基于工程实践能力培养的实验教学改革实践

2023-08-02康海燕冯晓丽樊永祥

大学·教学与教育 2023年5期

康海燕冯晓丽樊永祥

摘要：实验教学在一流本科工程实践型人才培养中占据着重要的地位，随着集成电路产业的快速发展，传统的实验课程在人才培养方面存在明显不足。为此，文章以现有半导体物理实验课程资源为基础，结合西安电子科技大学多年的实践教学经验，主要在实验教学内容、实验教学平台、实验教学模式以及实验考评体系四个方面进行教学改革。改革证明，新的实验教学模式培养的人才更符合产业的发展需求，更有利于培养学生的实践创新能力、科研思维能力，显著改善教学效果。

关键词：实验教学内容；教学平台；教学模式；考核方式

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2023）14-0188-05

微电子技术是信息社会的基石，是大国博弈的前沿技术，可以说是人类智慧的最高结晶［1］。微电子专业技术人才的培养，在国家战略发展中显得尤为重要。微电子一流本科人才的培养还面临着诸多问题与挑战。

“半导体物理实验”是微电子与集成电路专业的重要核心实验课程之一。半导体因其导电能力随外界条件改变而变化，在各种微电子器件、集成电路、太阳能电池以及各类传感器等不同领域中得到广泛的应用。通过本课程实验的学习，培养学生理论知识与实践相结合的能力，使学生掌握半导体材料、性质与表征等方面的实验方法和研究方法，为学生今后解决各类半导体材料和器件以及集成电路设计和制造等相关复杂工程问题奠定基础。“半导体物理实验”课程受到实验教学课程内容滞后、实验教学平台落后、信息化技术与教学的融合度较低以及考评方式不科学等原因限制，实验教学与产业测试技术发展相脱节，导致培养的人才难以满足行业需求。有效提高学生培养质量，提升学生工程实践能力是当前人才培养的迫切需求。

本研究在全面梳理半导体物理实验课程教学中存在问题的基础上，通过产教合作的方式进行了课程知识内容的优化更新，并推行了“半定制化”的实验平台，提升学生的实践动手能力，实现实验教学与产业无缝接轨。以信息化技术为载体，革新了传统的教学模式，建立课前、课中、课后相衔接的教与学的体系，并且注重过程形成性指标的考核，建立了科学的实验综合评价考核体系，提高学生的实验兴趣，吸引和督促学生积极参与教学活动，不断提升教学效果和教学质量。

一、以产教融合为抓手，更新实验教学内容与优化实验教学平台

微电子专业本身具有知识更新换代速度快、应用实践性强的特点。然而传统的半导体物理实验教学内容相对陈旧，严重缺乏新材料和新器件的相关内容。加之，实验教学中普遍采用精度较低的教学通用型设备，与行业通用的测试方法相脱节。在半导体物理实验的教学改革中，充分利用产业界的资源，以产教融合为主要抓手，对实验教学内容与实验教学平台进行全面的更新与优化，实现实验教学与产业无缝接轨。

（一）更新教学内容

为了改变半导体物理实验内容的现状，促使半导体物理实验教学与产业测试技术无缝接轨，学院与世界顶级集成电路设计公司泰克吉时利、NI等企业通过产教融合的方式，根据产业的发展需求，共同制订半导体物理实验产教协同育人教学新方案，全面优化更新实验课程内容。

在实验课程内容建设方面，秉承优化与创新的原则，在优化原有经典实验内容的基础上增加了新型材料（光电材料、第三代半导体材料等）与新器件实验，如硅光材料特性测试实验、二维材料/石墨烯/SiC/GaN测试实验以及半导体激光器LIV特性测试实验等方面的内容。此外，在保持经典基础实验的同时，增加了校企联合综合实验与创新探索实验，并提高了所占比重，最终形成基础实验占比39%，校企融合实验占比61%，其中综合实验占比30.5%，创新探索实验占比30.5%，如表1所示。

基础经典实验内容主要围绕夯实基础理论和强化基本技能为核心，加深学生对半导体理论知识和概念，特别是物理现象的理解，扎实的基础是学生创新的重要保证。同时，这些实验涉及现阶段众多半导体物理与材料最核心的原理［2-4］，是掌握现代半导体器件工作原理的基础，如PN结的光电特性是太阳能光伏发电的基础，激光器LIV的特性是了解光通信和光电探测等领域不可或缺的基础知识。这些实验能够充分地将理论知识与实践相结合，使学生掌握半导体材料、性质与表征等方面的实验方法和研究方法，为学生今后解决各类半导体材料和器件以及集成电路设计和制造等相关复杂工程问题奠定基础。

