电子封装专业虚拟仿真实验平台的构建及应用

姚旺 吴欣 杨海峰 钟博 王华涛

摘要：在卓越工程师教育培养计划的引领下，以培养工程实践能力和创新能力为目标，利用虚拟仿真助力实践教学改革，探索虛拟仿真技术电子封装技术专业实验教学中的应用，促进学科发展。采用虚拟仿真技术搭建贴近行业现实，涵盖基础、专业和创新实验模块的虚拟仿真实验平台资源，通过虚拟实验与现实实验的有机结合，有效提升学生的实践和创新能力，巩固学生的专业知识，丰富实践教学培养模式，切实提高实践教学质量，培养满足社会及行业企业需求的领军人才。

关键词：电子封装专业;  实验教学;  虚拟仿真技术

中图分类号  G642.0                  文献标志码  A      DOI：10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.004

人才培养是工程教育的根本使命，但现今的工程教育体系依然存在工程师质量不高、“卡脖子”和核心关键科技人才缺口大、工程人才实践与创新能力不足等问题 [1，2]。教育部发布“关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见”，公布首批未来技术学院，号召高等学校深化工程教育改革，以产业需求为导向，将专业发展前沿成果以及最新要求融入人才培养方案和教学过程，培养创新型工程领军人才 [3，4]。

哈尔滨工业大学校长，中国科学院韩杰才院士指出，高等教育需“深刻把握新一轮科技革命发展态势，瞄准科技制高点超前布局、动态优化学科设置，有的放矢培养国家战略人才和急需紧缺人才”[5]。围绕国家战略及地区发展需求，哈尔滨工业大学（威海）发布“哈工大新工科‘Π型方案”，强调了“专业+行业”的培养目标，大力推进校企协同育人机制，为国家培养能够解决复杂工程问题并把握产业发展脉搏的创新实践型人才[6]。在教学中，要求深化实践型育人机制，充分发挥实践教学在培养学生创新能力和综合素质等方面的重要作用，合理设计实践教学环节，加大实践活动种类，加强综合型、研究型、创新型实验项目建设。

电子封装属于“新一代信息技术产业”，是以集成电路制造应用为目标的交叉学科，涵盖互连、封装及测试等多个领域，旨在培养面向未来技术和产业发展的复合型人才 [7]。为了提升学生的创新能力和工程实践能力，电子封装技术系将课堂教育贴近行业需求，借助虚拟仿真技术助力实践教学改革，探索构建与“新工科”内涵相符的新型虚拟仿真实验平台，培养学生对专业技术的立体化认知，实现产业需求、课堂教学与实践活动的有机结合，为国家战略需要提供人才保障。

1  虚拟仿真在实践教学中的实用价值

1.1 实践教学存在的问题

创新实践型人才的培养，需要充分发挥实践教学在培养学生创新能力和综合素质等方面的重要作用，合理设计实践教学环节，加大实践活动种类，加强综合型、研究型、创新型实验项目的建设[8，9]。集成电路制造和微电子封装设备投资巨大，产业升级快，与其他高校面临的情况类似，电子封装实验室设备更新换代缓慢，限制了学生对所学理论的实践应用，也影响学生对现实生产的正确认知 [10，11]。产教结合机制虽然在一定程度让学生接触产业链条，但高洁净需求的工作环境、昂贵且需持续工作的生产设备，使得企业不允许学生进行较高参与度的实践操作。且封装工艺实验中形成的各种互连结构隐藏在芯片内部，又无法通过实时观测达到直观的认知，也就使学生难以掌握真实、完整的实验过程 [12]，极大影响了实践型人才的培养。

1.2 完善实践教学的新途径

基于现代信息技术的虚拟仿真实验是在网络、计算机与多媒体技术基础上，将现实环境和真实实验内容进行高度的仿真与集成的新技术，新方法，其构建的虚拟实验具有交互性强、操作性好的特点，被认为是完善实践教学的有效途径[13，14]。推进“虚拟仿真实验教学2.0建设”被明确列入教育部高等教育司工作要点[15]。

在电子封装技术系的实践教学中，利用虚拟仿真技术构建贴近现实的生产和实验场景，打造直观形象的仿真实验内容，为学生提供全新的实践技能培养手段和更多的实验操作机会，提升学生的动手能力、知识运用能力和创新创造能力。虚拟仿真技术与现实实验的有机结合，可以完善实验教学体系建设，保证教学内容先进性和系统性，对健全电子封装技术创新实践教学质量保证体系具有重要意义。

