微电子器件与技术基础课程设计教学改革初探

朱友华 王美玉 李 毅 邓洪海 施 敏

0 引言

微电子器件与技术基础课程设计是在该课理论课的基础上开设的，在学习理论课之前，学生已经学过高等数学、物理基础理论、固体物理、半导体物理等课程，后续会学习集成电路设计、CAD、版图设计等集成电路相关专业课程。因此，该课程是培养学生具备大规模集成电路设计能力必不可少的基础课[1]。而微电子器件与技术基础这门课的理论部分因为难度比较大，涉及的内容抽象复杂，重要知识点多，教学时间紧，往往以老师讲学生听为主，争分夺秒地进行教学。原本的课程设计依然只是赶进度，学生兴趣索然地为完成学习任务而完成设计，所学理论未得到验证，实际的能力未得到提高，学生可能收获甚少。因此，在课程设计阶段，有必要以“培养学生能力”为指导思想进行实践教学体系改革，使成绩优秀的学生可以培养更多创新能力和拥有探索未知世界的精神，基础薄弱的同学能够在新模式下得到更多的机会，通过自主构建知识夯实基础。

1 本课程设计的特点分析

微电子器件与技术的实践教学是电子科学与技术、集成电路专业、电子信息等专业的重要课程之一，微电子器件与技术课程设计的开设是课程系统性的要求，是理论与实践并重，综合性比较强的专业课。在国外技术性贸易壁垒的影响下，中国的先进半导体相关高新科技企业与领域正面临着“卡脖子”的问题，国内半导体行业面临着巨大的挑战。如何缩小与海外领先技术的差距，解决技术难题，改变现状，微电子技术的发展必须紧跟时代，提高竞争力，微电子实验实践教学也必须与时俱进，提高教学质量，培养高质量的人才。在进行课程设计的时候应灵活运用现代教学媒介，选择适宜的课程设计指导教材，实现理论与实践的真正结合，培养学生的自主创新能力，并为其步入社会奠定坚实的基础。

2 本课程设计的不足之处

2.1 理念上未引起足够重视

受以前精英教育的影响再加上原有的实验室条件有限，很多老师和学生对实验实践教学仍然不是太重视，思想上往往有“重理论轻实践”的倾向。因此，需要推进实践课的教学方式改革，将理论知识和实践知识有机有效地整合起来，切实加强实践课教学的重要性。

2.2 学生的积极主动性不够

在实践教学过程中，讲台上教师专注于灌输，一味地演示，而不注重学生到底有没有理解掌握，台下学生则依葫芦画瓢地模仿，操作之后对自己的知识点还是模糊不清不能学以致用。这样的教学方式既不能充分调动学生的学习积极性和创造能力，也导致学生对课程缺乏兴趣，浪费了时间，导致实践课程未达到教学的完美效果。实践教学应强调学生自主学习、自主设计，不能以教师的“填鸭式”演示来贯穿始末，原有的教学过程流于严肃刻板，学生的创造力和思考力受到限制。

2.3 设计内容跟不上微电子技术飞速发展的速度

微电子科技与产业技术发展日新月异，传统的硅基BJT和FET等有源器件已经无法满足高频的集成电路需求[2]。新的材料与结构的半导体器件不断被制造出来，微电子方面的内容不断被丰富扩充。近日，IBM公司宣布了芯片领域的最新突破，已成功制造出2纳米制程的芯片，这意味着一个“指甲盖大小的芯片”可以容纳500亿个晶体管，实现了目前最领先的芯片制造工艺密度[3]。这些科技前沿进展在传统的半导体相关课程中往往还未编入，使得课程设计的内容与应用实际存在差异。国内外微电子领域的飞速发展，促使学习的课程也要紧跟时代步伐，及时更新微电子课程设计教程。

2.4 缺少平时表现的考核

以往的课程设计，往往简单地用出勤率、设计报告来打分。因为参加课程设计的学生多，往往一位老师至少要带一个班，接触时间短，有的学生名字都叫不出来，课程设计就结束了，对于其实际表现和能力仅凭出勤及最后的报告来评判，缺乏良好的标准，不能很好地反映其实际能力。

3 课程设计的教学改革措施

针对以上问题，根据行业需求、学生情况以及课程特点，笔者对课程设计的教学进行了改革和优化。

3.1 以能力培养为目标，建立教学平台，让学生重视和喜欢课程设计的教学

建立一个共同学习的线上线下良好的学习环境，目的是在轻松活跃的气氛下，增加大家互相交流和促进学习的环境，增加师生联系，提高学生参与度。网络开放的教学平台，以线上线下混合式教学，对于学生们理解上不够透彻的知识点，老师可以录制一些相关教学视频，还可以将抽象深奥难理解的知识点制作成动画，形象直观地展现比口头讲述要更易于理解，在平台上上传以供学生反复观看学习，进一步强化指导。另外，结合社会发展和需求，平台上也会经常发布一些对于课程设计相关的典型案例和用途广泛的高新技术，开阔学生的眼界，加深了他们对微电子知识的进一步理解，激发了他们的创新乐趣。同时，也可以发布题目让学生在线进行小测验。设立发言区，平时建议大家积极互动，热烈讨论。学生遇到问题也可以随时在线咨询，根据发言的踊跃程度和小测验的正确度都可以在线计算分数。因为有了一个良好的学习氛围，上进的学生可以带动一般学生的学习积极性，落后学生也可迎头赶上，形成较好的互动循环。学生可以课前预习所学内容；课中系统进行软件仿真和实际操作，充分利用课堂时间，提高课程设计的效率；课后又能借助教学平台拓宽思路，主动去探求新知识。通过互相交流学习心得，学生们你追我赶，进一步培优补差，大大提高了学生的参与性，克服了疏懒情绪，创造能力得以提升。教师也因为都在一个平台上，根据回答问题的正确率和积极性的高低，给予学生平时表现的适当评分，有助于考核。

