段小玲 许晟瑞 王树龙

[摘 要] 近年来国家快速发展的半导体产业，对高校高新技术人才培养提出了更高的要求。通过分析目前微电子教学模式中存在的主要问题，结合产学研融合的教育理念，有针对性地提出“紧随时代，负芯前行”的前沿下沉式实验教学模式，在实验体系、教学内容和实训平台等多个方面展开改革探索，依据产学研融合的教育理念，使人才发展、研究创新与产业前沿高效融合、协同发展。改革后的教学模式显著拓宽了学生的认知领域，提升了学生的综合能力。

[关键词] 半导体产业;实验教学;产学研融合

[基金项目] 2019年度教育部高等教育司第二批产学合作协同育人项目“以创新人才培养为导向的微电子实验教学改革与实践”（201902270029）

[作者简介] 段小玲（1988—），女，陕西西安人，工学博士，西安电子科技大学微电子学院讲师，主要从事宽禁带半导体材料与器件研究;许晟瑞（1981—），男，吉林公主岭人，工学博士，西安电子科技大学微电子学院教授，主要从事宽禁带半导体材料与器件研究;王树龙（1983—），男，山东临沂人，工学博士，西安电子科技大学微电子学院副教授，主要从事纳米器件与集成技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）19-0063-04   [收稿日期] 2020-12-04

半导体产业链是融合了材料制备、器件设计、器件加工与测试、集成电路设计和封装测试等技术的高端产业链，是信息技术产业的地基式的核心支撑产业，在国家经济发展中占据着越来越重要的地位。随着信息化时代的到来，世界范围内半导体行业的竞争日渐激烈。近年来接连发生了“中芯国际”和“华为”事件，这也标志着我国半导体行业遇到了前所未有的机遇与挑战，当前和今后一段时期是我国半导体与集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期。

为了主动适应严峻的国际形势，抓住现有的可能机遇，我国先后出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》（以下简称“若干政策”）等文件[1，2]，有力支撑国家信息化建设。2020年国务院印发的“若干政策”中指出了集成电路人才培养的重要性，强调要紧密结合产业发展需求及时调整课程设置和教学方式，加强集成电路专业师资队伍、实验室和实习实训基地建设，加强高校与产业融合发展，支持高校与企业合作联合培养集成电路人才。本论文旨在结合产学研融合的教育理念，从一线微电子实验教学改革出发，将人才培养、研究创新与产业输出高效融合，提出切实可行的“紧随时代，负芯前行”的教学改革方案，将实验教学与国际前沿相结合，将前沿下沉至微电子一线教学中，以期实现满足企业前沿发展需求的教学目的。

一、微电子教学模式中存在的主要问题

微电子教学包含了微电子基础课程、微电子相关实验与微电子行业实习，旨在培养具有微电子相关基础知识、实验能力与从业技能的创新型技术人才。随着半导体行业的发展，我国越来越多的高校建立微电子学院并开设相关课程。然而，大部分高校师资力量与学科建设尚处于薄弱状态，即便是成立已久的示范性微电子学院中也依然存在基础知识内容固化、实验教学脱离前沿、行业实习教学薄弱等很多问题[3，4]。半导体行业作为快速发展的行业，在短短几十年间经历了多代材料的发展与变革，其前沿性相较于大部分学科更具重要意义。从产业链顶端至教学基础底层，自上而下的前沿性缺失会致使在输出人才的自下而上的过程中出现能力与认知断层。深入剖析该问题并且针对问题提出切实可行的教学方案，才能够使教育模式逐渐完善。