2  虚拟仿真实验平台的构建思路

根据培养方案，挖掘产业发展需求，聚焦能够巩固专业知识、体现行业特色的优秀实验内容，发挥虚拟仿真技术高度仿真和高度逼真的优势，还原当前产业的专用设备、装备以及模拟真实的场景，搭建“虚实结合，互为补充”的虚拟仿真实验教学训练平台，让学生最大限度的体验现实生产环境，多角度理解专业知识，并在操作训练中养成良好的实验操作习惯，熟练实验操作流程和实验数据的处理方法，完成实验报告撰写。虚拟实验平台设计的实验流程与结果，可以在实体实验室得以验证，而对实体实验无法演示的内容，又可通过虚拟仿真实验得以实现，进而强化学生对专业知识的深层认知，为创新型人才培养起到较好的支撑作用。

针对贯穿学生整个专业教育过程的实践培养内容，以校内实验资源以及在企业实习资源为参考，基于虚拟实验操作及虚拟仿真实验教学项目，形成了创新实践人才培养的“三模块、五层次”的虚拟仿真实践能力培养平台，架构如图1所示。

突出“行业+专业”的一体化实践教学新理念，让学生沉浸式体验实际生产场景的同时，采用“理论学习-虚拟仿真实验平台操作-真实操作”递进式的实践培养模式，更好的提升学生的专业素质和实践能力。通过在虚拟仿真实验中植入角色、旁白、提示、通关游戏考核等模块内容，构建出功能多样、内容丰富、运作高效的虚拟仿真实验教学平台资源，增加训练的趣味性，以便更好的提升学生的专业素质和实践能力。

3  虚拟仿真实验平台的应用

3.1 基础课程实验教学模块的应用

基础课程实验教模块主要针对低年级的学生，包括基础实验、实验安全知识和仪器设备操作等内容，与基础课程系列实验以及认知实习相对应。让学生在初次进入实验室前，通过该模块了解基本的物理、化学以及材料学实验内容，进行有关基础安全知识、仪器操作原理、实验流程等的操作练习，增加学生的操作机会和熟练程度，培养良好的实验操作规范和安全意识，强化理论知识和实践技能的结合与应用。教师可通过模块中对学生评测的统计结果，科学的掌握学生的接受程度，进而强化学生的薄弱环节，达到监控、评价和指导的多重结合，进一步提升学生的实验操作水平，为真实实验打下较为坚实的基础。在完成训练并通过考核的基础上，再进行真实实验操作，极大提升学生的动手能力，提高实践教学的质量。

3.2 专业课程实验教学模块的应用

专业课程虚拟仿真实验模块为高年级学生提供针对微电子制造技术、微纳连接原理方法和电子封装可靠性等专业核心课程的包括芯片贴装、互连及可靠性测试的虚拟仿真实验内容，并为课程设计和毕业设计提供综合设计型实验的虚拟仿真演示及训练内容，图2为专业课中贴片制程的虚拟仿真实验。

专业课教师可以提前布置虚拟仿真实验作业。通过程虚拟仿真实验的培训，让学生了解实验设备结构组成，明确实验目的和原理，熟悉实验流程和操作步骤，更好的巩固专业理论，了解行业前、后端制造的过程。在虚拟实验的考核通过后，再进行实体实验。此时可以运用虚拟实验培训中获得的操作能力、设备知识与数据处理的经验，更好、更熟练的完成真实实验操作；反过来，专业课程真实实验中的突发问题也能弥补理想化虚拟操作的不足。这种虚实的有机结合，可以有效的提升学生的专业素养及操作技能，激发学习兴趣，培养创新实践能力。

此外，在课程设计和毕业设计阶段，有相关需求的学生还可以选择综合设计类实验，该训练部分聚焦以叠层芯片、倒装芯片及球栅阵列为主的系统级先进封装制程，突出体现电子制造-封-测一体化的行业趋势，提供包括硅压力传感器制备、先进封装的热管理及叠层芯片封装流程的虚拟仿真实验资源。以叠层芯片封装流程为例，该虚拟仿真实验主要介绍倒装芯片的优势特点以及硅通孔的制备技术，技术难题，并让学生从封装材料中进行选择，完成封装操作流程。通过培训可以让学生更直观的感悟先进的微制程技术，思考相关的原理及方法，分辨理论设计与现实应用存在的差异，培养学生的创新意识。

3.3 创新创业实验教学模块的应用

针对当前学科竞赛、科技创新及创业实践项目，创新创业虚拟仿真模块可为有余力的学生提供案例训练和实验操作两大类虚拟仿真实验培训，培养学生进行科技创新创业的综合能力。案例训练可对学生进行协作与管理、大赛体验及心里等方面的训练，用成功参赛案例，让学生接触创新性思维，重视团队协作，熟悉竞赛流程，体验创业项目从创意到创立的过程，发现自身专业知识、创新素质以及心理承受能力的优势与不足，积累赛事经验和培养应变能力。实操部分中，学生可以操作封装结构-热设计虚拟仿真实验和焊点老化界面分析的虚拟仿真实验，并结合有限元模拟软件对设计的封装结构进行自主性实验验证。再利用平台对学生关键决策点的捕捉、统计和反馈，让参与者掌握自身与平均水平的差距，有利于学生进行针对性训练，全方位提升自身工程实践能力，为竞赛和科研做好充分准备。

