“半导体器件仿真与设计”课程思政教学的探索和实践

胡冬青，周新田

（北京工业大学信息学部，北京 100124）

一、背景

培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人，是高校人才培养必须面对的根本性问题。2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上就强调指出：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人”，“各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”[1]。2017年2月，中共中央、国务院印发了《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》，明确提出了“坚持全员、全过程、全方位”的育人要求，并在之后两年，先后公布两批“三全育人”综合改革试点单位。2019年3月，习近平总书记再次指出，“要坚持显性教育和隐性教育相统一，挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人”“要坚持价值性和知识性相统一，寓价值观引导于知识传授之中”[2]。

为了更好地贯彻落实“三全育人”，各高校纷纷开展关于课程思政的探讨，有关将思政元素有机地融入专业课教学中的尝试[3-4]，不断丰富和扩展。

本文将依据社会主义核心价值观，结合专业选修课“半导体器件仿真与设计”的课程内容和特点，开展课程思政建设，有效引导学生正确看待、客观评价我国微电子技术水平，增强忧患意识，激发学生责任感、使命感、为民族科技振兴奋斗的热情。

二、“半导体器件仿真与设计”课程特点与课程思政建设

（一）课程特点

“半导体器件仿真与设计”是北京工业大学面向电子科学与技术专业开设的专业限选课。课程设置的目的，旨在通过具体器件设计、仿真优化与版图实现，将所学半导体物理、晶体管原理、工艺原理等相关知识贯穿起来。通过课程学习，学生能够明确器件设计的主要思路，掌握器件设计的基本方法，能够应用专业知识，设计器件结构及参数，并应用专用仿真工具进行优化，确定工艺范围，并逐步树立工程设计过程中成本意识、环境意识、品牌意识和法律意识（知识产权保护）。

半导体器件仿真与设计课程涉及到我国“卡脖子”技术——高端芯片设计，同时半导体器件本身是电能转换与控制处理的核心元件，它不仅与微电子技术发展密切相关，也是实现各种电子设备高效、节能、小型化的关键所在，是支持我国努力争取2060年前实现碳中和的“器件基础”。因此课程蕴含的思政元素非常丰富，可以很方便地通过一件事、几句话达成课程思政润物细无声的效果。

（二）课程思政建设

课程思政策略通常有两种。一种是以教学内容为主线，进行思政映射和融入点设置，例如内蒙古科技大学“电力电子技术”的课程思政改革。这种策略的优点是与课程内容融入度高，易实现随性切入，且容易进行全过程覆盖。缺点是如果设计不充分，思政教育目标指标点不明晰，达成实现出现重复或缺失；另一种是以思政内涵为主线，对落实环节和融入时机进行设置，例如重庆理工大学“集成电路设计原理”的课程思政建设。这种策略的优点是思政目标比较明确，指标点具体，容易进行全方位覆盖。缺点是如果落实设计不合理，易导致集中。最容易出现的状况是课程思政主要集中在绪论课环节，而后继教学内容思政教育很少。

“半导体器件仿真与设计”进行课程思政建设的总体原则是：注重课程思政与课程教学内容无缝对接和前后呼应；注重全局规划，避免重复，提高效率；注重节奏规划，保证全过程不断线；注重多元化开发，一个教学内容，蕴含多个思政元素。具体课程思政建设的实施策略如下：

1.以“弘扬社会主义核心价值观”为目标，设置思政元素

国无德不兴，人无德不立。育人之本，在于立德铸魂。在课程思政建设中，借鉴工程教育认证毕业要求的思路，确定了“弘扬社会主义核心价值观”这一课程思政建设的总目标，设置了6个思政目标指标点，具体包括：民族自信与创新发展、借鉴与自强自立、文化传承与科学世界观、发展权/使命感和责任感、规矩与底线（工程与法律/道德）、工匠精神与科学精神。

2.以深化“三全育人”改革为牵引，落实课程思政的全方位、全过程覆盖：

为了保证课程思政在完整性、持续性和显隐结合性方面达到较好的平衡，做好课程教学和思政教育的内容平衡和相互促进，在课程思政建设，认真设计了思政元素的具体落实（参见表1），将价值塑造、知识传授和能力培养紧密融合。

表1 思政元素的落实

3.以“持续改进”为导向，开展“课程思政”的考核规划

“思政”教育与课程教学有机融合，相互促进，是课程思政重要目标之一。课程思政考核，是检验“课程思政”教育成效的重要手段，也是课程持续改进的重要依据。为此，“半导体器件仿真与设计”的考核环节，不断优化考题题干设计，从而在改善考核手段的同时，落实对“思政”内容的考核。涉及的思政指标点，以“创新意识和创新发展”和“工程与道德/法律/伦理”这两个指标为主。“创新意识和创新发展”的考核，有两种策略，一是融入到对二极管或MOSFET前沿结构、创新原理、创新效果等的考核中；一是单独的思维扩展题，要求学生构想一种新结构，结构“工程与道德/法律/伦理”的考核，主要通过多选题、简答题的形式进行。思政考核大约占期末考试的5%-10%。

