“微電子器件”混合式教學資源建設研究

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摘要:本文在超新集團泛雅網絡教學平臺上引入“翻轉課堂”教學模式、信息化考核機制等，讓學生充分參與到教學中來;建設分層自主學習資源，直觀形象地展現課程內容，培養學生自主學習能力、半導體器件應用及項目開發能力;搭建TCAD綜合實驗平臺，一體化集成器件仿真分層學習資源，學生可以隨時隨地在校園內登錄平臺查閱資料完成課題任務，激發學生學習興趣，提高教學效果。

關鍵詞:信息化;分層自主學習資源;TCAD綜合實驗平臺

“微電子器件”是電子科學與技術專業的專業核心基礎課程，也是應用型本科院校培養新興微電子與光電產業所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程［1］。該課程是連接半導體材料與器件和電路的橋梁，是后續深入學習集成電路專業課程，培養學生具備大規模集成電路設計能力必不可少的基礎?！蔽㈦娮悠骷闭n程知識點抽象，關聯性較強，內容編排上從半導體材料的摻雜改性，到P型、N型半導體結合形成半導體器件的基本結構單元，再到各種復雜結構的器件設計和控制，采用層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，學生需要有良好的前期課程基礎，并扎實掌握課程每一部分內容才能跟上學習的進度［2］。為了有效提高學生的學習興趣及課程參與度，我們實施混合式自主教學資源庫以及一體化TCAD綜合實驗平臺的建設，依據行業需求、學生及課程特點、改革教學的方式方法，對學生能力培養起到非常有益的效果。

1混合式自主教學資源建設思路

實時調研半導體行業對課程的需求，我們課題組明確教學資源建設內容，以畢業設計、課程設計、翻轉課堂等形式讓學生參與到混合式自主教學資源建設中來。已完成基于學院泛雅網絡教學平臺的部分微課視頻、動畫、題庫、分層自主學習資源等信息化教學資源建設，已啟動微電子器件簡易教學展示平臺研發并一體化集成SilvacoTCAD用戶使用手冊、微電子器件綜合實驗課件、實驗指導書、教案、半導體器件工藝制備流程等實踐教學資源。依托泛雅網絡教學平臺，引入了“翻轉課堂”教學模式，并將陸續推進“翻轉課堂”素材的制作;引入信息化教學手段對師生間的實時互動交流、智能化簽到、考核機制等展開研究。在實施教學過程中檢驗已完成資源成效并實時優化改進，混合式自主教學資源建設架構如圖1所示。

