微電子器件與技術基礎課程設計教學改革初探

朱友華 王美玉 李 毅 鄧洪海 施 敏

0 引言

微電子器件與技術基礎課程設計是在該課理論課的基礎上開設的，在學習理論課之前，學生已經學過高等數學、物理基礎理論、固體物理、半導體物理等課程，后續會學習集成電路設計、CAD、版圖設計等集成電路相關專業課程。因此，該課程是培養學生具備大規模集成電路設計能力必不可少的基礎課[1]。而微電子器件與技術基礎這門課的理論部分因為難度比較大，涉及的內容抽象復雜，重要知識點多，教學時間緊，往往以老師講學生聽為主，爭分奪秒地進行教學。原本的課程設計依然只是趕進度，學生興趣索然地為完成學習任務而完成設計，所學理論未得到驗證，實際的能力未得到提高，學生可能收獲甚少。因此，在課程設計階段，有必要以“培養學生能力”為指導思想進行實踐教學體系改革，使成績優秀的學生可以培養更多創新能力和擁有探索未知世界的精神，基礎薄弱的同學能夠在新模式下得到更多的機會，通過自主構建知識夯實基礎。

1 本課程設計的特點分析

微電子器件與技術的實踐教學是電子科學與技術、集成電路專業、電子信息等專業的重要課程之一，微電子器件與技術課程設計的開設是課程系統性的要求，是理論與實踐并重，綜合性比較強的專業課。在國外技術性貿易壁壘的影響下，中國的先進半導體相關高新科技企業與領域正面臨著“卡脖子”的問題，國內半導體行業面臨著巨大的挑戰。如何縮小與海外領先技術的差距，解決技術難題，改變現狀，微電子技術的發展必須緊跟時代，提高競爭力，微電子實驗實踐教學也必須與時俱進，提高教學質量，培養高質量的人才。在進行課程設計的時候應靈活運用現代教學媒介，選擇適宜的課程設計指導教材，實現理論與實踐的真正結合，培養學生的自主創新能力，并為其步入社會奠定堅實的基礎。

2 本課程設計的不足之處

2.1 理念上未引起足夠重視

受以前精英教育的影響再加上原有的實驗室條件有限，很多老師和學生對實驗實踐教學仍然不是太重視，思想上往往有“重理論輕實踐”的傾向。因此，需要推進實踐課的教學方式改革，將理論知識和實踐知識有機有效地整合起來，切實加強實踐課教學的重要性。

2.2 學生的積極主動性不夠

在實踐教學過程中，講臺上教師專注于灌輸，一味地演示，而不注重學生到底有沒有理解掌握，臺下學生則依葫蘆畫瓢地模仿，操作之后對自己的知識點還是模糊不清不能學以致用。這樣的教學方式既不能充分調動學生的學習積極性和創造能力，也導致學生對課程缺乏興趣，浪費了時間，導致實踐課程未達到教學的完美效果。實踐教學應強調學生自主學習、自主設計，不能以教師的“填鴨式”演示來貫穿始末，原有的教學過程流于嚴肅刻板，學生的創造力和思考力受到限制。

2.3 設計內容跟不上微電子技術飛速發展的速度

微電子科技與產業技術發展日新月異，傳統的硅基BJT和FET等有源器件已經無法滿足高頻的集成電路需求[2]。新的材料與結構的半導體器件不斷被制造出來，微電子方面的內容不斷被豐富擴充。近日，IBM公司宣布了芯片領域的最新突破，已成功制造出2納米制程的芯片，這意味著一個“指甲蓋大小的芯片”可以容納500億個晶體管，實現了目前最領先的芯片制造工藝密度[3]。這些科技前沿進展在傳統的半導體相關課程中往往還未編入，使得課程設計的內容與應用實際存在差異。國內外微電子領域的飛速發展，促使學習的課程也要緊跟時代步伐，及時更新微電子課程設計教程。

2.4 缺少平時表現的考核

以往的課程設計，往往簡單地用出勤率、設計報告來打分。因為參加課程設計的學生多，往往一位老師至少要帶一個班，接觸時間短，有的學生名字都叫不出來，課程設計就結束了，對于其實際表現和能力僅憑出勤及最后的報告來評判，缺乏良好的標準，不能很好地反映其實際能力。

3 課程設計的教學改革措施

針對以上問題，根據行業需求、學生情況以及課程特點，筆者對課程設計的教學進行了改革和優化。

3.1 以能力培養為目標，建立教學平臺，讓學生重視和喜歡課程設計的教學

建立一個共同學習的線上線下良好的學習環境，目的是在輕松活躍的氣氛下，增加大家互相交流和促進學習的環境，增加師生聯系，提高學生參與度。網絡開放的教學平臺，以線上線下混合式教學，對于學生們理解上不夠透徹的知識點，老師可以錄制一些相關教學視頻，還可以將抽象深奧難理解的知識點制作成動畫，形象直觀地展現比口頭講述要更易于理解，在平臺上上傳以供學生反復觀看學習，進一步強化指導。另外，結合社會發展和需求，平臺上也會經常發布一些對于課程設計相關的典型案例和用途廣泛的高新技術，開闊學生的眼界，加深了他們對微電子知識的進一步理解，激發了他們的創新樂趣。同時，也可以發布題目讓學生在線進行小測驗。設立發言區，平時建議大家積極互動，熱烈討論。學生遇到問題也可以隨時在線咨詢，根據發言的踴躍程度和小測驗的正確度都可以在線計算分數。因為有了一個良好的學習氛圍，上進的學生可以帶動一般學生的學習積極性，落后學生也可迎頭趕上，形成較好的互動循環。學生可以課前預習所學內容；課中系統進行軟件仿真和實際操作，充分利用課堂時間，提高課程設計的效率；課后又能借助教學平臺拓寬思路，主動去探求新知識。通過互相交流學習心得，學生們你追我趕，進一步培優補差，大大提高了學生的參與性，克服了疏懶情緒，創造能力得以提升。教師也因為都在一個平臺上，根據回答問題的正確率和積極性的高低，給予學生平時表現的適當評分，有助于考核。

