微電子人才實踐能力中的批判性思維培養

［摘 要］ 批判性思維在教育中的應用有廣泛的意義和價值。為了應對不斷變化的市場需求和技術環境，微電子人才亟待加強批判性思維的培養。以國防科技大學開設的“微電子科學與工程專業設計”課程設計為例，從問題提出、驗證方案、優化設計等方面具體介紹了在課堂教學中如何通過教學設計，有意識地加強學生的批判性思維的培養。對批判性思維的培養面臨的一些挑戰，例如，教師自身能力不足、學生缺乏意識和能力、評估手段不足等展開介紹，并且分析了具體的對策。

［關鍵詞］ 微電子技術；批判性思維；教學設計

［基金項目］ 2022年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“面向微電子人才培養的全流程貫通式實踐模式研究”（HNJG-2022-0417）；2021年度國防科技大學教育教學研究課題重點項目“面向集成電路‘全流程’能力培養的微電子本科專業實踐環節設計”（U2021204）

［作者簡介］ 李 楠（1984—），男，湖南長沙人，博士，國防科技大學電子科學學院副教授，現任國防科技大學微電子科學與工程專業負責人，主要從事集成電路設計研究；陳長林（1986—），男，山東泰安人，博士，國防科技大學電子科學學院副研究員，主要從事智能計算芯片技術研究和集成電路設計研究；劉 森（1988—），男，河南南陽人，博士，國防科技大學電子科學學院副教授，主要從事微電子科學與工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）29-0037-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

批判性思維被普遍認為是21世紀重要的核心素養之一。批判性思維是指在思考過程中能夠對自己和他人的觀點、理由、證據及結論等進行有效的評估、分析、質疑和改進的一種思維方式。批判性思維可以幫助學生避免盲從、偏見及誤解等思維誤區，提高思考質量和效率，增強創新能力和解決問題能力［1］。2017年9月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于深化教育體制機制改革的意見》中指出，要注重培養支撐終身發展、適應時代要求的關鍵能力。培養認知能力，引導學生具備獨立思考、邏輯推理、信息加工、學會學習、語言表達和文字寫作的素養，養成終身學習的意識和能力［2］。2021年5月，習近平總書記在兩院院士大會的講話中指出，要更加重視人才自主培養，更加重視科學精神、創新能力、批判性思維的培養培育［3］。加快構建新時代人才自主培養體系，實現高等教育高質量發展和高水平科技自強自立，亟須推進批判性思維與創新能力教育。

微電子技術是指以微米或納米級別的半導體材料與工藝制造集成電路芯片的技術。隨著信息技術、通信技術及人工智能等新興領域的快速發展，微電子人才需要快速學習和適應新技術，才能緊跟市場和技術的發展變化。批判性思維可以幫助微電子人才在設計實踐中提高設計質量和效率，在學習過程中提高學習效果和水平，更快地找出問題的本質和解決方案，在領域拓展中提升視野廣度和深度，從而創新出符合市場需求和技術趨勢的產品和技術。高校是微電子人才培養的第一陣地，因此加強教學過程中批判性思維的融入十分迫切。

一、批判性思維在教育中的應用

批判性思維自古以來就是學者重視的內涵之一，孔子曰“疑是思之始，學之端”，《孟子·盡心下》中指出“盡信書，則不如無書”，《荀子·勸學》中也提到“君子博學而日參省乎己，則知明而行無過矣”。批判性思維是指在處理信息和問題時，能夠有意識地運用邏輯、推理和分析等技能，以產生準確、清晰和合理的結論。批判性思維是一種高級的認知能力，通常包括的特征有獨立思考、邏輯分析、判斷力、創新性、反思和溝通等［4］。批判性思維的目的是通過有目的、有條理、有邏輯地思考過程，發現問題的本質和解決問題的途徑。在教育領域中，批判性思維被視為一種重要的能力和技能，可以幫助學生更好地理解和應對現實世界中的復雜問題和挑戰［5-7］。批判性思維在教育中的應用主要包括以下幾個方面。

