電子科學與技術專業實驗、實踐教學改革研究

張賀 孫顯龍 于慧

[摘 要] 在新冠肺炎疫情和核心技術遭到封鎖的雙重困局下，我國集成電路產業正加速進入重大調整變革期。近年來國內大學已把培養集成電路行業相關人才列為重要發展目標。因此，探討如何借新工科建設的東風，圍繞電子科學與技術專業特色，在現有學科實驗教學平臺的基礎上，引入虛擬現實技術等新技術，以及分級、分層次的實踐教學新體系，對傳統實驗、實踐教學體系進行改革，以實現提升學生動手能力、培養學生創新精神的目的，進而滿足集成電路行業對各類層次人才的需求。

[關鍵詞] 集成電路;驗證性實驗教學;探索性實踐教學

[基金項目] 2020年度遼寧省教育廳基礎研究基金“以微懸臂為核心的‘微-宏’一體化生化檢測芯片設計與實現”（LJGD2020014）

[作者簡介] 張 賀（1981—），男，遼寧沈陽人，博士，沈陽工業大學信息科學與工程學院副教授，博士生導師，主要從事微機電系統研究。

[中圖分類號] TN710-4;G642 ? ?[文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0137-04 ? [收稿日期] 2021-04-22

一、引言

以電子科學與技術學科為基礎的集成電路設計、制造、封裝、測試及應用是目前全球信息技術產業的核心，也是今后相當長一段時間內支撐經濟社會發展、促進產業結構轉型、保障國家戰略安全、提高國際競爭力的重點領域[1，2]。我國的集成電路產業自20世紀60年代誕生以來，歷經“軍工配套”“進口二手”“突破攻關”等發展階段后，已經走上了快速發展道路。進入21世紀以來，隨著“中國制造2025”“互聯網+”“國家集成電路產業推進綱要”等一系列重大戰略措施的出臺，我國集成電路產業快速發展，涌現出一批具備一定國際競爭力的優秀企業。以華為海思為代表的電路設計公司整體實力顯著提升，已具備一定國際競爭力;以中芯國際、上海華宏為代表的芯片制造企業，已成功實現14nm芯片量產;以中微半導體、沈陽芯源等為代表設備制造公司，部分核心產品已被國內外生產線大規模采用;以南通華達、天水華天等為代表的封裝測試企業，技術也正在逐步接近國際先進水平。然而，我國的集成電路產業仍然存在自主知識產權技術缺失、產業鏈各環節不能協同發展、科研院所創新能力薄弱、高校人才培養與市場需求脫節等突出問題[3，4]。上述問題導致我國集成電路產業的整體發展水平與先進國家（地區）相比依然存在較大差距，高端芯片、傳感器仍然大量依賴進口或國外代工廠生產，經常面臨限購、斷供甚至禁運的威脅，難以保障經濟社會的有序發展，也無法形成對信息安全的有力支撐。

作為全球最大的芯片進口國，受到新冠肺炎疫情和以美國為首的發達國家技術封鎖的影響，我國集成電路產業正加速進入重大調整變革期。一方面，我國擁有全球規模最大的集成電路市場，在5G移動智能終端、人工智能、云計算、物聯網、大數據等新業態引領下，芯片需求量呈爆發式增長;另一方面，2019年我國芯片的自給率僅為30%，而中國企業在全球供應鏈的占比僅為5%，且以技術含量較低的分立器件為主[5，6]。突出的供需矛盾使我國集成電路產業發展既面臨巨大的挑戰，也迎來難得的機遇，如何充分發揮市場優勢，營造良好發展環境，激發企業活力并帶動產業鏈協同發展，努力實現集成電路產業跨越式發展是“十四五”規劃及今后更長一段時間內需要持續關注的問題[7，8]。

二、課程現狀分析

產業和技術的發展需要以人為本，近年來國內大學已把培養集成電路行業相關人才列為重要發展目標，從課程設置到實驗內容都進行了不同程度的改革，努力填補行業人才缺口[9，10 ]。盡管如此，很多高校的教學內容依然落后于“摩爾定律”推動下的技術進步，導致教學效果與集成電路行業對高層次領軍、骨干專業和熟練技術等各類人才需求仍存在較大差距。可見，健全電子科學與技術專業人才培養體系，針對國內集成電路產業現狀及高速、可持續發展趨勢，培養出能滿足需求的新一代創新型集成電路人才，是擺在高等教育工作者面前的一份全新試卷。

電子科學與技術專業是典型的工科專業，不僅需要各層次畢業生具備扎實的理論基礎、深厚的專業修養、開闊的思維方式，同時還要求靈活的知識應用能力、熟練的實際操作能力和出色團隊協作能力。上述能力僅憑課堂教學無法獲得，必須借助由基礎實驗、專業實驗、課程設計、生產實習和畢業設計構成的完善實踐教學體系，讓學生加深對專業基礎課和專業必修課的理解、提高動手能力的同時，學會融會貫通和創新應用。