3.2 探求校企合作，提高教學實用性

學生們缺少實習和生產工作經驗，“填鴨式”教學僅通過紙上的圖片和文字來理解知識點，缺少從生產實踐實際角度出發來思考問題的條件，有很大的局限性[4]。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。微電子技術飛速發展，需要大量適應能力強、創造力強的人才。如果學生知識只停留在理論上，對實際生產一問三不知，勢必不能滿足社會對人才需求。而到企業實習是非常重要的環節。該課程安排在三年級上學期，學生對所學專業已經有了基本的認識，利用課程中的兩節課時間，進行高新企業的實地參觀和學習，使學生直觀感受到國內外發展的大致情況，了解企業的先進設備和工藝器件水平。他們進入研發車間、生產車間等，感受到產品的生產過程以及嚴格的生產管理等，開闊了眼界。參觀過程中，學生們積極向企業的技術人員請教，學到課堂上學不到的寶貴知識和經驗。企業因為直接面對市場的競爭，在知識創新和實用性上比學校更有優勢。學生通過參觀學習，獲得企業技術人員們的共同指導，將理論知識和實踐有機結合起來，課堂內容在實踐中則得到進一步理解，獲得知識質的飛越。

3.3 更新課程設計內容，與時俱進

增加一些微電子技術相關新進展的內容，鼓勵學生們課前課后在網絡上包括知網等期刊尋找更多相關信息，鼓勵他們討論進行分析和PPT總結等，大大增加了同學們的視野，也更加了解我國的現狀。這些措施都激發了學生的課程興趣和研究熱情，并將一些有難度的切合技術現狀的課題穿插在課程設計中，通過課程設計的實踐，提升了他們主動獲取知識的能力。引導學生嘗試著探索不同器件結構的性能和熟悉不同半導體材料的性質，并在設計過程中測試不同微電子器件的電學特性。通過課程設計，學生不再滿足只是吃透課本理論知識，更重要的是將所學理論知識在模擬仿真和實踐中得到升華，培養他們自主學習鉆研新技術、新方法的能力，緊跟時代的需要，提高學生的科研素養。

3.4 利用Silvaco仿真軟件，高效化培養學生工程應用能力

充分發揮其在微電子教學中的應用優勢，在設計過程中增加可操作性和實體感，使學生的學習能力以及解決實踐問題的能力得到高效化培養。Silvaco仿真軟件是世界領先的電子設計自動化（EDA）軟件，可用于模擬/混合信號集成電路設計。用于TCAD工藝和器件仿真，Spice參數提取，電路仿真、定制IC設計/驗證等。可完整地模擬半導體工藝、器件和自動化設計等。課程設計通過訓練學生運用所學過的半導體器件原理的基本知識，掌握使用Silvaco工具進行微電子器件的結構設計、器件性能仿真及數據處理的相關方法，培養學生實際動手能力以及分析、解決問題的實踐能力。通過該課程設計使學生更好地鞏固加深對半導體物理及器件基礎知識的理解，通過實踐教學引導學生在理論指導下有所創新，為今后專業課的學習和工程實踐奠定基礎。在微電子技術課程設計的教學方面，充分利用Silvaco仿真軟件的作用，建設了虛擬半導體制造的仿真環境并提高了實踐課的可操作性。在設計過程中，教師對實踐內容精心選擇，合理化地運用軟件進行教學輔助。教會學生運用Silvaco工具設計典型半導體光電子器件的方法，獨立完成設計與仿真過程，增加學生理論聯系實際的能力，提高學生器件性能分析及處理數據能力。教學過程中，發現該軟件操作過程清晰，通過仿真設計計算模擬出結果，將思維進行可視化處理，增加了形象性和直觀感，讓學生感受到類似工作的趣味性和成就感。該軟件大大方便了他們進一步對理論知識的理解和感悟，通過仿真直觀性，提高了教學活動的綜合效果。

3.5 綜合平時表現和課程設計，科學合理地進行考核

加強了平時考核，占50%，其中包括：線上線下表現、提問答疑等參與情況，以及答辯考核和課堂表現。其中，設計過程中表現出的學習態度、工作作風及科學精神（占分10%）；是否能較好地掌握Silvaco軟件仿真工具，在器件結構設計與性能討論過程中具有發現問題、分析問題以及解決問題的能力等（占20%）；答辯情況（預答辯主要考核學生課程設計的總體框架、課題概述，軟件流程和芯片選型等，對老師和同學們的提問情況）（占分20%）[5]。

最后提交的設計報告內容、質量及創新性等，占分50%。其中，設計報告的內容量（占總分40%）；設計微電子器件的正確性、合理性與創造性（占總分10%）。綜合以上線上線下各階段學生們的學習情況給出最終評價，更好地反映了學生在學習知識和技能過程中表現出的態度、方法和能力。

4 結語

通過對微電子器件與技術基礎課程設計的原有不足之處進行一系列教學改革，開展多元化教學，更新課程設計內容，進行校企合作、利用仿真軟件用于設計及科學考核成績等，使學生對實踐教學產生了濃厚的興趣和熱愛，參與主動性明顯增強，開闊了思路，加深了對微電子器件與技術基礎理論知識的理解和運用，培養了他們的創新精神和綜合科學素養，培養了學生的實際工程設計能力及工程應用能力，對學生將來的學習產生了良好的影響，也對教師以后的實踐課程教學具有借鑒意義。