（一）課程設計

教師可以通過合理設計課程，引導學生從不同角度去看待問題，促進學生運用批判性思維來分析問題和解決問題。例如，引導學生在研究文本時，通過提出問題、推理、分析和歸納等方式，來理解文本內在的邏輯和意義［8］。

（二）教學方法

在討論和互動式教學方法中，教師鼓勵學生思考問題和提出問題，從而提高學生建立對問題本源的分析路徑；在案例分析和問題解決式教學方法中，教師也可以通過引導學生針對案例和問題提出自己的解決方案，從而幫助學生掌握批判性思維技能。

（三）評估方式

批判性思維可以被應用于改進傳統的教學評估方式。以課堂提問為例，教師可以利用開放式問題，鼓勵學生展示其批判性思維能力，從而評估學生的思維能力和表達能力。通過評估學生的批判性思維能力，教師可以更好地了解學生的學習情況和能力，從而更加有效地改進教學方法。

二、批判性思維培養的教學設計——以“微電子科學與工程專業設計”課程為例

“微電子科學與工程專業設計”是國防科技大學微電子科學與工程專業學生實踐能力培養環節中的重要課程。課程目的是通過目標清晰、過程開放、層次遞進的一系列設計實驗使學生熟悉微電子器件與集成電路設計相關的方法、工藝與流程，掌握微電子器件與集成電路設計與實現所需的基本技能。課程中學生將接觸到從產業需求提煉出的多個實驗課題，并從中選取適合自己專業方向（器件與工藝、模擬集成電路、數字集成電路）的題目開展設計。在此課程的教學設計中，筆者從分析問題、提出假設、驗證方案及優化設計等方面有意識地加強了批判性思維的培養。

（一）問題的提出與分析環節

在微電子設計實踐中，首先要做的就是對問題進行清晰的定義和分析。這需要運用批判性思維對問題進行歸納、分類、梳理及抽象等操作，找出問題的本質、關鍵、難點等，且避免受到無關信息或先入為主觀念的影響。下面以“微電子科學與工程專業設計”課程中的實驗項目《CMOS運算放大器設計》為例，學生要自主選擇合適的電路架構和器件參數來構建一個符合指標要求的運算放大器。在實驗過程中，學生經常會遇到仿真電路的輸出不符合預期的問題，在這種情況下，教師需要有意識地引導學生使用批判性思維找到問題的根源。具體的教學過程設計有以下幾個方面。

1.定義問題。電路輸出不符合預期，需要找到問題的原因。

2.分析問題。首先，需要學生確定電路的預期輸出是什么（如電壓幅度、頻率等），確定不符合預期的指標。其次，帶領學生檢查電路的各個部分，如果電路的各個部分都正常，進一步引導學生思考可能導致問題的其他因素，例如，電源噪聲、接地問題等。

3.梳理問題。在這個步驟中，將運放的電路分成各個部分，使用思維導圖或其他圖表工具將問題進行分類和梳理，并找到輸出不符合預期的部分，然后細化問題的原因和解決方案。

4.抽象問題。在這個步驟中，需要讓學生摒棄細節，著重于問題的本質和根本原因。例如，在仿真的電路中，輸出不符合預期可能是由于電源電壓波動導致的。在這種情況下，學生就需要設計更加穩定的電源或采用更加高級的電源穩壓技術來解決這一問題。

通過上面的過程，教師引導學生通過定義問題、分析問題、梳理問題和抽象問題等步驟找到問題的根源，在這個過程中，學生不僅掌握了專業知識，也學會了運用批判性思維來分析問題和解決問題。

（二）設計方案的提出和驗證

在完成上面的問題的提出和分析過程之后，教師需要引導學生進一步根據問題提出合理可行的假設或方案，并對其進行驗證和評估。在這個過程中，學生需要學會運用批判性思維對假設或方案進行邏輯推理、證據支持及風險評估等操作。還是以上面的課題為例，假設學生在實驗中發現放大電路的輸出增益不穩定，具體的教學過程設計有以下幾個方面。

