集成電路實驗教學體系建設探索

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為響應國家科技強國戰略需求，突破核心關鍵技術，構筑先發優勢，在未來全球創新系統中占據戰略制高點，迫切需要培養大批新興工程科技人才[1]。而集成電路產業作為信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業[2-3]，在中國制造大投入、大發展、大跨越的趨勢下，集成電路的戰略重要性日益突顯。然而，我國的集成電路產業仍然未能實現真正意義上的突破，集成電路人才培養存在質和量上的不足。高等院校作為高端人才培養的主場地，如何緊密圍繞我國集成電路產業快速發展對高水平人才的迫切需求，遵循集成電路發展規律[4-6]，培養出具有理論和工程實踐相結合的綜合創新型人才，這對集成電路專業實踐教學體系提出了新的要求。在此大背景下，集成電路中心堅持“人才培養是根本、提升能力為關鍵、凝聚資源夯基礎、科學研究促發展”的實驗教學體系建設思路，提出以培養學生的工程實踐能力和科研創新能力為核心目標的“四位一體”實驗教學體系，實踐教學覆蓋現代集成電路產業鏈的主要技術與技能環節[7]，內容層次遞進，為微電子與集成電路相關專業的綜合創新型人才實踐教學培養提供新方案。

一、“四位一體”實驗體系構建

在新工科的大背景下，實驗中心提出以“教學與科研、工程相融合”的培養理念，形成了以培養學生的動手實踐能力和創新能力為核心目標的“四位一體”實驗教學體系，如圖1所示。該體系覆蓋現代集成電路產業鏈的主要技術與技能環節，由“通識實驗”、“專業實驗”、“科研創新實驗”與“綜合交叉融合實驗”四大模塊構成，兼顧物理、器件、電路、設計、工藝等集成電路學科核心內容，適應于培養集成電路人才運用理論分析問題、解決問題等能力，具有覆蓋面廣、實用性強和創新性等鮮明特色[8-11]。該實驗教學體系在知識結構上從通識課程一直延伸到專業課程，在實驗與實踐環節上從校內實驗室延伸到校外實踐基地。實驗內容層次遞進，通過實驗教學最終實現工程實踐與系統實驗相融合、科學研究與實驗相融合、虛擬實驗與實踐實驗相融合以及理論課程與實驗相融合。（一）通識實驗模塊。通識實驗主要面向本科一年級與二年級的學生開設。對于實踐性較強的微電子與集成電路專業而言，能夠熟練的掌握計算機程序語言以及扎實的物理與電子基礎理論知識，可以為后續的專業課程學習奠定基礎。因此，在通識實驗模塊，將程序類實驗、物理類實驗、電子線路類、信號與系統類實驗作為核心內容，四大類實驗之間的層次遞進關系以及開設的學期如圖2所示。通識實驗課程設置堅持由易到難的原則，從計算機程序設計語言類實驗入門，進而開設大學基礎物理實驗；在掌握一定的基礎知識后，為進一步培養學生的知識綜合能力，在第三學期開設難度稍高的綜合物理實驗。隨著知識點的積累、理解能力以及動手能力的提升，逐漸開設與專業基礎相關的電子線路類、電路信號與系統類、半導體物理類實驗。實驗內容由淺及深，層次遞進，進而達到培養學生的實驗能力以及實驗興趣的目的。通識實驗模塊的實驗教學活動，著重在于培養學生的實驗興趣，規范化的實驗操作習慣，熟練掌握常規儀器設備（示波器、電流源、信號源、函數發生器、頻譜分析儀等）的操作方法，以及處理實驗數據和撰寫實驗報告的能力。實驗的考核方式以及所占的比重為：實驗預習（40%）+實驗過程（40%）+報告為主（20%）。