3.2 探求校企合作，提高教学实用性

学生们缺少实习和生产工作经验，“填鸭式”教学仅通过纸上的图片和文字来理解知识点，缺少从生产实践实际角度出发来思考问题的条件，有很大的局限性[4]。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。微电子技术飞速发展，需要大量适应能力强、创造力强的人才。如果学生知识只停留在理论上，对实际生产一问三不知，势必不能满足社会对人才需求。而到企业实习是非常重要的环节。该课程安排在三年级上学期，学生对所学专业已经有了基本的认识，利用课程中的两节课时间，进行高新企业的实地参观和学习，使学生直观感受到国内外发展的大致情况，了解企业的先进设备和工艺器件水平。他们进入研发车间、生产车间等，感受到产品的生产过程以及严格的生产管理等，开阔了眼界。参观过程中，学生们积极向企业的技术人员请教，学到课堂上学不到的宝贵知识和经验。企业因为直接面对市场的竞争，在知识创新和实用性上比学校更有优势。学生通过参观学习，获得企业技术人员们的共同指导，将理论知识和实践有机结合起来，课堂内容在实践中则得到进一步理解，获得知识质的飞越。

3.3 更新课程设计内容，与时俱进

增加一些微电子技术相关新进展的内容，鼓励学生们课前课后在网络上包括知网等期刊寻找更多相关信息，鼓励他们讨论进行分析和PPT总结等，大大增加了同学们的视野，也更加了解我国的现状。这些措施都激发了学生的课程兴趣和研究热情，并将一些有难度的切合技术现状的课题穿插在课程设计中，通过课程设计的实践，提升了他们主动获取知识的能力。引导学生尝试着探索不同器件结构的性能和熟悉不同半导体材料的性质，并在设计过程中测试不同微电子器件的电学特性。通过课程设计，学生不再满足只是吃透课本理论知识，更重要的是将所学理论知识在模拟仿真和实践中得到升华，培养他们自主学习钻研新技术、新方法的能力，紧跟时代的需要，提高学生的科研素养。

3.4 利用Silvaco仿真软件，高效化培养学生工程应用能力

充分发挥其在微电子教学中的应用优势，在设计过程中增加可操作性和实体感，使学生的学习能力以及解决实践问题的能力得到高效化培养。Silvaco仿真软件是世界领先的电子设计自动化（EDA）软件，可用于模拟/混合信号集成电路设计。用于TCAD工艺和器件仿真，Spice参数提取，电路仿真、定制IC设计/验证等。可完整地模拟半导体工艺、器件和自动化设计等。课程设计通过训练学生运用所学过的半导体器件原理的基本知识，掌握使用Silvaco工具进行微电子器件的结构设计、器件性能仿真及数据处理的相关方法，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的实践能力。通过该课程设计使学生更好地巩固加深对半导体物理及器件基础知识的理解，通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为今后专业课的学习和工程实践奠定基础。在微电子技术课程设计的教学方面，充分利用Silvaco仿真软件的作用，建设了虚拟半导体制造的仿真环境并提高了实践课的可操作性。在设计过程中，教师对实践内容精心选择，合理化地运用软件进行教学辅助。教会学生运用Silvaco工具设计典型半导体光电子器件的方法，独立完成设计与仿真过程，增加学生理论联系实际的能力，提高学生器件性能分析及处理数据能力。教学过程中，发现该软件操作过程清晰，通过仿真设计计算模拟出结果，将思维进行可视化处理，增加了形象性和直观感，让学生感受到类似工作的趣味性和成就感。该软件大大方便了他们进一步对理论知识的理解和感悟，通过仿真直观性，提高了教学活动的综合效果。

3.5 综合平时表现和课程设计，科学合理地进行考核

加强了平时考核，占50%，其中包括：线上线下表现、提问答疑等参与情况，以及答辩考核和课堂表现。其中，设计过程中表现出的学习态度、工作作风及科学精神（占分10%）；是否能较好地掌握Silvaco软件仿真工具，在器件结构设计与性能讨论过程中具有发现问题、分析问题以及解决问题的能力等（占20%）；答辩情况（预答辩主要考核学生课程设计的总体框架、课题概述，软件流程和芯片选型等，对老师和同学们的提问情况）（占分20%）[5]。

最后提交的设计报告内容、质量及创新性等，占分50%。其中，设计报告的内容量（占总分40%）；设计微电子器件的正确性、合理性与创造性（占总分10%）。综合以上线上线下各阶段学生们的学习情况给出最终评价，更好地反映了学生在学习知识和技能过程中表现出的态度、方法和能力。

4 结语

通过对微电子器件与技术基础课程设计的原有不足之处进行一系列教学改革，开展多元化教学，更新课程设计内容，进行校企合作、利用仿真软件用于设计及科学考核成绩等，使学生对实践教学产生了浓厚的兴趣和热爱，参与主动性明显增强，开阔了思路，加深了对微电子器件与技术基础理论知识的理解和运用，培养了他们的创新精神和综合科学素养，培养了学生的实际工程设计能力及工程应用能力，对学生将来的学习产生了良好的影响，也对教师以后的实践课程教学具有借鉴意义。