1.假設或方案。根據電路的故障現象，教師首先引導學生分析導致電路的增益不穩定的原因有幾種？假設主要的原因是由MOS管的偏置電流不穩定導致，為了解決這個問題，學生可以采用反饋電路來穩定偏置電流。

2.邏輯推理。帶領學生回顧課堂學習過的運放反饋電路原理，加強理論和實踐相聯系。反饋電路可以通過調節反饋電阻的值來控制偏置電流。由于反饋電路的設計是基于負反饋原理的，因此可以使電路的增益更加穩定，且減少由于溫度和器件差異等因素引起的影響。

3.證據支持。指導學生通過理論計算和仿真實驗來驗證反饋電路的效果。理論計算可以用公式來表達反饋電路對增益的影響，仿真實驗可以通過SPICE軟件進行模擬，以驗證理論計算的結果。

4.風險評估。在反饋電路的設計中需要多方面考慮反饋電路參數、反饋網絡的架構及穩定性等因素給電路帶來的影響，如果反饋電路設計不當，可能會引入其他問題，例如，振蕩、失真等。可以讓學生運用多種方式仔細評估反饋電路的風險，并且制定相應的應對措施。

通過這些步驟，學生可以有效地學習到如何運用批判性思維來提出并驗證設計方案。

（三）設計方案的優化和改進

驗證了初步的方案后，下一步需要做的就是根據驗證和評估結果對方案進行優化和改進。這一過程中，教師可以引導學生運用批判性思維對方案進行比較分析、優點和缺點權衡、改進建議等操作，且避免受到慣性思維或沉沒成本的影響。下面以“微電子科學與工程專業設計”課程中的另一實驗項目《基于FPGA的數字信號處理器設計》為例，介紹將批判性思維融入實驗過程的設計方法。

1.比較分析。學生可以將不同的數字處理器設計方案進行比較分析，評估他們在功耗、面積、速度及可重構性等方面的優點和缺點。例如，學生可以比較RISC和CISC架構的特點，評估他們在指令集、內存訪問、流水線結構及寄存器數量等方面的差異。

2.優點和缺點權衡。在比較分析的基礎上，學生需要權衡不同設計方案的優點和缺點，找出最優的方案，從而選擇合適的架構來實現題目要求。在這個過程中，學生可能會發現RISC架構具有更高的性能和更低的功耗，但是他的指令集相對較小，需要更多的代碼來完成復雜的操作。

3.改進建議。在確定最優的設計方案之后，接下來可以在此基礎上進行改進和優化。優化的措施有很多，包括優化流水線結構、增加緩存大小及調整指令集等，以提高性能和降低功耗。

4.再次驗證和評估。在進行改進和優化之后，教師需要指導學生對設計方案進行再次驗證和評估，以確保他們滿足設計要求。在這過程中可以使用模擬器、仿真工具和實際測試來驗證方案的正確性和性能表現。

在上面的案例教學中，學生通過比較分析、優點和缺點權衡、改進建議、再次驗證和評估等步驟，可以學習使用批判性思維來優化設計方案。

三、批判性思維在教育中的挑戰與對策

雖然批判性思維在教育中有廣泛地應用，但在實踐中也存在一些挑戰。下面從教師、學生、評價方式等角度進行介紹。

（一）教師自身的批判性思維能力不足

教師是批判性思維能力的關鍵促進者。但是，部分教師在批判性思維的應用上缺乏經驗和技能，這可能導致課程設計、教學方法和評估方式的不足。為了提高教師本身的批判性思維能力，學?？梢詾榻處熖峁I培訓，幫助他們了解批判性思維的內涵、目標、特征和實踐技巧，鼓勵教師進行跨學科探究和交流，培養跨學科思維能力，進而發展批判性思維能力，還可以鼓勵教師開展實踐案例研究等教育研究，提高其教學水平，包括采用多種評估方法，例如，論文、教學競賽、小組討論等，以評估教師的批判性思維能力，實現教學能力的持續改進。