经过几轮实践显示，当“工程与道德/法律/伦理”相关的思政内容以多选题的形式出现进行考核时，几乎100%的同学都认为器件研发须除了需要考虑器件性能、工艺水平外，还需要考虑法律（是否涉及别人或自己的专利）、工程道德（对社会环境影响）等问题，但如果以“作为未来工程师，在器件研发过程中须考虑哪些因素”作为简答题出现时，有30%-40%的学生会忽略法律因素和经济因素（专利保护或规避、环境影响和责任、工艺能力和成本）。有关“创新意识”的考核，如果融入到具体器件结构，解读原理与创新思路，回答正确率能到达80%以上，特别是当以综合设计题形式，问及我国半导体专家对功率半导体贡献时，几乎100%同学能答出超结构及其创新本质，但如果要求学生自己任意构思一个结构，不需要考虑如何实现，只需要说出采用哪些设计出于何种考虑，绝大部分同学只能以教学涉及的结构为例进行构思，只有10%左右的同学，能将场效应、电荷耦合效应或者超结原理用于自己结构的构想，并给出一个确实是文献难以看到的新结构。由此可见， “课程思政”考核成绩好坏，与考核形式密切相关，课程思政考核任重道远，有待不断改进和提高。

三、“课程思政”实施案例

“半导体器件仿真与设计”课程教学中，课程思政设计，注重显性、隐性相结合，注重价值塑造、知识传授和能力培养的紧密融合。以“高压功率MOSFET设计”为例，介绍教学开展“课程思政”设计与实施的具体举措。

（一）课程教学内容

“高压功率MOSFET设计”是课程重点内容之一，授课要点包括四方面：

1.高压MOS器件面临的困境：单极器件漂移区电阻正比于阻断能力的2.5次方；

2.解决关键问题的突破性发明：打破传统“极限”的超结结构；

3.超结结构的依据的物理基础：电荷决定电场；

4.超结MOSFET产品技术难点、前沿成果及仿真要点：电荷平衡。

（二）学生知识构架分析：

“半导体器件仿真与设计”在大三下学期开设，学生具备电磁场理论、半导体物理和半导体器件原理基础，掌握了PN结雪崩击穿的理论基础、PN结反偏时电场三角形分布及理论依据，对电荷分布决定电场分布有清醒认识，知道产生均匀电场分布要求的电荷分布。

（三）课程思政设计思路：

1.从普通高压功率MOSFET面临的困境引出问题，从最大限度挖掘材料极限出发，提问怎样的电场分布最优？从“电荷是产生电场的根本原因”出发，引导学生思考怎样的电荷分布，可以实现近“方形”电场分布？

2.面向创新意识培养，引导学生思考怎样获得类平行板电容器的电荷分布？怎样让“空间电荷区”的“净”电荷局域不为零，大尺度范围平均近似为零？最终引出超结漂移区结构，并指出这种结构由我国知名学者陈星弼教授发明（1991年申请了国际专利），强调发明的理论意义（打破传统极限）、现实意义（超结产品已应用到航天领域，抗单粒子烧毁能力优于普通漂移区结构）和社会影响力（单专利领域，就被300多申请主体，引用了近千次，引用最多的，都是国际知名功率半导体公司，包括仙童半导体、富士电机、英飞凌技术、3D半导体、通用半导体、西门子、电装株式会社等），增强民族自信；

3.通过一个“遗憾”转折，指出：尽管陈院士的专利意识，带来了一定的经济利益（专利转让费），但是由于最早捕捉到这个发明价值并把它用于产品研发、赚取技术红利的是外国公司，强调工程研究的重要性。具体到与课程相关的设计优化，明确结构拉偏、参数拉偏的必要性，指出科学精神与工匠精神的统一，是推动技术进原动力。

4.章节总结时再次强调，超结结构虽然最初看起来似乎无法实现，似乎看起来尤其不适合规模生产，但它确确实实被制备出来了，而且产品化，并带来了经济利益和社会价值。最后鼓励学生“睁大好奇的眼、持一份怀疑的态度、做一个改变现状的创新梦，不管这个梦多荒诞，也许明天就会实现”呼应课程思政之“创新发展”的主题。

四、结束语

半导体器件仿真与设计，虽然是选修课程，但直接与高端芯片设计有关，与国家战略发展有关。通过课程的学习，使学生能够在掌握器件设计与优化的基本思路和方法的基础上，将所学半导体物理、晶体管原理、工艺原理等相关知识贯穿起来，同时明确我国微电子领域的发展和布局，增强学生的责任感、使命感、法律意识和创新意识。几轮课程思政考核结果显示，考核形式不同，目标达成度也不相同。不断提升授课教师课程思政设计能力、落实计较，优化考核形式和内容，是持续改进课程思政效果关键所在。