[出处] 教育教学论坛_2021年第48期

张贺 孙显龙 于慧

[关键词] 集成电路;验证性实验教学;探索性实践教学

[基金项目] 2020年度辽宁省教育厅基础研究基金“以微悬臂为核心的‘微-宏’一体化生化检测芯片设计与实现”（LJGD2020014）

[作者简介] 张 贺（1981—），男，辽宁沈阳人，博士，沈阳工业大学信息科学与工程学院副教授，博士生导师，主要从事微机电系统研究。

[中图分类号] TN710-4;G642    [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）52-0137-04   [收稿日期] 2021-04-22

一、引言

以电子科学与技术学科为基础的集成电路设计、制造、封装、测试及应用是目前全球信息技术产业的核心，也是今后相当长一段时间内支撑经济社会发展、促进产业结构转型、保障国家战略安全、提高国际竞争力的重点领域[1，2]。我国的集成电路产业自20世纪60年代诞生以来，历经“军工配套”“进口二手”“突破攻关”等发展阶段后，已经走上了快速发展道路。进入21世纪以来，随着“中国制造2025”“互联网+”“国家集成电路产业推进纲要”等一系列重大战略措施的出台，我国集成电路产业快速发展，涌现出一批具备一定国际竞争力的优秀企业。以华为海思为代表的电路设计公司整体实力显著提升，已具备一定国际竞争力;以中芯国际、上海华宏为代表的芯片制造企业，已成功实现14nm芯片量产;以中微半导体、沈阳芯源等为代表设备制造公司，部分核心产品已被国内外生产线大规模采用;以南通华达、天水华天等为代表的封装测试企业，技术也正在逐步接近国际先进水平。然而，我国的集成电路产业仍然存在自主知识产权技术缺失、产业链各环节不能协同发展、科研院所创新能力薄弱、高校人才培养与市场需求脱节等突出问题[3，4]。上述问题导致我国集成电路产业的整体发展水平与先进国家（地区）相比依然存在较大差距，高端芯片、传感器仍然大量依赖进口或国外代工厂生产，经常面临限购、断供甚至禁运的威胁，难以保障经济社会的有序发展，也无法形成对信息安全的有力支撑。

作为全球最大的芯片进口国，受到新冠肺炎疫情和以美国为首的发达国家技术封锁的影响，我国集成电路产业正加速进入重大调整变革期。一方面，我国拥有全球规模最大的集成电路市场，在5G移动智能终端、人工智能、云计算、物联网、大数据等新业态引领下，芯片需求量呈爆发式增长;另一方面，2019年我国芯片的自给率仅为30%，而中国企业在全球供应链的占比仅为5%，且以技术含量较低的分立器件为主[5，6]。突出的供需矛盾使我国集成电路产业发展既面临巨大的挑战，也迎来难得的机遇，如何充分发挥市场优势，营造良好发展环境，激发企业活力并带动产业链协同发展，努力实现集成电路产业跨越式发展是“十四五”规划及今后更长一段时间内需要持续关注的问题[7，8]。

二、课程现状分析

产业和技术的发展需要以人为本，近年来国内大学已把培养集成电路行业相关人才列为重要发展目标，从课程设置到实验内容都进行了不同程度的改革，努力填补行业人才缺口[9，10 ]。尽管如此，很多高校的教学内容依然落后于“摩尔定律”推动下的技术进步，导致教学效果与集成电路行业对高层次领军、骨干专业和熟练技术等各类人才需求仍存在较大差距。可见，健全电子科学与技术专业人才培养体系，针对国内集成电路产业现状及高速、可持续发展趋势，培养出能满足需求的新一代创新型集成电路人才，是摆在高等教育工作者面前的一份全新试卷。

电子科学与技术专业是典型的工科专业，不仅需要各层次毕业生具备扎实的理论基础、深厚的专业修养、开阔的思维方式，同时还要求灵活的知识应用能力、熟练的实际操作能力和出色团队协作能力。上述能力仅凭课堂教学无法获得，必须借助由基础实验、专业实验、课程设计、生产实习和毕业设计构成的完善实践教学体系，让学生加深对专业基础课和专业必修课的理解、提高动手能力的同时，学会融会贯通和创新应用。

沈阳工业大学电子科学与技术系成立已有数十年历史，专业实验室规模及设备经过多年积累已初具规模，其中主要设备包括：磁控溅射设备、CVD化学气相淀积系统、光刻机、扩散炉、氧化炉、超声压焊机、烧结炉等，上述实验设备不仅能够为本科教学工作提供有力保障，也为研究生毕业设计和各类创新、创业项目提供了有力的支持。不过在“摩尔定律”的驱动下，为不断提高半导体芯片的集成度和良品率，追求最大化的经济效益，各类生产、实验及测试设备的发展也日新月异，各类微电子设备不仅价格高昂，使用和维护费用也不菲。可见，在我国高校办学经费主要以政府投入的背景下，建立能够紧随行业技术进步的实验室，并开展大规模实践教学活动显然是不现实的。因此，必须结合本专业实验室教学资源的具体情况，依托学院、学校的教学资源共享平台，借助虚拟现实技术等先进手段，建立分层次的实验、实践教学体系，探索一条适合本专业现状的“新工科”人才培养之路。