综合创新实验教学内容，将产业界研究的热点新材料、新器件、新器件的性能表征与设计验证的完整工具、测试方法、行业测试标准引入实验教学，并掌握行业可靠性测试和失效分析的机理，培养学生自主思考［5-7］，解决实际工程实践问题的能力，最终实现基础实验教学与科研接轨的同时，实现实验教学与产业无缝接轨。

（二）推行 “半定制化” 的实验平台

由于微电子行业实验仪器较为昂贵，实验教学中普遍采用教学通用型实验设备，该类设备测试指标相对较低，无法精确表征材料和器件特性。其次，教学通用型设备与行业实际应用实验设备距离相差甚远，导致教学实验测试过程与半导体产业实际测试方法严重脱节。

在课程中，学院与企业联合开发实验项目，构建了以通用仪表和可定制的上位机软件为核心的“半定制化”的实验测试平台。通用仪表能够在不同的实验中重复利用，搭配可定制的高灵活性软件平台与型号不同的专业实验设备，实现多种不同实验的测试环境，如图1所示。与企业共同联手开发产教融合实验项目，将企业最先进的技术方法融入学生实验培养过程之中，通过行业通用基本源表、实验模块，学生自行设计实验方法，使同一实验有多路径实现方法，改变了原有的教学专用实验仪器、纯验证式实验方法和結果唯一性等现象，倒逼学生主动思考实验过程中产生的新问题，有效提高学生自主思考的能力和主动解决实际工程问题的能力。围绕通用仪表和可定制的上位机软件，构建专业、精确度高、通用的微电子实验综合实验平台，具有灵活、复用率高且与产业能够实现无缝接轨的特点。

二、以信息化技术为载体，推行混合实验教学模式

在“半导体物理实验”授课初期，采用传统的线下授课模式，实验课堂中，教师先讲解实验背景、实验目的、实验原理以及现场演示实验的操作方法等，学生依照教师的讲解，复现实验过程。这样的教学模式存在以下几个弊端：1. 学生在实验预习环节，缺少灵活多样的指导和多渠道的教学资源，接受的教学信息量和质量均受到了制约，导致实验预习环节形同虚设，2. 学生在教师的指导下被动地复现已知结果的实验操作，出现“要我做实验”，而不是“我想做实验”的现象，实验的教学效果不佳。

为改变此局面，在“互联网+”高校在线教学新发展思想指导下，教师充分利用信息化技术，全方位开展混合式教学，并构建了基于线上教学资源的智能化学习平台，实现了信息技术与实验教育教学的深度融合［8-11］。

（一）课前线上平台完成知识初探

注重实验的课前预习环节。课前主讲教师将实验相关文献资料、课程MOOC视频、课程公众号、电子版实验教材、实验重难点课件等资源对学生进行推送，引导学生进行有效的课前线上实验预习活动，如挖掘实验中所蕴含的思政元素、熟练掌握实验设备的操作方法、实验遵循的实验原理，自行设计实验方案并预估实验可能出现的结果，为线下实验操作环节做充足的知识储备，并提交实验预习作业。基于智课教学平台，对学生本次课程学习效果开展预测评价，有效量化学生在线预习实验课程的效果，教师根据学生的预习反馈，实时地调整线下课堂的讲授重难点，二者相辅相成，提升教学质量。

（二）课中线下课堂完成实验探究

基于学生课前预习情况和智能评价分析，教师有针对性地重组课堂形式。为了充分调动学生对待实验的主观能动性，线下课堂教师秉承 “学生为主，教师为辅” 的实验教学理念，注重培养学生独立学习和探究知识的能力。学生首先以团队的形式分别向教师汇报实验预设方案，教师针对实验方案进行引导性提问。其次，根据学生的实验方案设计情况，针对性地对实验中出現的重难点进行讲解，重点引导学生如何利用实验室的设备资源实现自己课前设计的实验方案。在实验操作环节中，各个实验模块的插孔连接经常会出现接口错误的问题，当遇到此类故障时，鼓励学生自主分析和解决问题，引导学生参照实验原理与电路图，耐心观察，逐步分析排查故障，在排查的过程中，帮助学生内化实验所涉及的理论知识，强调理论联系实践的重要性。实验完成后，组织学生交流，分享设计想法和实践经验，培养学生的表达能力和团队合作意识。