沈陽工業大學電子科學與技術系成立已有數十年歷史，專業實驗室規模及設備經過多年積累已初具規模，其中主要設備包括：磁控濺射設備、CVD化學氣相淀積系統、光刻機、擴散爐、氧化爐、超聲壓焊機、燒結爐等，上述實驗設備不僅能夠為本科教學工作提供有力保障，也為研究生畢業設計和各類創新、創業項目提供了有力的支持。不過在“摩爾定律”的驅動下，為不斷提高半導體芯片的集成度和良品率，追求最大化的經濟效益，各類生產、實驗及測試設備的發展也日新月異，各類微電子設備不僅價格高昂，使用和維護費用也不菲。可見，在我國高校辦學經費主要以政府投入的背景下，建立能夠緊隨行業技術進步的實驗室，并開展大規模實踐教學活動顯然是不現實的。因此，必須結合本專業實驗室教學資源的具體情況，依托學院、學校的教學資源共享平臺，借助虛擬現實技術等先進手段，建立分層次的實驗、實踐教學體系，探索一條適合本專業現狀的“新工科”人才培養之路。

三、實驗、實踐教學改革探索

為適應新形勢下集成電路專業人才培養要求和解決當前實踐教學過程中存在問題，可以把實踐教學分為驗證性實驗和探索性實踐兩大類。驗證性實驗與課堂教授的理論知識緊密聯系，其的目的是幫助學生加深對半導體器件原理的理解，掌握器件典型技術指標的測試方法，熟悉PN節、MOS管等基礎器件的生產工藝，為繼續深造學習或后續工作應用打下良好的基礎。探索性實踐則是依托學院現有的省級實驗平臺、專任教師科研項目或各級各類競賽，將微電子器件的設計、優化、驗證、制造和測試等環節互相銜接，豐富和拓展學生的自主知識體系，吸引學生主動進入實驗室，激發學生的創新精神。如此設置的實踐教學分級、分層次教學體系，不僅有助于擺脫電子科學與技術專業和以其為基礎的微電子、集成電路等相關領域畢業生“進不了門、動不了手、上不了線”的尷尬局面，還能夠結合學生的職業發展規劃，分層次培養出可適應行業內不同需求的人才。

在驗證性實驗課程的設計方面，改革首先以“微電子基礎實驗”為抓手進行試點。“微電子基礎實驗”是電子科學與技術專業，集成電路方向重要的驗證性基礎實驗課程，也是學生首次接觸到的專業實踐類課程。原有“微電子基礎實驗”課程簡表如表1所示。

以上實驗與“半導體器件物理”“半導體器件原理”等學科主干課程相輔相成，但部分內容已經落后于當今技術發展，所用的實驗測試方法或測試儀器已不再是當下的通用或主流技術，與行業發展方向脫節。因此，需要針對新形勢下的人才培養需求進行升級與改革。虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是以計算機技術為基礎，結合圖形、圖像處理、仿真和電子信息等技術，利用生活中的真實場景作為基礎數據，模擬人的視覺、觸覺、嗅覺等感知體驗。采用VR技術的微電子基礎實驗項目，可以通過調用數據庫中預存的工藝、材料信息，按照自己設計的器件版圖模擬制備過程。最后通過設備擴展的虛擬儀器功能實現對最終器件的測試，實現一個完整的閉環生產流程。目前基于VR技術可完成虛擬實驗課程如表2所示。

基于VR技術的虛擬實驗能夠讓學生參與到PN節、MOS管等器件從晶圓氧化開始到性能測試的全流程，使學生在本科階段就能夠接觸到半導體器件制備的核心技術，以彌補“半導體器件原理”“微電子工藝基礎”等課程在講授過程中的理論局限性和抽象性。激發學生對集成電路生產制備技術的興趣，為從根本上改變目前我國微電子行業重視設計、忽視制備和加工的現狀，早日突破國外企業的技術封鎖盡一份綿薄之力。

在探索性實踐課程方面，本專業教師多年來一直在“大眾創業、萬眾創新”精神的指引下開展各類創新實驗、實踐項目的教學和科研工作。在教學大綱中原有課程設計、生產實習和畢業設計等環節的支撐下，緊跟現階段國家行業發展規劃，借助全國大學生集成電路創新創業大賽、天華杯全國電子設計大賽等賽事的東風，以服務東北地區老工業基地與制造業升級為目標，逐步推行探索式實踐教學模式。探索式實踐課程的核心思路包括以下幾點。

1.探索學生在學院甚至是學校內部跨專業選修實驗課程。跨專業甚至跨學院選修實驗課程能夠打破專業壁壘，幫助在學生構建更為完善的知識體系的同時，促進學生對相近或相關專業的了解，也提升了學生團隊協作能力。

2.改進實踐課程的命題及考核方式。探索類實踐課程的考核應朝著更貼近企業生產或創新應用的方向推進。逐步以開放式命題為主，鍛煉學生依靠團隊的力量分析解決復雜實際問題的能力，降低理論公式、操作規范等內容在考核結果中的比重。

3.摸索學分置換式的實踐教學新形勢。聯合校外實踐、實習基地及與本專業有人才培養協議的企業，將大四年級待畢業的學生送往相關企事業單位，進行為期3～6個月不等的校外實踐實習。實習結束后，企事業單位將按照各自的新員工入職培養考核辦法，對學生進行相關能力測試，并給予成績。該成績可與校內選修課或實踐類課程進行置換，以期在滿足培養方案要求的基礎上，最大限度地迎合行業企業實際學期，縮短畢業生的就業適應期。

四、結語

本文分析了在新冠肺炎疫情和國外技術封鎖雙重困局下，高校電子科學與技術專業面臨的挑戰與機遇，旨在以此為基礎在“以本為本”和“新工科”建設辦學理念下，探索漸進式實驗、實踐教學模式。針對國內集成電路行業對不同層次人才的需求，以提高畢業生動手能力和創新精神為目的，對傳統實驗、實踐教學環節進行分層次改革試驗。

參考文獻

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