淺談集成電路人才培養模式改革

鐘英輝， 楊 潔， 馬劉紅， 李夢珂， 段智勇

(鄭州大學 物理學院，河南 鄭州450001)

0 引言

集成電路作為微電子系統神經中樞，相關技術已滲透到國防安全、生產生活的方方面面。隨著我國汽車電子、5G通信、物聯網等信息化產業的迅猛發展，作為支撐的集成電路產業不管是市場規模還是市場增速都占據全球第一，然而不容忽視的現實是我國主要的集成電路產品還嚴重依賴進口。國際上在半導體集成電路設計、制造、測試等微電子技術方面都對我國實行嚴格禁運和技術封鎖。近來，中美以芯片技術為焦點的貿易戰已經嚴重損害了我國“中興”、“華為”等大型高新技術企業的核心利益，推動具有自主知識產權的半導體集成電路技術前瞻性研究和產業發展、人才培養已經成為我國發展之根本。

近十年來，國家先后多次出臺政策鼓勵集成電路產業發展，2014年國家工信部發布《國家集成電路產業發展推進綱要》，把集成電路產業發展上升為國家戰略并投資千億基金。2015年，工信部發布《中國制造2025》，集成電路產業排名重點產業榜首。2018年政府工作報告更是把微電子列入加快制造強國建設需推動的五大產業首位，將“推動微電子等產業發展”列入了實體經濟發展的第一位。眾多鼓勵政策和產業基金刺激下，集成電路產業必將成為蓬勃發展的高新技術產業，集成電路人才培養迫在眉睫。科學的教學模式將幫助學生加深對專業知識的理解，增強學生實踐動手能力，有效促進集成電路方向教學層次提高、教學質量上升、本科畢業人才素質的提升，對國家經濟建設、社會發展和國防安全提供有力支撐[1～2]。

1 集成電路人才培養面臨的問題

目前，高水平集成電路專業人才的缺乏是限制微電子行業發展的瓶頸，針對高校育人為本的辦學宗旨，為國家和社會培養優秀的專業人才迫在眉睫。然而集成電路人才培養卻面臨諸多問題：

1.1 師資力量薄弱，上游專業課程缺乏

當前，微電子行業發展呈現蓬勃之勢，各地高校集成電路專業猶如雨后春筍。然而相應專業技術人才稀缺，供不應求。多數專業人才偏向選擇待遇優厚或經濟發達地區的公司、科研院所就職，較少留任高等院校，特別是偏遠落后的中西部欠發達地區。以至于能高質量開設集成電路專業的高校甚少，很多高校集成電路專業基本名不符實，開設的上游專業課程寥寥無幾，并不能依據專業培養計劃建立系統的、全面的課程體系。學生學到的知識淺顯、碎片化，所學內容之間不能形成完善的、專業的知識框架體系，極大地限制了學生繼續從事集成電路技術研究的興趣和潛力[3]。

1.2 實驗平臺昂貴，限制實踐認知機會

集成電路專業方向對實驗平臺要求高、設備昂貴，真實研制過程投入巨大。同時，研制過程涉及強酸、強堿、多種氣體和材料，具有一定的危險性。多數高校集成電路專業課程教學多限于課堂理論教學，并沒有針對性開設相關實驗課程，畢業學生理論知識相對薄弱、動手實踐能力欠佳，具有實踐經驗和創新意識的集成電路人才培養嚴重滯后。畢業學生從事集成電路方向工作和科研的難度較大，部分學生最終不得不選擇其他專業方向的崗位和科學研究。畢業學生常反饋應當增加相關集成電路專業基礎知識培養力度，并強化動手實踐課程建設。

1.3 缺乏科研實踐，團隊協作創新意識差

集成電路產品研制過程繁瑣，需要經過設計、制造、測試、封裝和后測的流程。集成電路設計又分為原理圖設計、版圖設計、設計校對，同時還經常會進行系統或者電路設計任務拆分，任何環節出現問題都會直接影響最終集成電路的性能及成敗，對參與人員的團隊協作能力要求較高。然而，學生在學校主要進行課本理論知識學習，并沒有進行項目協作演練，更沒有建立起互幫互助的團隊協作創新意識。

