微電子技術教學模式和實訓環節教改研究

蔡俊　周孟然　劉國巍　魏巍

摘 要 針對高等學校教學改革，在微電子技術的教學過程中，需要培養學生自主學習和知識組織能力。通過分析現階段微電子技術的教學模式和實踐環節的特點，闡述了微電子技術教學模式和實訓環節的設計思路，豐富教學內容，積極引入互動環節，提升微電子技術的課程教學和實訓效果。

關鍵詞 微電子技術;課程建設;實驗教學

中圖分類號： G434 文獻標識碼： A

前言 微電子技術是現代電子信息技術發展的重要前沿領域，取得了很好的經濟和社會效益。微電子技術的發展和應用為促進了電子產品設計及制造領域的變革。微電子技術是以半導體工藝為設計載體，通過器件電路或者硬件描述語言描述硬件電路的連接，再利用專業的開發和設計仿真軟件進行工藝仿真、電路仿真和版圖設計，最終完成半導體工藝流程、電路硬件集成。在實訓教學的過程中，容易將學生帶入到工作環境的實景，能夠提高學生主動學習的興趣，激發學生的求知欲。在微電子技術的實訓教學過程中，利用設計輔助軟件讓學生加深對專業理論知識的深度理解，通過實訓內容的合理安排，驗證所學的專業知識，掌握設計方法和實現手段，從而達到理論和實踐有機結合的教學目的，實現本專業學生素質教育培養的最終目的。

1 現階段微電子技術教學模式分析

微電子技術具有抽象、層次化、流程復雜的特點，在教學過程中，應該根據微電子技術的特點，在器件模型、硬件描述語言、配套軟硬件、實驗內容及課程內容設置等幾個方面進行課程教學的改革。

目前，微電子技術的實訓教學，主要圍繞集成電路工藝、硬件描述語言、可編程器件等環節開展。硬件描述語言具有設計靈活、電路設計效率高的特點。大規模可編程邏輯器件通過編程來實現所需的邏輯功能，與采用專用集成電路設計方法相比，具有更好的設計靈活性、設計周期短、成本低、便于實驗驗證的優勢，在實訓環節得到了廣泛的采用。現場可編程門陣列（Field Pro gram mable Gate Array，FPGA）能夠提供更高的邏輯密度、最豐富的特性和極高的性能，因此，數字集成電路的實訓內容，主要圍繞FPGA的內部結構以及資源分布做相應介紹。

微電子技術的實訓教學在本科教學中具有極強的實踐特點，尤其是作為電子科學本科教學，對學生的電子設計思維模式的構建有著重要作用。實踐教學離不開大量的實訓反饋。目前大多數高校微電子技術的授課課時數一般安排為48課時，其中實驗課占10課時，實踐課和理論課的課時數比例約為1：3.8，且課程多安排在三年級。從課時安排來看，存在重理論輕實踐的弊端，容易讓學生產生盲目應試的想法，導致學生只注重考試，而忽略了至關重要的實踐環節。另外，微電子技術課程最好作為專業基礎課程，為學習其它多門課程打下良好基礎。在微電子技術課程開展教學和實訓的時候，最好與學生的其它專業實習的時間錯開，讓學生能夠更加專心對待，避免專業知識和概念的混亂。如果將微電子技術課程課實訓安排在四年級第一學期，非常容易與畢業實習、求職環節發生沖突，導致學生對微電子技術課程和實訓內容認知不足，倉促應付課程和實訓內容，不利于對學生電子設計能力的培養，也會降低學生的就業競爭能力。

微電子技術的實訓環節對于本科生而言，會給學生產生軟件編程的想法，不能真正將電路設計的理念深化，會造成實驗內容的創新性不夠，教學成果難以達到預期。

2 微電子技術實踐環節教學

本課題對現階段微電子技術課程和實訓環節做了深入分析，總結了教學過程中存在的問題及改進需求，對未來的微電子技術實訓教學模式進行的理論和實踐探索。自動化設計軟件是的設計人員可以在計算機上完成很多復雜計算工作。微電子技術軟件通常在服務器或者多線程工作站運行，自動化程度很好，具有很強大的功能和豐富的界面。在高校中開展的微電子設計類實訓課程是一門實踐性很強的專業基礎性課程，既可以由學生獨立完成，也可以設計成分工協作的實驗項目。

為了提高學生對微電子技術的理解和設計能力的掌握，微電子實訓由32個課時組成，其中課內實驗分配了16學時、微電子設計實訓分配16學時，重點提高學生的動手能力和主動思考能力，激發學生的創新思維。

