“微电子器件”混合式教学资源建设研究

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摘要:本文在超新集团泛雅网络教学平台上引入“翻转课堂”教学模式、信息化考核机制等，让学生充分参与到教学中来;建设分层自主学习资源，直观形象地展现课程内容，培养学生自主学习能力、半导体器件应用及项目开发能力;搭建TCAD综合实验平台，一体化集成器件仿真分层学习资源，学生可以随时随地在校园内登录平台查阅资料完成课题任务，激发学生学习兴趣，提高教学效果。

关键词:信息化;分层自主学习资源;TCAD综合实验平台

“微电子器件”是电子科学与技术专业的专业核心基础课程，也是应用型本科院校培养新兴微电子与光电产业所需的应用技术人才必备的理论与实践基础课程［1］。该课程是连接半导体材料与器件和电路的桥梁，是后续深入学习集成电路专业课程，培养学生具备大规模集成电路设计能力必不可少的基础。”微电子器件”课程知识点抽象，关联性较强，内容编排上从半导体材料的掺杂改性，到P型、N型半导体结合形成半导体器件的基本结构单元，再到各种复杂结构的器件设计和控制，采用层层推进的方式，逻辑严密，理论性强，学生需要有良好的前期课程基础，并扎实掌握课程每一部分内容才能跟上学习的进度［2］。为了有效提高学生的学习兴趣及课程参与度，我们实施混合式自主教学资源库以及一体化TCAD综合实验平台的建设，依据行业需求、学生及课程特点、改革教学的方式方法，对学生能力培养起到非常有益的效果。

1混合式自主教学资源建设思路

实时调研半导体行业对课程的需求，我们课题组明确教学资源建设内容，以毕业设计、课程设计、翻转课堂等形式让学生参与到混合式自主教学资源建设中来。已完成基于学院泛雅网络教学平台的部分微课视频、动画、题库、分层自主学习资源等信息化教学资源建设，已启动微电子器件简易教学展示平台研发并一体化集成SilvacoTCAD用户使用手册、微电子器件综合实验课件、实验指导书、教案、半导体器件工艺制备流程等实践教学资源。依托泛雅网络教学平台，引入了“翻转课堂”教学模式，并将陆续推进“翻转课堂”素材的制作;引入信息化教学手段对师生间的实时互动交流、智能化签到、考核机制等展开研究。在实施教学过程中检验已完成资源成效并实时优化改进，混合式自主教学资源建设架构如图1所示。