2 集成電路人才培養模式改革

針對部分高校集成電路專業學生基礎知識薄弱、實驗機會欠缺、動手實踐能力欠佳、團隊協作創新意識欠缺的問題，同時結合微電子行業項目團隊工作制的特點，本文擬針對集成電路人才培養模式提出改革措施，具體內容如下：

2.1 理論和實踐相結合的一體化教學模式

圖1所示為理論和虛擬仿真實踐相結合的一體化教學流程。結合學生集成電路上游專業基礎知識薄弱的現狀，將遵循重視知識框架體系建設，適當降低對具體知識點的理解深度要求。通過引入翻轉課堂教學模式，將集成電路相關理論知識的學習轉移至課堂之外，節約有限的教學時間，理論教學主要內容包括：常用互補金屬氧化物半導體(CMOS)和雙極型晶體管(BJT)的基本工作原理、特性曲線；光刻、電子束蒸發、氣相沉積等半導體工藝步驟；特征尺寸、代工、模型、版圖等集成電路基本概念。通過理論知識精講夯實學生專業基礎，為進行集成電路設計實踐儲備理論基礎。

基于常用集成電路設計軟件進行反相器、放大器基本功能單元實踐案例講解，使學生掌握工藝庫選型、半導體有源器件工作電壓設置、集成電路原理圖設計、集成電路版圖設計等虛擬仿真流程和技巧，加深對虛擬仿真程序的理解，為后續獨立仿真實驗奠定基礎。

圖1 理論和虛擬仿真相結合的一體化教學模式

以團隊為基本單元進行集成電路功能模塊的虛擬仿真實踐，如分頻器、混頻器、濾波器、功率放大器、低噪聲放大器等。通過課堂虛擬仿真實踐讓學生了解常用的集成電路功能模塊，掌握集成電路原理圖、布線、版圖設計流程和技巧，提高學生動手實踐能力，同時減少昂貴的實驗設施投入，避免接觸強酸、強堿、有毒氣體等危險實驗環境。

2.2 團隊考核為主的考核方式改革

課程考核是教學過程的一個重要環節，是檢驗教學效果和保證教學質量的重要手段，是教學質量管理與評價的重要內容，應堅持公平、公正、求是、嚴謹的原則。為了課程考核工作進一步科學化和規范化，讓考核起到“導向性”“反饋性”作用，客觀科學地評價教學效果，促進教學質量不斷提高。同時，考慮到微電子行業大多實行項目制度，團隊協作對項目的完成至關重要。因此課程可以引入以項目為依據的團隊考核制度，學生成績由團隊成績和期末考試成績兩部分組成。

團隊成績：以團隊為基本單元，分配不同學習和設計項目任務，由團隊學生進行調研拆分項目學習任務，進行階段性學習匯報和過程考核，期末進行項目結項考核。團隊考核制以項目進展為依據，考察學生學習能力、對知識點應用能力、PPT制作能力和語言組織表達能力，更重要的是通過團隊考核提高學生互幫互助、相互監督、團結協作的能力和意識。期末考核：重點考查學生對課程的基礎知識、基本理論和基本技能的掌握，考查學生綜合分析、理解和解決問題的能力，注重考題對學生創新思維的啟發和創新能力的引導。

2.3 延伸科研實踐，實現能力拓展

集成電路專業課程教學可與科學研究緊密結合。一方面通過邀請微電子行業專家針對前沿科研問題開展專業知識講座，使學生了解行業發展動態，緊跟科研潮流。另外一方面鼓勵學生課后參加創新實踐項目，進行新結構、新材料的半導體器件和集成電路設計，將科學研究理念、方法、成果融入到學生實驗教學。學生科研實踐甚至可替代課程設計或者畢業設計。前沿科研講座和實踐活動非常有利于學生提高科研眼界、科研經驗，提高學生科學創新意識和學習研究的能力。

3 結語

為推動國家集成電路產業發展，高素質專業人才培養迫在眉睫。理論知識教學和虛擬仿真實踐相結合的教學模式將實現理論教學和實踐演練的對接，增強學生動手實踐能力的同時節約實驗成本、避免危險環境。團隊考核為主的考核機制將增強學生互助協作意識，提前適應項目團隊合作模式。科研前沿專題講座和科學創新實踐活動將極大增進課程教學向科研的延伸，實現能力拓展甚至科技創新。在信息技術高速發展的今天，人才培養也需要與時俱進、培養模式改革實踐永遠在路上。