基于OBE 理念的引线键合实验教学改革

2020-09-14石素君赵修臣

实验室研究与探索 2020年7期

李红，石素君，赵修臣，刘颖，郑冰

（北京理工大学材料科学与工程学院，北京100081）

0 引言

实验教学是工程技术人才培养的重要教学环节，是培养学生实验技能、分析问题和解决问题能力、实践创新能力的主要方式［1］。对于工科类本科专业，加强实验教学建设与改革，不断在教学实践中更新实验教学理念与思路，是培养适应新时代高水平工程技术人才的基本途径之一［2］。

近年来各高校不断加强实践教学工作，强化实践育人环节，在实验教学改革、实验室建设与学生能力培养等方面进行了大量研究，其中基于学习产出的教育模式（OBE）理念已成为高校教学改革的热点［3-7］。OBE教育理念强调学生个人的进步和学业成就，要求教师清楚学生应达到的结果，然后设计合适的教学手段使他们达到相应的效果［8］。

在贯彻实施高校深化教育教学改革中，我校电子封装技术专业结合本专业的特点及培养目标，积极探索将OBE教育理念3大要素［9］“学习目标、教学方法、结果评估”应用到本专业实验教学中，构建多层次实验教学模块，大力改革实践教学，加强对学生综合实践能力的培养［10］。针对引线键合技术，从实验学习目标、实验教学内容、实验效果评估3个方面设计引线键合实验教学内容，将OBE理念应用到实验教学中，进行引线键合实验教学改革，建立提高学生实践能力的实验教学新思路。

1 引线键合实验教学改革的意义

在中美经贸摩擦升级以来，我国集成电路产业受制于人的现象日益凸显，为了保障供应链安全和产业安全，集成电路成为国家战略计划推动下的一个大产业。《2018—2024年中国半导体行业市场产销态势分析及投资发展趋势报告》指出，到2030年，集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，IC封装测试将实现率先突破。引线键合技术作为现代集成电路IC封装测试中的一个关键技术，因其具有成本低廉、工艺实现简易、封装形式适用性高等优点，在各层次的IC封装形式中凸显出愈加重要的地位［11］。我校电子封装技术专业作为国防紧缺专业，承担着为国家输送高素质半导体行业封装高级技术人才的重任，因此，进行引线键合实验教学改革是我校电子封装技术专业一项重要的实践内容。近年来，基于OBE理念的实验教学改革在各大高校展开，经过对OBE理念的分析，发现传统的实验教学仍有不少环节存在着问题。

（1）教学模式固定，实验室老师做实验准备，课堂上老师对实验原理、方法、内容、操作步骤和注意事项等对学生作讲解和示范［12-14］，学生进行简单操作。这样的实验课堂，仍旧是以教师为主导，学生被动地学习，不能很好地调动学生的积极性和主动性，不能有效地促进理论教学，学生的动手能力、独立思考与分析能力目标和知识应用能力目标也没有得到很好的培养。

（2）学生实验过程中基本操作内容比重较大，缺乏分析问题、知识应用能力的训练，实验教学内容和结构设计不完善，无法激发学生科学研究的积极主动性。

（3）课程评价机制单一，原有的实验教学中主要以实验报告和出勤情况决定实验成绩，忽视学生综合素质的评价，课程考核不够规范，持续改进不够完善。

2 基于OBE理念的实验教学改革与实施

2.1 实验教学培养目标的确定

在OBE理念的指导下，采用教学目标先于教学内容，所有实验教学活动都围绕实验教学预期目标展开，促进学生积极参与到实验教学过程中，使学生不再是学习的被动者，而是学习的主体，真正成为实验教学活动的中心，而教师转变教育理念，成为学生达成预期学习产出的帮助者、促进者和组织者［15］。因此在OBE教育理念的指导下，提出合理的教学培养目标极其重要。