（一）理论基础課程设置死板，教学形式固化

经过多年的教学探究与摸索，微电子专业的理论基础教育已经形成了从微观方面的量子力学、固体电子学和凝聚态物理到宏观方面的半导体技术、集成电路设计和集成电路封装与测试等全面的理论知识体系。但是目前的课程设置依然较为呆板固化，很多课程采用的教材版本落后[5]。以半导体器件的知识体系为例，仍旧是以硅基材料为主。但是近年来，随着宽禁带材料的发展与应用，电力电子器件、高功率开关和汽车电子等器件的发展，以氮化镓为代表的宽禁带半导体具备很多硅基材料不具备的特性，这些在硅基材料为基础的内容体系中是没有体现的。相应的实验教学内容和教学形式与迅速发展和更新的学科特性不匹配，仅以固化的基础实验教学内容进行理论验证，失去了前沿性、发展性和可探索性。不仅导致学生的学习积极性差，同时也使作为基础的理论知识教育在源头上失去了前沿下沉的平台。

（二）实验理论知识凌乱，不具备体系化和前沿拓展性

微电子学科是一门综合性的学科，涉及物理、化学和数学领域的诸多知识，因此实验的安排具有较大的工程量，现有的高校本科实验教学中存在着诸多问题。首先是实验理论知识介绍要么和理论课重复讲解，要么直接略过，学生实验过程中按照操作指南进行操作并得到固定的实验结果，实验教学内容缺乏理论知识和实践的融会贯通。其次，实验项目本身不够完备和体系化，很多实验仅仅停留在简单的操作和认知阶段，对于实验结果的分析和更多可能结果的探索没有指导和启发意义。除此之外，很多实验内容设置与教学方法停留在多年前较为古老的教学版本，呆板的内容设置要变更就需要将一些相关的前沿技术下沉到教学任务中，让实验内容在广度上拓展[6，7]。

（三）实验设备不完善，半导体行业认知教育薄弱，实习机会缺乏

虽然如今较多高校开设了微电子专业，但是由于半导体行业采用的外延薄膜生长设备，流片工艺相关的光刻机、等离子体刻蚀机等，以及半导体测试相关设备，如X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电镜（SEM）等均是价格昂贵的设备，大部分高校的实验设备都不完善，硬件实力较为薄弱，因此在安排本科生进行实验学习和实习时存在一定的困难。此外，高校教育与半导体集成电路产业的结合程度不够，行业认知教育缺乏，导致教学与产业脱轨。高校缺乏产业技术培训学习条件，与业内企业协同机制缺乏，学生缺少实训机会，缺乏实战经验。

二、教学模式改革方案

（一）理论基础课程设置和教学模式改革措施针对微电子实验教学中存在的理论基础课程设置死板、教学形式固化的问题，提出以下的改革措施：

1.在已有的理论知识体系中添加发展性的内容体系。已有教学内容已具备完善的知识体系与结构，在此基础上需灵活添加可发展的内容。以“半导体器件物理”的教学内容为例，现有的体系中包括了p-n结二极管、双极性晶体管、MOS场效应晶体管、功率器件等较为完整的知识体系。氮化镓的HEMT器件作为氮化镓材料的重要应用已经逐渐在半导体领域中崭露头角。可以在原有的晶体管课程体系中添加相应的氮化镓HEMT器件的内容，以此来完善和巩固现存的知识体系，同时实现前沿下沉的教育目的。

2.添加新课程，提供自主选课机制。除了在原有的教学内容中穿插前沿内容外，还可以以选修课的形式开设多门前沿课程，鼓励学生选择自己感兴趣的前沿课程。前沿课程的设置应该遵循由简至繁、由浅入深的内容设置原则，同时跳出传统教学模式的限制，开辟虚拟课堂、网络教学和社交软件公众号推送等多种方式结合探索，以新颖多样的形式达到寓教于乐、开阔眼界的前沿下沉教育目的。

3.设置学生为主的前沿新课堂，鼓励学生在教师指导下自主探索与研究。近年来，有很多高校开辟探索出了鼓励学生在课程大纲中探索发现、自主备课和公开演讲的方式，从学生的积极性和主动性等多个方面生动地开展了高效有趣的教学模式。由于快速发展的半导体行业同时又与生活息息相关，前沿新内容的信息较为丰富和容易获取，同时还可以大大激发学生的思考、组织和演讲等多项能力。因此，鼓励开设前沿新内容课堂，由学生在教师的辅导和组织下进行思考、整理、演讲及总结，从而在提升学生兴趣的同时更好地下沉前沿内容。