3.4  虚拟仿真实验平台的应用成效

目前，虚拟仿真实验平台已经应用在专业核心课和选修课程的实践教学中。学生普遍认为虚拟仿真实验的趣味性高，通过平台的培训，动手能力、解决问题的能力都有一定的提升，尤其对自己的专业素养更自信，对行业需求了解更深入。电子封装虚拟仿真平台当前已完成材料学院多轮约430人次的安全知识培训，辅助学生完成了年度项目、挑战杯、光威杯等校级、国家级科创比赛，强化了学生的实践能力和技术实力，接连在实践技能大赛中斩获佳绩。尤其在疫情时期，虚拟仿真实验教学平台让学生在仿真的操作环境下，获得多环节的实践训练操作技巧，保证了特殊时期实践人才的培养质量。

未来电子封装技术系将与更多的封测龙头企业建立优势互补，深化虚拟仿真实验的应用，构建更完善的实验内容和考核模式，探索校企协同育人机制下的虚拟仿真平台的共享模式，为更多的师生和企业服务。

4  结束语

以满足社会需求及产业发展为根本出发点，以提高人才培养质量为目标，将虚拟仿真技术与实体实验互相结合、互为补充，构建“三模块、五层次”的虚拟仿真实验教学培训平台，让学生在开放、自主和交互的虚拟环境中开展高效、安全、经济的实践训练，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，拓展实践领域和模式，丰富教学内容，有利于更好的培养引领产业变革的创新型卓越工程人才。

参  考  文  献

[1] 楊冬，林健.五大卓越：——以普渡大学为例[J]. 现代大学教育. 2023，39（06）： 60-71

[2] 裴钰鑫.新工科背景下未来技术学院建设路径思考——以行业特色高校为例[J]. 中国多媒体与网络教学学报（上旬刊）. 2023（10）： 88-91

[3] 潘旭东，林森，曾昭阳，等.基于五位一体实践育人模式的新工科新工训——以哈尔滨工业大学工程创新实践中心为例[J].高教学刊，2021，7（25）：6-10.

[4] 石素君，赵修臣，李红，等.面向卓越工程师人才培养的校企协同育人实践教学改革与探索[J].实验科学与技术，2022，20（6）：98-102.

[5] 韩杰才.响应时代需求 推进卓越工程师培养的供给侧改革[J]. 学位与研究生教育，2022，11：1-8.

[6] 胡兴诚，周欣，徐平.数学建模助力哈尔滨工业大学化工专业“新工科”建设[J].大学化学，2023，38（11）： 22-28

[7] 王尚，冯佳运，张贺等.集成电路学科建设背景下电子封装技术专业人才培养探索与实践[J]. 电子与封装. 2023，23（07）： 37-43

[8] 李仲，夏旭東，孙丹，等.新工科背景下化工虚拟仿真实践教学体系的构建[J].当代化工研究，2023，2：153-155

[9] 张光远，何必胜，鲁工圆，等.交通运输类虚拟仿真实验教学体系的构建与实践[J].实验室研究与探索，2023，42（2）：165-169.

[10] 刘东静，周福，刘利孙.项目导向型教学在电子封装技术专业课程教学中的应用[J].学园，2022，15（18）：12-14.

[11] 石素君，李红，赵修臣，等.基于“新工科”的电子封装技术实验教学改革与探索[J]. 实验技术与管理. 2023，40（S1）： 29-33

[12] 简刚，郭宇航.电子封装技术本科核心专业课网络平台教学改革与实践[J]. 创新创业理论研究与实践，2021，4（22）：34-36.

[13] 翟逸飞.电子技术虚拟仿真实验平台的开发[J].高教学刊，2023，7（9）：90-93+98.

[14] 王玲玲，姜丽娜，富立. 任务驱动的虚拟仿真实验教学研究 [J]. 实验科学与技术，2022，20（6）：194-195+198.

[15] 葛培波，毕继东.创新创业仿真实验虚拟教研室建设的探讨 [J]. 教育教学论坛， 2023，4：112-115.

.

基金项目：山东省教育厅本科高校教学改革研究项目（M2020168）；山东省教育厅本科高校教学改革研究项目（M2022276）

作者简介：姚旺（1978 - ），女，博士，讲师，主要从事碳材料制备及应用方面的研究。

通信作者：钟博（1981-），男，博士，教授，主要从事碳材料制备及应用方面的研究