2.1 課內實驗設計

微電子技術課程的課內實驗包含基礎驗證性實驗和研究型實驗，其目的是掌握基本的硬件描述語言的編程方式及技巧，并能夠采用模擬器件設計模擬集成電路，讓學生能夠具備獨立設計集成電路的能力，熟悉集成電路設計計算機輔助設計手段，結合以往的電子電路知識，完成基本器件的設計和調用。

課內實驗設計以工藝器件仿真、電路設計仿真手段為主，利用準確的工藝和器件模型，準確模擬集成電路工藝的流程和半導體器件的電學特性。軟件仿真已經成為新工藝、新器件、新電路設計的重要支撐手段，可以在短時間內建立實驗環節、調節參數、修改電路結構，彌補實驗室硬件投入不足以及對多種實驗室耗材的依賴，有利于學生建立系統性的知識結構。另外微電子技術的課內實驗也包含綜合性實驗環節，通過調用基本功能模塊，設計一個適當規模的數模混合集成電路，提高整體電路的綜合性能指標，實現良好的信號控制和傳輸，提高學生的綜合設計能力。

例如，半導體工藝演示實驗可以快速呈現不同工藝流程和工藝環境對工藝結果的影響，能夠設定不同的偏置條件來研究器件的能帶、電場、載流子濃度分布、伏安特性等內部特征，避免惡劣繁雜的對物理過程的解析建模，具有直觀和形象的特點，加深學生對理論知識的理解和提高學習的積極性。可以針對成熟工藝，利用仿真軟件進行器件和電路設計。實際過程中，參照經典的器件結構和電路模塊單元，開展新特性、新功能的設計性實驗，鍛煉學生綜合知識的能力，面向工程實踐，對專業知識進行融會貫通。這個過程需要授課教師根據學生的已開設課程和知識結構來編寫適宜的實驗輔助教材，對實驗內容進行精巧的設計及和細致地指導。

2.2 實訓環節設計

微電子技術實訓環節旨在鍛煉學生的實踐動手能力，掌握集成電路設計開發流程，能夠根據系統的性能指標進行分層分級設計，根據硬件電路的額性能特點來構建規模化電路。在實訓環節中，強調綜合設計能力的培養，利用微電子設計的計算機輔助設計工具完成一定規模電路的設計、仿真、版圖設計、版圖檢查等環節。通過微電子技術實訓環節的練習，學生能夠培養獨立設計能力、系統分析能力、電路綜合能力等，為將來進入研發設計類型的工作崗位打下堅實的基礎。

對實訓環節的考核，采用大作業或者設計報告的形式，讓學生通過查閱參考文獻進行設計選題，發揮學生的主觀能動性。通過對參考文獻的參考和綜述，掌握課題的結構和流程設計，充分了解系統的模型，理解各模塊對系統設計的影響。實訓環節是的一次較為系統的設計方法訓練，不僅可以鞏固課堂和教材上的內容，還可以引入實際工程系統的指標要求，鍛煉學生的綜合規劃和設計能力。

3 微電子技術教學改革實施效果

通過微電子技術的教學和實訓模式的改革，在實踐中積極總結得失，發現微電子技術的教學該給能夠幫助學生提高微電子設計的專業素養，主要體現在以下方面：

1）學生對微電子技術課程內容的理解程度大幅提高，原先學生對課本的知識抱有敬畏的心理，在課程和實踐環節之后，都產生了很大程度的自信。微電子技術課程、實驗、實訓考核成績的優秀率也大大提高，表明通過微電子技術的教學和實踐改革，學生能夠比較好地掌握課程大綱所要求的內容。

2）通過細致地設計實踐環節，能夠調動學生學習專業知識的積極性，實驗項目的完成情況比較理想，報告內容的撰寫也更加細致、全面。

3）通過綜合設計實驗和實訓，讓學生勤于動腦，在多種手段和方法中，尋找最優的方案，優化設計過程。

4 結束語

微電子技術的教學和實踐環節的改革和探索，取得了較好的效果，在教學過程中，能夠較好地體現教學相長的特點。目前，該教學和實訓模式也正實踐中不斷摸索和優化。首先，學生對微電子技術平臺和開發流程的理解更為深刻，克服傳統教學設計中容易出現的理論與實驗教學脫節的現象，實踐環節的教學也不會停留在驗證性實驗階段，增進了學生對專業知識的理解及運用。其次，實踐環節增強了學生學習的主動性，改變了學生偏重理論學習，忽視動手能力培養的片面想法。實踐環節的內容豐富，從編程設計、測試、優化到實驗仿真，讓學生在實際操作中不斷提高工程開發能力和創新水平，并為后續課程的開展打下堅實的基礎。

微電子技術作為一門新興的電子設計技術，需要不斷增強學生分析問題和解決問題的綜合能力，全面提高學生的科研素質。在今后，仍然需要對微電子技術的課程和實踐環節進行不斷改進，力求適應未來技術的要求。

參考文獻

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