（二）实验体系化和前沿拓展性改革措施

针对实验体系存在的理论知识凌乱、前沿涉及不足的问题，采取以下改革措施：

1.完善实验的理论知识部分，提高实验内容的完整性。在实验内容设置上，不拘泥于介绍实验设备及其简要原理，应当给出较为详细的参考查阅的相关资料，以帮助学生更加有效地理解和认知实验的起源、发展和其中基本原理的发散性应用，在此过程中激发学生的实验兴趣，使其对微电子学科的学科交叉性有更进一步的体会。同时设置实验前的预实验报告，设置基于测试的原理、测试设备的类型和可能出现的测试结果做出预报告，最后在实验操作结束后进行两次内容的分析对比，以达到更为全面的认知。

2.建立体系化实验内容，增加前沿性探索实验。半导体行业不断发展，现有的实验体系中在实验理论部分应当做出革新，并简明系统地将该实验的衍生功能介绍完备。同时提倡增扩现有的实验内容，添加衍生实验。在实验结尾增设开放性实验，完成除了实验要求内容以外的探索性工作，形成自己的研究报告，以完备的实验体系激发学生的创新能力。

在完善實验内容建立系统实验体系的同时，将前沿内容下沉至一线实验教学中。我校实验中心在“椭偏法测量薄膜厚度”实验中，一直采用硅上二氧化硅样品，可以利用我院现有科研资源提供氮化镓、氧化镓和金刚石等材料用于测试分析，鼓励学生使用不同拟合方法计算薄膜厚度。在此过程中有效地促进学生对测试原理的进一步认知，同时对前沿新材料特性有所了解，在激发学生兴趣的同时，使得前沿材料与技术能够下沉至一线教学中来。

（三）完善实验设备、提升半导体行业认知教育并加强学生实习

由于微电子实验设备昂贵、实验教学成本高，使得很多高校实验设备种类少、设备台套数不足，可同时开设的实验项目受限，同时学校对学生的半导体行业认知教育缺乏，学生缺少实训经验。为解决这些问题，提出以下改革方案：

1.整合教育资源，化零为整，提升教学条件。针对部分高校实验条件薄弱的缺点，整合地方的教育资源，加强合作，成立相应的协作组织，如建立实验协作教育中心，整合各处优质资源，使学生在实验教学过程中能够有机会接触到更为优越的设备和实验环境。同时可以整合各处的师资力量，开设视频课程，将优秀的实验教学以视频的形式共享，在提升实验教学水平的同时完成优质资源的共享与整合，如慕课资源，我校充分利用中国大学生慕课网优势资源，课前推送给学生供课前预习，同时将本校半导体物理实验和半导体工艺检测实验的教学资源上传至慕课网以方便其他高校使用。

2.加强虚拟实验室的建设，充分利用现代化技术搭建在线实验平台。随着网络技术的发展，大数据与人工智能的应用已经惠及生活各处。高校可以开发在线实验平台，做到可视化的实验原理分析，可远程操控的虚拟实验操作，同时可进行在线评判和分析。提供便捷有趣的学习体验，同时有效解决实验设备不完善的弊端，将前沿高端设备下放至网络虚拟平台，实现紧随前沿的目标，并实现资源的校内外开放共享。

我校微电子学院成立了集成电路设计与制造虚拟仿真实验中心，秉承“科学规划、学科引领、丰富资源、校企联合、开放共享、持续推进”的路线，推动集成电路实验教学的改革与创新。中心构建了3大实验系统9个虚拟仿真实验平台，组织开发了50余个虚拟仿真实验项目，极大地支撑了微电子及相关学科人才培养。