三、实验、实践教学改革探索

为适应新形势下集成电路专业人才培养要求和解决当前实践教学过程中存在问题，可以把实践教学分为验证性实验和探索性实践两大类。验证性实验与课堂教授的理论知识紧密联系，其的目的是帮助学生加深对半导体器件原理的理解，掌握器件典型技术指标的测试方法，熟悉PN节、MOS管等基础器件的生产工艺，为继续深造学习或后续工作应用打下良好的基础。探索性实践则是依托学院现有的省级实验平台、专任教师科研项目或各级各类竞赛，将微电子器件的设计、优化、验证、制造和测试等环节互相衔接，丰富和拓展学生的自主知识体系，吸引学生主动进入实验室，激发学生的创新精神。如此设置的实践教学分级、分层次教学体系，不仅有助于摆脱电子科学与技术专业和以其为基础的微电子、集成电路等相关领域毕业生“进不了门、动不了手、上不了线”的尴尬局面，还能够结合学生的职业发展规划，分層次培养出可适应行业内不同需求的人才。

在驗证性实验课程的设计方面，改革首先以“微电子基础实验”为抓手进行试点。“微电子基础实验”是电子科学与技术专业，集成电路方向重要的验证性基础实验课程，也是学生首次接触到的专业实践类课程。原有“微电子基础实验”课程简表如表1所示。

以上实验与“半导体器件物理”“半导体器件原理”等学科主干课程相辅相成，但部分内容已经落后于当今技术发展，所用的实验测试方法或测试仪器已不再是当下的通用或主流技术，与行业发展方向脱节。因此，需要针对新形势下的人才培养需求进行升级与改革。虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为基础，结合图形、图像处理、仿真和电子信息等技术，利用生活中的真实场景作为基础数据，模拟人的视觉、触觉、嗅觉等感知体验。采用VR技术的微电子基础实验项目，可以通过调用数据库中预存的工艺、材料信息，按照自己设计的器件版图模拟制备过程。最后通过设备扩展的虚拟仪器功能实现对最终器件的测试，实现一个完整的闭环生产流程。目前基于VR技术可完成虚拟实验课程如表2所示。

基于VR技术的虚拟实验能够让学生参与到PN节、MOS管等器件从晶圆氧化开始到性能测试的全流程，使学生在本科阶段就能够接触到半导体器件制备的核心技术，以弥补“半导体器件原理”“微电子工艺基础”等课程在讲授过程中的理论局限性和抽象性。激发学生对集成电路生产制备技术的兴趣，为从根本上改变目前我国微电子行业重视设计、忽视制备和加工的现状，早日突破国外企业的技术封锁尽一份绵薄之力。

在探索性实践课程方面，本专业教师多年来一直在“大众创业、万众创新”精神的指引下开展各类创新实验、实践项目的教学和科研工作。在教学大纲中原有课程设计、生产实习和毕业设计等环节的支撑下，紧跟现阶段国家行业发展规划，借助全国大学生集成电路创新创业大赛、天华杯全国电子设计大赛等赛事的东风，以服务东北地区老工业基地与制造业升级为目标，逐步推行探索式实践教学模式。探索式实践课程的核心思路包括以下几点。

1.探索学生在学院甚至是学校内部跨专业选修实验课程。跨专业甚至跨学院选修实验课程能够打破专业壁垒，帮助在学生构建更为完善的知识体系的同时，促进学生对相近或相关专业的了解，也提升了学生团队协作能力。

2.改进实践课程的命题及考核方式。探索类实践课程的考核应朝着更贴近企业生产或创新应用的方向推进。逐步以开放式命题为主，锻炼学生依靠团队的力量分析解决复杂实际问题的能力，降低理论公式、操作规范等内容在考核结果中的比重。

3.摸索学分置换式的实践教学新形势。联合校外实践、实习基地及与本专业有人才培养协议的企业，将大四年级待毕业的学生送往相关企事业单位，进行为期3～6个月不等的校外实践实习。实习结束后，企事业单位将按照各自的新员工入职培养考核办法，对学生进行相关能力测试，并给予成绩。该成绩可与校内选修课或实践类课程进行置换，以期在满足培养方案要求的基础上，最大限度地迎合行业企业实际学期，缩短毕业生的就业适应期。

四、结语

本文分析了在新冠肺炎疫情和国外技术封锁双重困局下，高校电子科学与技术专业面临的挑战与机遇，旨在以此为基础在“以本为本”和“新工科”建设办学理念下，探索渐进式实验、实践教学模式。针对国内集成电路行业对不同层次人才的需求，以提高毕业生动手能力和创新精神为目的，对传统实验、实践教学环节进行分层次改革试验。