在課程設置時間上，實驗課程一般滯后于理論課程四個星期左右，目的是使得學生在充分理解理論知識點，即實驗原理的前提下，帶著思考問題進入實驗室，有目的、有計劃地進行實驗，充分實現理論課程與實驗教學相融合。（二）專業實驗模塊。基于通識實驗模塊，學生已經具備了一定的實驗能力且積累了一定的與專業相關的基礎知識，具備了專業實驗的能力。為了進一步優化實驗教學體系，新的實驗體系對專業實驗的內容進行合理優化，保留傳統優勢、經典的實驗項目，摒棄與優化落后的實驗項目，在此基礎上，根據科學研究的最前沿，加大科學創新實驗以及綜合性實驗在總實驗項目中的比重，使專業實驗體系結構更為合理，并構建了半導體器件實驗、工藝實驗、物理實驗、虛擬仿真實為主的六大實驗平臺，如圖3所示。每個實驗平臺下包含若干與專業主干理論課程緊密相關的專業實驗，這些專業實驗的內容涵蓋面廣，由驗證型實驗→綜合設計型實驗→創新型實驗，實驗內容層次遞進，相互關聯，構成專業實驗的核心內容。1.集成電路實踐操作教學實驗。集成電路實驗教學示范中心主要承擔學生的實踐操作教學實驗，主要包含半導體器件物理實驗、半導體工藝檢測實驗以及半導體物理實驗三大平臺，包含30個實驗項目，涵蓋半導體材料、器件、電路的物理、電學特性測試與分析等方面的內容。實驗內容繼續秉承由淺及深的原則，由簡單的驗證性實驗逐漸過渡到創新型與綜合性試驗。目前為止，創新型與綜合設計型實驗已經占據總實驗項目的62%。此外，學院成立了我國西部地區唯一具備集成電路生產實習條件且應用于實驗教學的超凈工藝實驗室，學生親自動手實踐完成器件設計、工藝操作和樣品的測試一系列環節，加深對集成電路制造主要流程與技術的理解。專業實驗的考核方式兼顧實驗過程與實驗結果。對于創新型與綜合性實驗項目，側重于考核實驗過程，新增實驗小組答辯環節，考核范圍覆蓋實驗方案設計、實際動手操作能力、測試結果、實驗報告以及答辯表現等環節。專業實驗與集成電路學科覆蓋的物理、器件、電路、系統等專門知識一致，同時與集成電路材料、設計、制造、封裝、測試的產業需求相符，在培養學生扎實基礎的同時提高了學生的工程實踐能力以及綜合創新能力。2.集成電路設計與制造虛擬仿真教學實驗。虛擬實驗與實踐操作實驗相結合是未來實驗發展必然趨勢。優化后的實驗平臺中增加了“工藝”、“器件”、“集成電路設計”虛擬仿真三大實驗平臺，各個模塊既有自身的側重，又相互聯系支撐，共同通過虛擬和仿真技術、多媒體、網絡通信等技術手段，強化理論教學的效果。虛擬仿真實驗平臺涵蓋集成電路產業鏈的主要環節，兼顧工藝、器件、電路等多方面的培養要求，具有綜合性、實用性和創新型的鮮明特點。以《氮化鎵發光二極管工藝制造與光電特性虛擬仿真實驗》為例，該實驗取材于西安電子科技大學國家級科研成果，主要實驗內容為器件虛擬工藝制造、光電特性仿真。AlGaN單量子阱GaNLED器件實驗項目中的氮化鎵發光二極管可以采用AlGaN、InGaN等作為單量子阱材料，學生可以根據需要的光波波長選擇相應的量子阱材料，并可以根據需求改變器件的結構和材料參數，進而分析器件的光電特性。在虛擬環境中完成器件的設計，學生能夠更直觀地學習半導體集成器件的微觀結構以及工作原理，并剖析影響器件性能的主要因素，引導學生逐步探索物理現象的本質，巧妙地解決了由抽象到具體，理論到實踐的環節，彌補了工程實踐中的某些薄弱環節。此外，利用虛擬仿真平臺實現此實驗，可以克服真實實驗耗時長、成本高、環境要求苛刻、危險性大等弊端，使學生能夠增強對所學理論課程的理解和掌握[12]，增強學生的理解能力與邏輯思維能力，提升人才培養質量。3.科研創新模塊實驗。