（三）课后线上平台升华实践内容

结合课中实践操作中的问题，进一步结合课程核心知识点、系统性MOOC视频课程、相关文献阅读、课后实验思考题、实验报告总结等引导学生基于课前课中学习内容升华所学知识，使其学有所想、学有所得、学以致用。最终再次依托智能评价模型实时推送学生端及教师端本次课程完整学习评价结果，完成个性化学习，纳入单次课程期末平时成绩，形成真实完备的过程性大数据学习评价体系。

三、以实验课程目标为导向，建立过程性考核实验评价体系

考核评价体系是教学过程中对教学质量进行评价的重要环节，具有检验与反馈 “教”与“学”的效果。实验课程因为教学目标及教学过程等环节与理论课程存在较大的差异，使得实验考核具有复杂性与主观性。相对公平、科学的实验课程考核评价体系显得尤为重要［12-14］。传统的实验考核方式主要是平时成绩20%与实验报告80%的组合方式，这种重结果轻过程的考核方式不能科学地考核学生的实验能力、创新能力以及综合实验素养，对人才培养过程缺乏客观评价。为客观评价学生实验能力，构建的考核体系以实验课程目标为导向，课程目标如表2所示，全面考核学生对知识的掌握和运用。

考核评价体系以半导体物理实验课程目标为导向，紧密结合“课前+课中+课后”的教学模式，将评价内容渗透到每一个教与学的环节，形成总实验成绩=课前30%+课中40%+课后30%的过程性实验考核体系。课前注重实验预习、方案设计环节，重点考查学生对实验目的、实验原理、实验内容的掌握情况，完成课程目标1的达成度；课中注重实验方案答辩、实验操作能力，重点考查学生理论联系实际分析问题与解决问题的能力以及实验创新能力，完成课程目标2、3、5的达成度；课后的实验报告、课后巩固以及思考题的问答环节注重考查学生的知识升华与综合实验素质，完成课程目标3、4的达成度。

四、反思与不足

“半导体物理实验”课程经过学院以及教师团队多年的建设与发展，已经具备成熟的实验教学课程体系，在实验教学模式以及科学的考核方式方面积累了丰富的经验。以“学生为主，教师为辅”的教学方式，将实践课堂归还学生，充分调动学生对待实验的主观能动性，多方位提升学生的实验与创新能力。然而，在课程的实施过程中仍然存在一些值得继续改进的问题：

1. 半导体相关实验设备较为昂贵，实验由于受到设备台套数的限制，每两人为一小组进行实验，每个人的实验分工侧重有所不同。这种模式虽然能够促进团队成员之间的相互合作，但是对于消极懈怠的学生仍不能调动其主观能动性，因此，后续的工作中仍需要继续改进实验模式与组内分工，使每位学生的实验与创新能力都能得到培养。

2. 半导体物理实验操作部分主要在实体实验室进行，实验课程需要计算的部分公式推导较为复杂，部分实验主要以测试数据为主，实验现象不能直观地用图示表示，这会降低学生对待实验的兴趣。为改变这一现象，在后续的课程中计划提高信息化与实验的结合度。一方面利用信息化构建远程实验平台，学生可以利用碎片化的时间远程完成实验；另一方面在实验中引入利用计算软件搭建半导体物理实验课程仿真平台虚拟仿真平台，可以为抽象型的实验以及受设备影响无法在实体实验室完成的实验提供良好的平台，以此作为实验教学的辅助工作［15］。

五、结语

教学课程是将人才培养目标落实到执行层面的关键要素，而课程改革是提升人才培养质量的主要推手。“半导体物理实验”教学改革主要以产教融合为主要抓手，根据产业对人才的需求更新了实验内容并优化了实验教学平台，实现实验教学与产业需求的无缝接轨；以信息化技术为载体，在实验教学中采取“线上+线下+线上”混合的实验教学模式，提升学生的自学能力以及理论联系实际解决实际问题的能力；以课程目标为导向，注重过程形成性指标考核，构建综合的实验评价体系，实现学生实验考评的科学化。实验课程经过多年的教学改革实践，取得了良好的教学效果，已经逐步应用到相关的实验课程教学中，实验中心的教学质量明显提高。

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