引线键合实验作为电子封装技术专业一项重要的大型专业综合实验内容，针对传统实验教学中存在的问题，结合该实验具有较强的工艺性特点，调研了该专业学生毕业后在该领域应该达到的能力，确定了该实验的多层次培养目标，包括以认知为导向的基础能力目标、以问题为导向的综合实践能力目标和以任务为导向的工程实践能力目标。基础能力目标通过学生对实验设备及表征检测设备的操作等，提高学生的基本动手能力和基础实验素养；综合实践能力通过学生对材料性能分析、工艺参数研究及工艺质量研究等来提高学生的知识运用能力、分析问题的能力；工程实践能力是基础能力和综合实践能力的进一步提升，通过对工程实践问题及当前技术热点项目的研究，培养学生独立思考解决问题的能力以及实践创新能力。

2.2 实验教学内容改革

引线键合实验教学在其培养目标的指导下，结合电子封装技术专业实验室拥有的完整企业工艺线实验教学资源，针对不同层次学生的教学需求，积极构建前后衔接、循序渐进、层次分明的与电子封装技术专业相适应的递进式、多元化的引线键合实验教学体系［16］，如图1所示。

图1 OBE理念下的引线键合实验教学内容

从图中可见，教学目标优先于教学内容而出现，教学内容围绕预期教学目标而展开，分层次的实验教学内容构成了电子封装专业引线键合实验教学体系。

基础实验以键合相关设备、键合相关材料、键合质量评价手段及分析表征测试方法、表征设备使用为主要实验内容，这类实验不需要学生的创新设计、主要培养学生掌握实验设备主要构成、工作原理、操作步骤，认知键合用原材料，键合质量评价手段等，以促进学生深化理论知识，掌握基本技能和方法。

OBE理念的核心精神是培养学生能力，通过设定预期产出，实现教育活动由“教师中心”向“学生中心”的转移。引线键合实验教学采用开放式的实验教学方式，在“边看边学，边做边学”的基础实验基础上，设计了学生在教学中占主导地位，以学生为中心的综合实验、研究实验。

综合实验是基础实验内容的综合运用、发展与创新，该实验内容引入不同材料、不同结构、不同特性的芯片（裸晶）或者基板，比如实验室提供不同类型的基板或者芯片，有镀银基板、复合镀层基板、镀金陶瓷基板、LED芯片、砷化镓芯片等，鼓励学生自主设计键合实验方案，改变键合工艺参数，利用焊接强度测试仪测试引线键合后引线的拉力、剪切力和利用光学显微镜观测引线的外观形貌来分析判断键合质量等，最终探索和分析不同键合工艺条件（超声功率、超声时间、键合压力等）对键合质量的影响规律，使学生掌握工艺流程、关键工艺因素，达到培养学生知识综合运用能力、分析能力、实践能力的目标。

研究实验是从新材料、新结构、可靠性上着手，以引线键合当前研究热点，面临的工艺、材料、可靠性等工程实践问题或难题为驱动点确定研究课题，研究课题主要来源于教师的科研项目、企业的课题项目、大学生创新项目等［17］。研究实验教学，在教学模式上，采用探究式教学模式；在教学方式上，学生自由组队、自己安排实验时间；在教学策略上，学生在教师指导下制定实验方案、创新设计、动手实验、数据分析等系列探究过程来完成项目构思、设计、实施到完成的周期过程，该部分实验内容的设计主要是要求学生带着要研究的问题，主动、自觉地寻找解决方案，通过教师引导、学生主导的实验模式，给学生以最大的自主学习空间，培养学生的项目设计开发能力、工程实践能力和团队合作意识。

2.3 实施多元化的实验效果考核

结果评估是OBE教学模式3大要素之一，在实验教学中是一个重要的辅助手段，有效的评估手段能促进学生的学习积极性，可进一步促进实验教学改革的顺利进行［2］。因此基于OBE教育理念，必须注重以学生为主体，重视实验过程，探索针对“教学培养目标”多元化的考核方法。引线键合实验考核评价体系如表1所示。

表1 引线键合实验考核评价体系

引线键合实验教学评价体系围绕预期产出的目标，以尽可能的客观评价学生的实验过程及效果。在多层次实验内容的指导下，实施阶梯式实验教学考核方式，设置详细的考核指标及考核点，改变过去统一的基础实验、综合实验的“一视同仁”的考核方式，加大对研究实验内容的考核力度，从而激发学生的创新意识，使实践动手能力较强、具有创新精神的优秀学生成绩更加突出，更能体现教学效果评价的公平、公正。