通過專業實驗模塊的訓練，學生已經具備了獨立實驗的能力以及基本的綜合創新能力。為了進一步提高學生的科研創新思維，同時為學有余力以及科研思維活躍的學生提供更高展示能力的平臺，學院在本科實驗中增加科研創新實驗模塊[13]。高校的實驗室擁有先進的實驗設備，科研能力較強的師資隊伍，科研創新實驗模塊充分利用實驗室優勢資源以及教師的科研創新能力，實現科研反哺實驗教學。學院主要通過各類科研訓練計劃、課程設計、畢業設計等環節，在教師的指導下，提高學生的科研創新實踐能力，實現科研創新與實驗教學相融合。以本科生的科研訓練資助計劃（URTP）為例，URTP是在國家級和省級大學生創新訓練計劃的基礎上，采用項目化的運作方式，通過設立創新基金和本科生資助申報的方式確定立項并給予資金支持，形成了全方位的本科生科研訓練資助計劃體系，鼓勵學生在導師的指導下獨立完成項目研究。該項科研訓練項目鼓勵本科生、申請專利，全面提升本科生的科研創新能力。面向本科生的科研訓練計劃核心是支持本科生開展科研訓練，學生參與URTP的過程本質上是在進行研究性的學習，注重學生參與研究的學習過程，并鼓勵本科生產生一定的科研成果。該計劃為學有余力的學生提供直接參與科學研究的機會，引導學生進入科學前沿，了解學科發展動態。學生通過發現問題，激發創新思維，積極主動地探索知識的新領域，從而體驗一種全新的研究性學習的樂趣。特別是參與科研訓練計劃的學生可以無條件進入開放實驗室，在導師的指導下自主完成項目，實現科學研究與實驗教學相結合。4.綜合交叉融合模塊實驗。學科之間的綜合交叉融合可以拓寬學生的思維及視野，激發學生的創新意識和動力，而且對當今高水平大學的學科協同發展和創新人才培養機制的完善具有重要的意義[14-15]。實驗中心根據半導體與集成電路產業需求，優化實踐教學體系，增加綜合交叉融合實驗模塊，著重培養具有國際競爭力的多層次、復合型、創新型集成電路領域人才。綜合交叉融合實驗模塊主要以兩種載體實現學科之間的融合。其一，以各類學科競賽為載體。積極組織學生參加大學生創新試驗計劃項目和各類學科競賽、豐富學生課外創新活動，培養學生創新實踐能力。以傳統競賽項目全國大學生電子設計競賽為例，它重在于考核學生的動手創新實踐能力以及綜合運用知識的能力，競賽命題范圍廣，涉及到數模集成電路設計、單片機、電源、物聯網、大數據、云計算以及人工智能等方面的知識點。這勢必要求帶隊教練根據自身專業所長對參賽學生進行專門的單項實踐訓練，學生在掌握基本原理的基礎上，根據具體題目將不同學科知識綜合交叉運用解決實際問題。其二，以學生畢業設計或者科研訓練項目為載體，開展學科之間的交叉融合項目。以本科學生畢業設計項目“硅基二極管可重構偶極子天線關鍵技術研究”為例，此項目屬于半導體與微波通訊的交叉結合課題，研究此課題必須掌握半導體器件物理、固體物理、半導體工藝制造等方面的數理基礎知識，此外，必須熟悉微波通訊中等離子體與微波的相互關系以及天線的工作原理。基于半導體硅基二極管構成的偶極子天線具有傳統金屬天線無可比擬的優點，即體積小，且天線在沒有激發的狀態下，雷達散射截面可以忽略不計，具有隱身的性能；不改變物理結構的同時實現可重構；輻射方向范圍寬等優點。這種交叉融合的新型天線為雷達與通訊系統性能的提升提供了一條有效的技術路徑。優化后的實驗體系中通過增加綜合交叉融合實驗模塊的比重，實現工程實踐與實驗教學的相融合，不僅顯著提高學生的創新實踐動手能力以及綜合運用知識解決實際工程問題的能力，而且產出了一系列具有影響的交叉創新成果，學科綜合優勢進一步提高，學科整體水平和創新活力顯著提升。

