微电子科学与工程本科教育中实践与理论相结合模式探究

［摘           要］  微电子科学与工程作为现代科技领域的一个关键学科，其本科教育极其重要。通过深入探讨微电子科学与工程本科教育中实践与理论相结合的模式，旨在分析如何更好地培养学生的综合能力，提高他们在微电子领域的竞争力。首先介绍了微电子科学与工程的背景和重要性，然后详细讨论了实践与理论相结合的教育模式的理论基础，接着以混合信号集合电路设计为例详细分析了实践与理论相结合的教育模式，最后提出了进一步优化和改进本科微电子教育的建议，以更好地适应快速发展的微电子领域的需求。

［关    键   词］  微电子科学与工程；本科教育；实践与理论相结合；综合能力；教育模式

［中图分类号］  G642                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）35-0141-04

微电子科学与工程是现代科技领域中最为重要和前沿的学科之一。微电子技术的快速发展不仅改变了我们的生活方式，也推动了社会和经济的发展。因此，培养高素质的微电子科学与工程人才是至关重要的。本科教育是培养这些人才的关键环节之一，而实践与理论相结合的教育模式被认为是有效培养微电子科学与工程学生的重要途径。微电子教学除了在课堂上进行理论授课以外，强化学生的动手实践能力也是重要的教育教学目标之一。

本文将深入探讨微电子科学与工程本科教育中实践与理论相结合的教育模式，分析该模式对学生综合能力的培养和微电子领域竞争力提高的影响，分析实践与理论相结合的教育模式的理论基础，调查该模式在微电子本科教育中的应用现状和效果，提出进一步优化和改进本科微电子教育的建议，以更好地适应微电子领域的需求。通过深入研究微电子科学与工程本科教育中的实践与理论相结合模式，可以为提高本科教育的质量和效果，培养更多的优秀微电子科学与工程人才提供有益的参考和借鉴。

一、微电子科学与工程教育的背景和重要性

微电子科学与工程涉及微观电子元件和电路的设计、制造和应用。它是现代电子技术和信息技术的基础，广泛应用于计算机、通信、医疗、能源等领域。微电子技术的不断创新推动了各行各业的发展，为社会发展带来了巨大的经济效益和社会福祉。

《华盛顿协议》是国际上最具影响力的工程教育学位互认协议。2016年6月2日，我国在马来西亚首都吉隆坡举办的国际工程联盟大会上全票通过加入《华盛顿协议》，这意味着我国的高等工程教育水平在国际上被认可。也说明我国通过工程教育认证的本科毕业生，可以在一些较为发达的国家获得相应的工程师执照。这提升了我国相关工程专业国际上的影响力[1]。

然而，微电子科学与工程领域也面临着巨大的挑战。技术的快速进步要求工程师和科学家具备创新精神、跨学科合作能力和问题解决能力。此外，微电子领域的竞争也日益激烈，要想在这一领域取得成功，不仅需要扎实的理论知识，还需要实际操作和实验技能。结合我国的发展现状和当今时代的特点，学习和运用辩证唯物主义世界观和方法论，要学习掌握认识和实践辩证关系原理，坚持实践第一的观点，不断推进实践基础上的理论创新。因此，微电子科学与工程本科教育的质量和效果对于培养优秀的人才至关重要。

二、实践与理论相结合的教育模式的理论基础

（一）实践与理论相结合模式的意义

为贯彻落实《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》精神，教育部启动实施了“六卓越一拔尖”计划2.0，大力推进新工科、新文科、新医科和新农科建设，完善协同育人机制，加强理论教学与实践教学融合的一体化平台建设。理论教学与实践教学深度融合是教育教学的基本规律，是新时代教育改革发展的要求[2]，也是世界格局变化的要求。实践与理论相结合的教育模式有助于学生综合能力的培养。学生不仅仅是理论知识的接受者，还能够运用所学知识解决实际问题，坚持理论指导和实践探索的辩证统一，实现理论创新和实践创新的良性互动。我们学习理论知识，不是为了学习而学习，而是为了解决实际问题。只有把理论与我们的工作实际相结合，理论认识才能发挥它应有的作用。

微电子科学与工程领域的就业市场竞争激烈，竞争上岗的微电子工作者获得的回报参差不齐，对于优秀的员工，公司愿意付出较高的报酬。有了较强的理论知识基础还不够，还应该将理论知识基础用于实践中，实践是检验理论认知的唯一标准。在择业过程中，相同学历与专业的两个人，有实践经验的往往具有一定的就业优势，由此可以看出用人企业对实践能力的重视程度。因此，拥有实际操作经验的毕业生更容易获得就业机会，这对推动实践基础上的理论创新提出了更高的要求。实践与理论相结合的教育模式使在校学生在毕业后能够迅速适应工作环境，提高他们的就业竞争力。

