踐性很強的課，實驗教學是一項重要的教學環(huán)節(jié)。但本校尚未設(shè)立微機電系統(tǒng)工程專業(yè)，也沒有相關(guān)教學實驗中心，因此開展實驗教學難度很大。為此，本教學團隊克服困難，采取特定時間開放科研環(huán)境，與教學并用的方案，安排了三堂精彩的實驗課教學。首先為使學生對微納米制造以直觀的認識，我們在實驗室展示了基于仿生制造技術(shù)的功能表面、基于生物制造技術(shù)的功能顆粒、基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的微傳感器等成果，并給學生展示了相關(guān)的實驗環(huán)境、加工設(shè)備及原理。為進一步加深學生的認識，我們分組進行了光刻工藝試驗和濺射工藝試驗，使學生體驗并認識到加工過程中的難點和技巧，給學生留下了深刻的印象，加深了對課堂知識的認識。此外，通過與半導體加工條件較好的科研單位合作，以創(chuàng)造更優(yōu)良的教學參觀環(huán)境，相信能使學生獲得更深刻的認識，促進微納米制造工程實踐能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語

微納米制造技術(shù)發(fā)展迅速，制造學科高年級本科生或研究生具有掌握微納米制造的基礎(chǔ)知識，了解其最新的發(fā)展動態(tài)及技術(shù)現(xiàn)狀的強烈需求。要在有限的課堂時間內(nèi)把豐富的微納制造相關(guān)內(nèi)容講授給知識背景和研究方向各不相同的學生具有極大的挑戰(zhàn)性。我們從精品化教學內(nèi)容以增強內(nèi)容間的邏輯性、開展虛擬科研實驗教學實現(xiàn)教學與科研的融合、改善實驗條件加深學生感性認識等三個方面做了初步探索，并取得了一定成效，力爭為微納米制造領(lǐng)域的教學改革和學生培養(yǎng)做出貢獻。

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