二、實驗教學體系成效

通過優化實驗內容，增加虛擬仿真實驗平臺以及增加科研創新實驗模塊與綜合交叉融合實驗模塊的比重，不斷深化實踐教學改革和完善實踐教學體系，從而切實提高了大學生的工程實踐動手能力。截至目前，國家級集成電路設計與制造虛擬仿真實驗教學中心擁有Silvaco、Synopsys、Cadence、Mentor等公司授權和自主研發的軟件多套，擁有23臺高性能計算服務器和300多臺PC機，可實現年150000人/時虛擬教學實驗任務。學院在3大模塊9個虛擬仿真實驗平臺基礎上，開設了52個虛擬仿真實驗項目，所有虛擬仿真實驗項目均對本科生開放，充分發揮學生學習的能動性。而且，學院已經與國內多家知名企業建立了戰略合作伙伴關系，累計共派出200余人前往合作企業（院所），例如英飛凌、意法半導體、應用材料、德州儀器等國際知名微電子企業進行實習。企業為前來實習的學生提供與專業相關的實習崗位，并指派實習導師，與校內導師共同協助指導學生的畢業設計項目。同時，企業還在校內設立專項獎學金并贈送先進的儀器設備與軟件，并提供培訓課程，使得學生可以了解目前業界最先進的數字集成電路設計理念、方法、工具以及實例，對專業知識有更直觀更深入的認識。在學生科技創新與創業方面，優化后的“四位一體”實驗教學體系實施后，學生的實踐創新與創業能力得到極大的提升。以國家、省部級各類學科競賽為平臺，對大學生進行課外創新、實踐能力培養。學生科技成果豐碩、學科競賽喜獲佳績，圖4為新舊實驗體系（2013年與2017年）學生科技創新與創業成果比較分析。此外，在新的實驗體系實施后，學生獲獎的級別也在逐年上升。以2018年為例，獲得國家級別獎項有：獲得2018年美國數學建模競賽國際一等獎13人，國際二等獎10人；獲得2018年中國大學生計算機設計大賽全國二等獎5人，第四屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽全國金獎2人，全國大學生嵌入式系統專題邀請賽國家一等獎1人，全國大學生瑞薩杯信息科技前沿專題邀請賽國家三等獎1人。創業方面，實驗中心成功培育孵化學生創業項目8項，目前實現PreA輪融資企業2項，天使投資項目2項，企業估值約2.5億元。數據表明，“四位一體”實驗體系實施后能夠給學生提供更多的工程實踐機會，學生的科技創新獲獎不僅種類與數量呈現逐年遞增的趨勢，而且獲獎質量得到進一步提升。

三、結束語

緊密圍繞微電子與集成電路專業的培養目標，構建了由通識實驗，專業實驗，科研創新實驗，綜合交叉融合實驗四大模塊構成的“四位一體”高平臺實驗體系，實驗教學內容覆蓋現代集成電路產業鏈的主要技術與技能環節，通過增加虛擬仿真實驗平臺并加大科技創新實驗與綜合交叉融合實驗模塊的比重，重點培養學生的科技創新能力以及運用綜合知識融會貫通解決實際問題的能力。該實驗體系的實施，取得了明顯的成效，能夠對微電子與集成電路相關專業的新工科建設和綜合創新型人才實踐教學的探索和改革提供借鑒作用。

作者:康海燕 婁永樂 馮曉麗 單位:西安電子科技大學