（二）实践与理论相结合的教育模式的理论基础

实践与理论相结合的教育模式基于多种教育理论，其中包括建构主义、行为主义和认知心理学等。建构主义理论强调学习者通过积极参与和建构知识来学习，实践与理论相结合正是为了促进学生的积极参与和知识建构。行为主义理论强调学习是一种反应和条件反射的过程，而实践则可以帮助学生形成正确的行为反应。认知心理学理论关注学习者的思维过程和知识获取方式，实践与理论相结合可以提升学生的思维深度和创新能力。

（三）实践与理论相结合的教育模式的教育心理学基础

教育心理学研究了学习和教育的心理过程，对于实践与理论相结合的教育模式具有重要的指导作用。在微电子科学与工程本科教育中，学生需要掌握复杂的电子原理和技术知识，而教育心理学可以帮助教师更好地理解学生的学习需求和心理特点，有针对性地设计教育活动。学习过程是复杂的过程，教师需要持续不断地发展自身的教育技能和教学方法，以适应一般和特定的教育目标，并确保教育过程能够成功地实现教育目标。教育心理学除了关注学习和教育的过程外，还关注教育过程的要素。它也可以定义为理解教育大纲，对教育过程中出现的人类行为的研究和科学理解。

三、微电子科学与工程本科教育的实践与理论相结合模式：以混合信号集合电路设计这门课程为例

（一）课程设置

微电子科学与工程本科教育中，课程设置是实践与理论相结合的关键。除了传统的理论课程，还应该设置实验课程、项目课程和实习课程等，实践性课程是微电子科学与工程本科教育专业课程体系的重要组成部分，它担负着提高学生操作技能的重要担子，对于提高微电子专业学生的综合素质能力非常有益。推进理论教学与实践教学深度融合，就是要防止理论教学与实践教学相脱节，以便学生能够将理论知识应用到实际中去。这些实践课程或者学时设置还可以帮助学生培养实际操作技能和解决问题的能力。

（二）教学方法也是实践与理论相结合的教育模式的核心

在微电子科学与工程本科教育中，教师可以采用案例教学、小组讨论、项目导向教学等方法，鼓励学生积极参与，培养他们的合作能力和创新能力。班级人数不宜过多，采用小班教学较为适宜[3]，毕竟教师的精力有限，班级人数过多则不容易照顾到每一个人。而且班级人数过多，对小组讨论、后续实践课程部分都会造成一定的影响。以本校“混合信号集合电路设计”这门课程为例，班级人数为29人，分成三人一组，则有10组，但如果班级人数有90人，则会分成30组，每组进行一定时间的发言，会使得整个发言时间大大增加，而且组间讨论的时候可能会产生一定的混乱。如果每组人数超过3人，会使很多学生产生浑水摸鱼的想法，不利于学生参与。而且小班教学也非常有益于后续的实践。由于每个学生一台设备，每台设备耗费费用、场地以及维护设备人员的精力，因此设备数目有限。还是以本校“混合信号集合电路设计”这门课程为例，设备数目为36台，班级学生人数为29人，那么一次上课就可以容纳所有人，而且每个人都可以使用一台设备。

（三）实验室实践是微电子科学与工程本科教育中不可或缺的部分

学生通过实验室实践可以巩固理论知识，掌握实际操作技能，培养创新精神，同时也可以培养实验设计和数据分析能力。实验室实践应该与理论课程有机结合，形成有序的教育体系。实验室拥有集教、学、做三种优质特性为一体的天然环境，对提高学生实际工程中分析问题的能力、解决问题的能力、理论知识的应用能力起到至关重要的作用。比如在微电子科学与工程本科教育中有一门至关重要的实验室实践课“微电子工艺”，学生在课上学的光刻、刻蚀、生长薄膜等工艺方法，在“微电子工艺”这门实验室实践课中，学生通过亲身实验实践制作过程会发现不只是学会每一个步骤即可，而是每一个步骤都受温度、湿度、时间等影响，实验做出来的结果可能会与想象的结果截然不同。比如光刻过程中曝光之后的刻蚀部分，刻蚀溶液的浓度过高，可能会使得在同样的刻蚀时间里刻蚀深度过深，比如希望刻蚀深度为1微米，然而产生的结果却是1.2微米。

