新時代計算機類專業電子工程能力的培養探索

吳屏 高菲 姜倩倩

摘要：隨著我國核心產業技術的自主化進程，十四五規劃中明確提出了科技前沿領域的攻關，“人工智能”“集成電路”，包括不限于集成電路設計工具、聚焦高端芯片，加強通用處理器、云計算系統和軟件核心技術一體化研發。這些規劃和遠景目標都要求新時代計算機類專業的學生擁有更多的電子類知識結構和一定的硬件動手能力，能夠系統地分析解決工程問題，本文探索了如何在現有的課程架構中，改革工程訓練（電子工藝實習）的課程內容和教學方式，以工程項目為引導，以電子產品設計制造的流程為主線，建設了緊接電子前沿技術行業、主流技術、多學科交叉的模塊化的課程群。實踐表明，課程的教學改革有助于計算機類專業電子工程能力的培養，對后續課程設計、競賽、科技創新、科研深造等都有很好的促進作用。

關鍵詞：電子工程;計算機人才培養;電子實訓

多年來，隨著計算機技術和產業的階躍式的進步和發展，高校計算機類專業的培養方案和主干課程越來越向著軟件類擴展，電子硬件課程類大量被刪減，導致培養出來的學生缺少必要硬件的知識和能力，缺乏對系統的理解，對他們后期的深造和發展是十分不利的。隨著我國核心產業技術的自主化進程，十四五規劃中明確提出了科技前沿領域的攻關，“人工智能”“集成電路”[1]，包括了集成電路設計工具、集成電路先進工藝，聚焦高端芯片、操作系統、傳感器等關鍵領域，加強通用處理器、云計算系統和軟件核心技術一體化研發。這些規劃和遠景目標都要求新時代的計算機類專業的學生擁有更多的電子類的知識結構和一定的硬件動手能力，能夠系統地分析問題，解決產業中學科交叉的工程問題[2]。

高校的專業培養方案的更改相比于市場人才的需求更新是緩慢的，那如何在現有的體制下，培養學生這種能力？我們研究探索了面向計算機類學生的工程訓練（電子工藝實習）課程改革[3]，改變了傳統的簡單基礎技能的動手實訓，深度整合利用各專業的實驗資源，讓學生獲得從芯片級到板級到整機級別的電子產品制成工藝的基本知識，建立電子產品設計、生產、加工、檢測的制造體系概念，擴展學生的知識面，培養學生的系統觀、工程知識和工業素養。

一、電子工藝實習

（一）課程內容體系

我校計算機類的工程訓練（電子工藝實習），面向本科二年級學生，培養電子工程行業素質和綜合實踐能力。結合電子行業領域的背景，以及計算機類專業的課程體系，以電子工程項目方案為依托[4]，以電子產品設計制造的流程為主線，設計與制造并重，軟件和工藝并存，建設了緊接電子前沿技術行業、主流技術、多學科交叉的模塊化的課程群。

從電子產品開發制造流程來看，電子工藝實習的核心類課程體系分為如下幾個教學模塊：導論、半導體技術與應用、電子封裝設計、電子元器件識別與檢測、電子小制作、印刷電路板設計與制造、SMT生產工藝。學生由導論和半導體技術應用理論課領入門，隨后開展電子硬件設計與制造實訓課程。在電子封裝設計中了解電子元器件微電子設計與制造工藝，學會測試元器件的特性和參數分析，學會挑選元器件進行電路原理圖設計、PCB設計，了解PCB制造工藝，學會手工焊接與電路功能調試，同時了解自動化表面貼裝焊接工藝（SMT工藝）與檢測分析。

（二）教學模塊建設

在上述的教學模塊中，“電子小制作”是核心的綜合類教學模塊，以一個簡單的“音響”產品為例，如圖1為其關聯其他的教學模塊知識結構圖。課程以一個簡單的電子產品為方案依托，將電子工程中的設計知識、制造工藝流程知識等一系列的工程知識融入實物實操中，帶領學生由淺入深地進入電子工程的世界，從微小到宏觀，從設計圖到實物，從人工到生產線，在這個過程中，引導學生結合自身計算機的專業背景去思考，在宏大的電子領域內，未來的發展中，“我的定位是什么”“我想做什么”“我能做什么”“我需要怎樣做”。這樣的教學方式，使得這門傳統的工科實訓課程豐富了思政教學、情操培養的內涵。

按照從微小到宏觀，產品的制成順序，我們的各教學模塊知識點設計如下：

1.電子封裝設計

電子封裝是指在半導體圓片裂片以后，將一個或多個集成電路芯片用適宜的封裝形式封裝起來，并使芯片的焊區與封裝的外引腳用引線鍵合（WB）、載帶自動鍵合（TAB）和倒裝芯片鍵合（FCB）連接起來，使之成為有實用功能的電子元器件或組件，也稱芯片級封裝。

在電子封裝設計教學模塊中，通過電子封裝行業背景和關鍵技術流程，以封裝SMDLED為核心實操內容，通過具體工藝流程，讓學生了解固晶、焊接、封膠過程中的關鍵工藝、材料和設備。便于計算機專業學生結合同學期其他相關課程“數字邏輯”“計算機組成原理”，加強對底層的數字芯片的制成工藝的理解，使得軟件設計有了形象堅實的基石。

2.元器件識別與檢測

通過學習常見的電子元器件的分類，特性，學會使用萬用表、LCR測試儀、半導體圖示儀等設備測量電子元器件的各種參數，理解同類型不同材料特性的元器件的參數差異，以及學習元器件選用的基本原則。

3.硬件電路設計——原理圖和印刷電路板設計

硬件電路的設計，要求從需求功能分析到電子電路仿真，到電子元器件的計算選型，接著原理圖設計和印刷電路板的設計，其中包含了元器件選型、電子電路的設計仿真、原理圖繪制、印刷電路板繪制，對模擬電子技術知識的要求較高，而對于計算機類專業的同學來說，模擬電路設計并不是核心知識，所以，我們課程的教學模塊僅要求同學們讀懂元器件的數據手冊，能讀懂原理圖，掌握原理圖的畫法規范，能夠由原理圖繪制印刷電路板圖，理解印刷電路板圖的工藝要點，并且體會工程設計軟件對于硬件設計的幫助，同時了解機械加工、化學材料知識等在電子工藝中的應用，拓展知識面[5]。

4.印刷電路板制造

印制電路板是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。它將電路原理圖的元器件以及他們的電氣連接關系在三維空間中以多層的形式構建了出來。