（二）學生缺乏批判性思維的意識和能力

部分學生沒有意識到批判性思維的重要性，或缺乏必要的批判性思維能力，這可能導致他們無法充分參與課程設計、教學方法和評估方式。因此，引導學生認識到批判性思維的重要性，以及培養他們的批判性思維能力，也是一個重要的挑戰。通過課程中針對批判性思維的專門模塊或案例教學來強調批判性思維的價值，并給學生提供在不同情境下應用批判性思維的機會。同時，在課堂上通過案例分析、討論小組及實驗演示等方式，讓學生從多個角度培養分析、評價和判斷能力。教學手段上，可以采用在線學習和數字化教育技術幫助學生進行批判性思維的實踐，并輔以教師的反饋和指導，從而幫助學生不斷發展和提高自身的批判性思維能力。

（三）缺乏批判性思維的有效評估手段

批判性思維是一個相對抽象的概念，評估其能力也存在一定困難。通常，評估批判性思維需要考慮多個方面，包括邏輯思考、問題解決和判斷力等。因此，如何有效地評估學生的批判性思維能力，對批判性思維的培養過程有著重要意義。

在課堂內，教師可以設計更加客觀和綜合的評估方式，評估學生的批判性思維能力。采用討論辯論、口頭報告及項目展示等方式，評估學生在研究、分析和解決微電子問題時的思考過程和成果。在課后可以設計多種不同形式的作業和考試，涵蓋批判性思維的不同方面，包括邏輯推理、問題解決和判斷力等。此外，還可以借助一些標準化的測試工具，比如Watson-Glaser批判性思維能力測驗、Cornell批判性思維測驗等工具，幫助了解學生的批判性思維能力的具體表現。

結語

批判性思維能夠培養學生的獨立思考能力和創造力，幫助分辨信息來源的真偽、可靠性和價值，從而提高學生解決問題的能力和應變能力。盡管現在越來越多的教育機構和教育者開始關注并重視批判性思維的培養，但是要真正培養出具有批判性思維能力的學生并非易事。批判性思維的教育是一項長期又具有挑戰性的任務，需要教育界和社會各界的共同努力。只有在不斷改革和創新的基礎上，才能夠真正培養出具有批判性思維能力的高素質人才，為國家和社會的發展做出更大的貢獻。

參考文獻

［1］羅清旭.論大學生批判性思維的培養［J］.清華大學教育研究，2000（4）：5.

［2］中共中央辦公廳，國務院辦公廳.印發《關于深化教育體制機制改革的意見》［A/OL］.（2017-09-24）［2023-05-26］.https：//www.gov.cn/zhengce/2017-09/24/content_5227267.htm.

［3］在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話［EB/OL］.（2021-05-28）［2023-05-26］.https：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5616154.htm.

［4］張長海.基于批判性思維和創造力的我國大學生信息素養教育模式研究［J］.中國圖書館學報，2016，42（4）：102-106.

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［6］王習勝.批判性思維及其技能研究［J］.揚州大學學報（高教研究版），2006（2）：6-9.

［7］鐘啟泉.“批判性思維”及其教學［J］.全球教育展望，2002（1）：34-38.

［8］董毓.我們應該教什么樣的批判性思維課程［J］.工業和信息化教育，2014（3）：36-42+77.

The Cultivation of Critical Thinking in the Practical Ability of Microelectronics Talents

LI Nan， CHEN Chang-lin， LIU Sen

（College of Electronic Science， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan

410003， China）

Abstract： The application of critical thinking in education has wide significance and value. In order to cope with the changing market demand and technological environment， microelectronics talents urgently need to strengthen the cultivation of critical thinking. Taking the course design of “Professional Design of Microelectronics Science and Engineering” offered by National University of Defense Technology as an example， this paper introduces in detail how to consciously enhance the cultivation of students’ critical thinking in classroom teaching through teaching design from the aspects of problem posing， scheme verifying and design optimizing. Finally， the paper introduces some challenges faced by the cultivation of critical thinking， such as the lack of teachers’ own ability， students’ lack of awareness and ability， and insufficient evaluation means， and analyzes the specific countermeasures.

Key words： microelectronics technology; critical thinking; teaching design