2混合式自主教學資源建設內容

基于“互聯網+”背景下的混合式教學資源建設，學生可以隨時隨地登陸網站學習課程資源、網上交流課程疑難問題、隨時查看交流記錄、使用綜合實驗平臺完成課題任務等，信息化的教學環境使得學生可以自主參與到教學中來，柔性完成課題任務，增強教學的直觀性、提高教學效果，激發學生學習興趣，理論指導實際生產過程中培養學生創新能力、分析設計能力和項目開發能力，本課題擬從如下三個方面闡述混合式自主教學資的源建設內容。2．1分層自主學習資源整合與設計。修訂課程基本資源庫，結合行業企業發展不斷更新補充課程拓展資源。本課程的分層自主學習資源從基礎知識拓展、課程資源拓展及應用拓展三個層面展開，如圖2所示。基礎知識拓展:課程組依據多年教學經驗，制作“高等代數”、“電路分析”、“大學物理”、“半導體物理”等與課程密切相關前期課程資源，更好的輔助學生對課程相關知識的理解。課程資源拓展:以畢業設計形式完成課程較為抽象難易理解知識點的動畫制作，形象直觀的模擬器件內部載流子的輸運機制、器件內部能帶及電學參數變化等;主講教師對課程中基礎的、重要的、關聯性較強的內容錄制微課視頻，供學生線上反復學習;主講教師近10年的微電子器件教學積累，熟練掌握教材基礎上進一步“用活”教材，依托泛雅網絡教學平臺已建設100多道練習題，可以隨時隨地布置課前小測、課堂測驗、課后練習等，輔助檢驗“翻轉課堂”成效，客觀題可以自動閱卷，極大提升教學效果和質量，節約資源。應用拓展:以課程設計及翻轉課堂形式讓學生參與制作器件故障檢修、器件電極檢測及器件電子電路應用等微視頻，讓學生從實際工程應用中理解課程內容。以畢業設計的形式引導學生與教學團隊一起研發微電子器件教學展示平臺［5］，引入小型電子產品電路系統為工程系統化模型解構學科知識點，重構課程教學內容，逐步實現器件及其電子電路應用一體化教學，培養學生分析設計及創新能力。2．2信息化教學模式、考核機制設計。借助移動物聯網助推“翻轉課堂”教學模式?！胺D課堂”內容擬逐年推進，翻轉資源建設集中在課程內部層層遞進知識點、新型半導體器件及半導體器件電子電路應用三方面。微電子器件課程知識點關聯性很強，例如，不同結構、不同工作條件下二極管的電流電壓方程及三極管的電流電壓方程建模過程是完全一樣的，主講教師僅以一種模型(小注入厚基區均勻摻雜)進行課堂講解，依托泛雅網絡平臺制作小注入薄基區均勻摻雜、大注入厚基區均勻摻雜、小注入厚基區非均勻摻雜、均勻基區三極管、緩變基區三極管等其它結構、其它工作條件(外加交流小信號等)的翻轉教學資源。主講教師在課堂講解第一層知識點，學生依據主講教師講解的基礎知識點及泛雅平臺上的分層自主學習資源(基礎課件、視頻、練習題等)，搜索瀏覽相關網站資源、小組交流討論學習，進而完善拓展后續遞進知識點，制作PPT于課堂講解討論，培養學生對理論知識的理解并完成知識的遷移，激發學生學習興趣，讓學生充分參與到教學中來，提升教學效果與質量。翻轉課堂實施流程如下圖3所示。依拓泛雅網絡教學平臺，引進信息化課堂點名方式，可以靈活設置簽到時間、簽到狀態、簽到方法等，能有效真實地記錄學生考勤狀態，考勤統計分析自動記錄功能，便于任課教師及輔導員實時掌握學生學習狀態，對學生有一定預警作用，課堂出勤率明顯提高;依托泛雅網絡教學平臺的討論區根據課程需求展開專題討論，便于師生在線交流。2．3一體化TCAD綜合實驗平臺建設作者:單位:目前的微電子器件實踐教學主要以驗證性實驗為主。這類實驗大多為一體化封裝的精密設備，內部功能電路連線已接好，學生僅需從面板進行簡單操控，不能深入了解測試原理及實驗意義，對提高動手能力幫助不大，極大限制了學生思維創新與創造力開發，不能有效發揮學生主觀能動性［3］。為了體現專業特點，實現應用型人才培養目標，搭建培養學生創新實踐能力的TCAD綜合實驗平臺極具意義［4］。一體化TCAD綜合實驗平臺是依托于學院集成電路設計實驗室高性能服務器，讓學生在教師設置的權限下，隨時隨地通過瀏覽器訪問服務器，運行器件仿真軟件完成實驗任務，極大提高仿真效率，降低學生設備端性能需求［6］。實驗平臺一體化集成了微電子綜合實驗教學資源(課件、實驗指導、教學大綱、授課計劃等)、SilvacoTCAD開發文檔、SilvacoTCAD使用手冊、半導體器件制備工藝流程等自主學習資源，學生使用綜合實驗平臺開發設計過程中，可以隨時查閱相關資料輔助實驗設計激發學生的學習興趣，培養學生綜合設計及創新性設計能力。一體化綜合實驗平臺整體架構如圖4所示。圖4一體化TCAD綜合實驗平臺架構圖引入TCAD仿真教學，一方面，學生可以充分認識半導體物理學，半導體器件物理學等這些抽象難懂的理論基礎知識在半導體工業中的實際應用，加強理論教學的效果。另一方面，仿真也可以部分取代了耗費成本的硅片實驗，可以降低成本，縮短了開發周期和提高成品率，也就是說，仿真可以虛擬生產并指導實際生產［7］。SilvacoTCAD的工藝仿真可以實現離子注入、氧化、刻蝕、光刻等工藝過程的模擬，可以用于設計新工藝，改良舊工藝。器件仿真可以實現電學、光學及熱學等特性仿真及相關參數提取，可以用于設計新型器件，舊器件改良，驗證器件的電學、光學及熱學等特性。一體化TCAD綜合實驗平臺可節約成本、增強教學的直觀性、提高教學效果，還可激發學生學習興趣，理論指導實際生產過程中培養學生創新能力和分析設計能力，為地方企業培養電子電路專業技術人才。

3結語

“微電子器件”課程教學方式、方法的改革及混合式教學資源的建設，可以有效解決課程理論性強，知識點抽象，學生課堂學習中某些知識點不能很好掌握，導致前后知識點連貫不起來，疑難問題堆積，學生基礎知識薄弱等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率等問題?；旌鲜浇虒W資源的建設，“翻轉課堂”教學模式、信息化教學環境的引入以及微電子教學展示平臺的研發，可以讓學生充分參與到教學中來，降低課程學習難度，吸引學生興趣，進一步提高課堂教學效果。同時，有效解決學生學習盲目跟從被動學習的狀態，培養學生分析設計能力、創新能力及項目開發能力。TCAD綜合性實驗平臺可以模擬實際器件制備工藝流程，學生可以根據所學理論知識指導實際生產過程，半定制符合電子電路系統功能需求的器件結構，充分發揮學生的主觀能動性，有效解決了現有的實驗教學平臺以一體化封裝的驗證性實驗為主，極大限制了學生創新思維能力培養等問題。前期建設完成資源已實施于教學，效果良好。

參考文獻:

［1］陳卉，曾葆青，文毅等．“微電子器件”多元化教學方法的探索［J］．南京:電子電氣教學學報，2016，38(03)．

［2］張燦云，孔晉芳，王鳳超．淺談面向新興光電產業的工科專業半導體器件物理課程教學改革［J］．武漢:自然科學，2016(01)．

［3］胡國珍、馬學軍、徐濾非等．面向應用型實踐人才培養的電力電子技術實踐創新平臺研制［J］．北京:實驗技術與管理，2017(34、01)．

［4］龍治堅，胡尚連，向珣朝．基于學生創新能力培養的“互聯網+”背景下實踐教學平臺構建［J］．北京:實驗技術與管理，2017(34、08)．

［5］向兵，程秀英．基于MatlabGUI的《半導體器件物理》教學仿真平臺開發［J］．成都:實驗科學與技術，2014(12、03)．

［6］常玉春，李喆，李傳南．采用B/S架構的半導體TCAD網絡實驗教學平臺構建研究［J］．北京:實驗技術與管理．2014(31、09)．

［7］劉劍霜、郭鵬飛、李伙全．TCAD技術在微電子實驗教學體系中的應用研究［J］．北京:實驗技術與管理，2012(29、02)．

作者:陳卉 師向群 胡云峰 陳李勝 單位:電子科技大學中山學院