四、混合信号集合电路设计课程的理论与实践结合情况

下面以本校的混合信号集合电路设计课程为例详细说明本科教育中实践与理论相结合。混合信号集合电路设计这门课程的教学包含理论讲授部分和学生实验两部分，共计48学时，其中理论讲授课程占44学时，剩余4个学时留给学生通过一个课程设计实践，把所学到的内容通过实时操作加以体会。同时实时操作过程中会有一些特殊的和额外的电学现象出现，和理论中所学到的理想的输出结果有出入，会促使学生深刻理解理论指导实践，却不全是理想模型。

在理论授课部分，由于集成电路的核心还是半导体器件，集成电路性能出现问题根本还是因为器件特性出现了漂移。因此本课程先为学生重点解释器件部分的相关知识点，尤其是在集成电路中经常会遇到的与器件相关的知识点。比如著名的短沟道效应，由于现在芯片越做越小，器件尺寸越来越小，它是当金属氧化物半导体场效应管的导电沟道长度降低到十几纳米，甚至几纳米量级时，晶体管出现的一些效应。这些效应主要包括阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应。大部分学生只知道器件特性会变化，但是至于为什么器件会在短沟道产生变化，以及变化的大小都不太清楚。与“半导体器件”那门器件核心课程重点不同，这门课的器件理论授课部分主要关注短沟道效应、窄沟道效应、饱和区沟道调制效应等，以及会对混合信号集成电路性能明显产生影响的一些物理机制。

接下来进行了反相器相关知识点的重点讲解。反相器是模数转换和数模转换中数字部分的核心内容。同时结合CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semicon-ductor）晶体管反相器为学生简要介绍集成电路基本工艺流程，培养全面发展型人才。由于这门课开在大三下学期，前序的很多课程都是此门课程的基础，而且一些课程已经学了一年以上，学生容易遗忘，另外有些学生当时也没有学懂。因此根据实际情况，在进行模数转换电路和数模转换电路的讲解之前，有必要为学生复习需要用到的前序课程重点知识，例如比较器、运算电路、斯密特触发器等，尤其是施密特触发器是后面实验课上电复位电路需要用到的。这样才能达到理论与实践相结合的效果。此门课的最后两部分重点内容就是核心的数字信号转模拟信号电路和模拟信号转数字信号电路。相对来说，数字信号转模拟信号电路基于前序课程模拟电子技术中的运算电路，相对容易理解一些，其中包含权电阻网络数字信号转模拟信号电路、倒T型网络数字信号转模拟信号电路等，因此讲授课时相对较少。然而，从模拟信号到数字信号的转换，含有较多的新概念，比如系统性的概念，采样、保持、量化、编码，很多学生易被困扰，最终使得与数字信号转模拟信号电路相比感觉难度更大，因此在模拟信号到数字信号这一块，计划占用较多的课时，同时咨询了课程学生的意见，他们绝大部分认为采取较多的课时。在模拟信号到数字信号这一块，我们重点关注了并行比较型、逐次渐近型、双积分型三种转换电路。

本课程为了提高实验的重要性，对学生的考核，不再单一地以期末考试成绩分数作为标准，期末考试的成绩只占混合信号集合电路设计这门课程总成绩的60%，而实验环节和课堂表现作业等也占到总成绩的40%。设计的实验课，用到很多理论课的知识点。实验环节我们为学生提供的实验类型为设计型，设计一款上电复位电路，如图1所示[4]。本实验课的目的主要是进行模拟与混合信号电路设计的训练，使学生初步理解电路的设计流程，掌握电路的设计方法。通过分析电路功能、理解电路原理、搭建具体电路，在电路设计过程中解决所遇到的技术问题，培养实训技能和解决实际问题的能力，提高实践动手能力；培养学生实事求是的科学态度和严谨细致、扎实肯干的工作作风。实验课的教学要求为具有基本的电路分析与理解能力、初步操作Cadence电路设计工具。此上电复位电路，包括电源电压检测电路、斯密特触发器和延时整形电路，被广泛应用于集成电路芯片电源电压上电或者下电时。电路中MN1这个NMOSFET（n type Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）工作在饱和区，而不是亚阈值区，因为在低电源电压域，NMOSFET工作在饱和区的特性要比在亚阈值区稳定。根据理论授课阶段学过的器件在亚阈值区、线性区、饱和区等不同阶段的特性，学生在此处可以更好地理解MN1的工作方式。