3.加强校企合作，重构实验平台，提供企业认知与实习机会。高校是为企业提供高新技术人才的重要基地，企业应加强与高校的多层次合作。采取校企合作建立联合实验室，企业提供实习就业的岗位，学校为企业开启特定指向性招聘通道和设置人才联合培养计划，从而实现由学校向产业的过渡衔接。校企联动能够以前沿产业需求为引力提升教学研究水平，而教学研究可以为前沿产业提供具有创新性的发展方向与前景。在双向良性激励的氛围下，使得高校教育与半导体行业人才培养得到长足的进步与发展[8-10 ]。

我校集成电路实验示范中心与国内外各研究机构及企业建立了良好的关系，中心所具备的软硬件条件和师资力量也受到业界的广泛认可及高度评价。目前，国内外多家知名企业，如Intel、AM、华为等，已在中心设立专项奖学金，与Intel、NI、Cadence、泰克等国际领先半导体相关企业合作共同建立了校内联合实验室[ 11 ]。另外，实验中心近两年与泰克公司共同改革重构的联合实验室一期建设工作已经结束，实验设备仪表与产业接轨，实验内容重构和实验改革效果显著，具体改革的实验平台和实验室效果如图1所示。此外，与国内华为海思、中兴微电子、美光半导体有限公司等知名企业共同建立了校外实训基地，为微电子与集成电路应届生提供企业工程实践训练，显著提高了学生的工程实践能力。

三、結语

在当下产学研相互促进融合发展中，前沿下沉式教学探索犹如一剂强效的催化剂，将产学研更为紧密地结合，同时也赋予了高校教育更为敏感的时代嗅觉，培养出综合素质高、实践能力强、具有创造力的高新技术人才。我们还将继续面对教学改革中可能遇到的问题，随时关注与思考，在国家大力推进高新技术发展的攻坚时期，在教育一线不断加强学科建设，创新教学方法，建立更加完善的微电子产业人才培养体系，为国家经济稳定发展提供强有力的中坚力量。

参考文献

[1]国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》（全文）[J].集成电路应用，2014（7）：6-8.

[2]国务院关于印发新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知[EB/OL].（2020-08-04） [2020-11-10].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2020-08/

04/content_5532370.htm.

[3]谢宁波，高健超.微电子基础实验课实践教学改革研究[J].科技视界，2018（9）：53-54.

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[6]段小玲，许晟瑞.半导体工艺检测实验教学改革与研究[J].高教学刊，2020（11）：114-117.

[7]刘红梅，王璐，艾春鹏，等.新形势下微电子工艺实验教学改革研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2019（9）：55-56.

[8]郑家茂，吴涓，雷威.东南大学创新创业培养体系的构建与实现[J].中国大学教学，2014（10）：30-35.

[9]张志强，黄晓东，宫照军.产业需求导向的微电子人才培养模式研究[J].电气电子教学学报，2020，42（5）：6-10.

[10]徐骏，王自强，施毅.引领未来产业变革的新兴工科建设和人才培养——微电子人才培养的探索与实践[J].高等工程教育研究，2017（2）：18-23.

[11]冯晓丽，张进成，郑雪峰.面向国家急需，构建“三位一体”集成电路人才培养模式的改革与实践[J].电子元器件与信息技术，2019，3（11）：122-125.

“Following the Times， Moving Forward with the Development of Chip”： The Reform Exploration of Experimental Teaching

DUAN Xiao-ling， XU Sheng-rui， WANG Shu-long

（School of Microelectronics， Xidian University， Xian， Shaanxi 710071， China）

Abstract： The rapid development of semiconductor industry has put forward higher requirements for the cultivation of high-tech talents. By analyzing the main problems existing in the current microelectronics teaching model， and combined with the educational concept of industry-education-research integration， this paper puts forward the frontier and immersive experimental teaching model of “following the times， moving forward with the development of chip”， that puts the frontier content into teaching， and carries out reform and exploration in many aspects such as the experimental system， the teaching content and the practice training platform. With the educational concept of industry-education-research integration， we try to realize the efficient integration and coordinated development of talent development， research and innovation and industrial frontier. The reformed teaching model has significantly broadened the cognitive field of students and greatly improved their comprehensive ability.

Key words： semiconductor industry; experimental teaching; industry-education-research integration