2混合式自主教学资源建设内容

基于“互联网+”背景下的混合式教学资源建设，学生可以随时随地登陆网站学习课程资源、网上交流课程疑难问题、随时查看交流记录、使用综合实验平台完成课题任务等，信息化的教学环境使得学生可以自主参与到教学中来，柔性完成课题任务，增强教学的直观性、提高教学效果，激发学生学习兴趣，理论指导实际生产过程中培养学生创新能力、分析设计能力和项目开发能力，本课题拟从如下三个方面阐述混合式自主教学资的源建设内容。2．1分层自主学习资源整合与设计。修订课程基本资源库，结合行业企业发展不断更新补充课程拓展资源。本课程的分层自主学习资源从基础知识拓展、课程资源拓展及应用拓展三个层面展开，如图2所示。基础知识拓展:课程组依据多年教学经验，制作“高等代数”、“电路分析”、“大学物理”、“半导体物理”等与课程密切相关前期课程资源，更好的辅助学生对课程相关知识的理解。课程资源拓展:以毕业设计形式完成课程较为抽象难易理解知识点的动画制作，形象直观的模拟器件内部载流子的输运机制、器件内部能带及电学参数变化等;主讲教师对课程中基础的、重要的、关联性较强的内容录制微课视频，供学生线上反复学习;主讲教师近10年的微电子器件教学积累，熟练掌握教材基础上进一步“用活”教材，依托泛雅网络教学平台已建设100多道练习题，可以随时随地布置课前小测、课堂测验、课后练习等，辅助检验“翻转课堂”成效，客观题可以自动阅卷，极大提升教学效果和质量，节约资源。应用拓展:以课程设计及翻转课堂形式让学生参与制作器件故障检修、器件电极检测及器件电子电路应用等微视频，让学生从实际工程应用中理解课程内容。以毕业设计的形式引导学生与教学团队一起研发微电子器件教学展示平台［5］，引入小型电子产品电路系统为工程系统化模型解构学科知识点，重构课程教学内容，逐步实现器件及其电子电路应用一体化教学，培养学生分析设计及创新能力。2．2信息化教学模式、考核机制设计。借助移动物联网助推“翻转课堂”教学模式。“翻转课堂”内容拟逐年推进，翻转资源建设集中在课程内部层层递进知识点、新型半导体器件及半导体器件电子电路应用三方面。微电子器件课程知识点关联性很强，例如，不同结构、不同工作条件下二极管的电流电压方程及三极管的电流电压方程建模过程是完全一样的，主讲教师仅以一种模型(小注入厚基区均匀掺杂)进行课堂讲解，依托泛雅网络平台制作小注入薄基区均匀掺杂、大注入厚基区均匀掺杂、小注入厚基区非均匀掺杂、均匀基区三极管、缓变基区三极管等其它结构、其它工作条件(外加交流小信号等)的翻转教学资源。主讲教师在课堂讲解第一层知识点，学生依据主讲教师讲解的基础知识点及泛雅平台上的分层自主学习资源(基础课件、视频、练习题等)，搜索浏览相关网站资源、小组交流讨论学习，进而完善拓展后续递进知识点，制作PPT于课堂讲解讨论，培养学生对理论知识的理解并完成知识的迁移，激发学生学习兴趣，让学生充分参与到教学中来，提升教学效果与质量。翻转课堂实施流程如下图3所示。依拓泛雅网络教学平台，引进信息化课堂点名方式，可以灵活设置签到时间、签到状态、签到方法等，能有效真实地记录学生考勤状态，考勤统计分析自动记录功能，便于任课教师及辅导员实时掌握学生学习状态，对学生有一定预警作用，课堂出勤率明显提高;依托泛雅网络教学平台的讨论区根据课程需求展开专题讨论，便于师生在线交流。2．3一体化TCAD综合实验平台建设作者:单位:目前的微电子器件实践教学主要以验证性实验为主。这类实验大多为一体化封装的精密设备，内部功能电路连线已接好，学生仅需从面板进行简单操控，不能深入了解测试原理及实验意义，对提高动手能力帮助不大，极大限制了学生思维创新与创造力开发，不能有效发挥学生主观能动性［3］。为了体现专业特点，实现应用型人才培养目标，搭建培养学生创新实践能力的TCAD综合实验平台极具意义［4］。一体化TCAD综合实验平台是依托于学院集成电路设计实验室高性能服务器，让学生在教师设置的权限下，随时随地通过浏览器访问服务器，运行器件仿真软件完成实验任务，极大提高仿真效率，降低学生设备端性能需求［6］。实验平台一体化集成了微电子综合实验教学资源(课件、实验指导、教学大纲、授课计划等)、SilvacoTCAD开发文档、SilvacoTCAD使用手册、半导体器件制备工艺流程等自主学习资源，学生使用综合实验平台开发设计过程中，可以随时查阅相关资料辅助实验设计激发学生的学习兴趣，培养学生综合设计及创新性设计能力。一体化综合实验平台整体架构如图4所示。图4一体化TCAD综合实验平台架构图引入TCAD仿真教学，一方面，学生可以充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用，加强理论教学的效果。另一方面，仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩短了开发周期和提高成品率，也就是说，仿真可以虚拟生产并指导实际生产［7］。SilvacoTCAD的工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟，可以用于设计新工艺，改良旧工艺。器件仿真可以实现电学、光学及热学等特性仿真及相关参数提取，可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学、光学及热学等特性。一体化TCAD综合实验平台可节约成本、增强教学的直观性、提高教学效果，还可激发学生学习兴趣，理论指导实际生产过程中培养学生创新能力和分析设计能力，为地方企业培养电子电路专业技术人才。

3结语

“微电子器件”课程教学方式、方法的改革及混合式教学资源的建设，可以有效解决课程理论性强，知识点抽象，学生课堂学习中某些知识点不能很好掌握，导致前后知识点连贯不起来，疑难问题堆积，学生基础知识薄弱等多重因素影响下，教师的单方面努力很难提高课堂教学效率等问题。混合式教学资源的建设，“翻转课堂”教学模式、信息化教学环境的引入以及微电子教学展示平台的研发，可以让学生充分参与到教学中来，降低课程学习难度，吸引学生兴趣，进一步提高课堂教学效果。同时，有效解决学生学习盲目跟从被动学习的状态，培养学生分析设计能力、创新能力及项目开发能力。TCAD综合性实验平台可以模拟实际器件制备工艺流程，学生可以根据所学理论知识指导实际生产过程，半定制符合电子电路系统功能需求的器件结构，充分发挥学生的主观能动性，有效解决了现有的实验教学平台以一体化封装的验证性实验为主，极大限制了学生创新思维能力培养等问题。前期建设完成资源已实施于教学，效果良好。

参考文献:

［1］陈卉，曾葆青，文毅等．“微电子器件”多元化教学方法的探索［J］．南京:电子电气教学学报，2016，38(03)．

［2］张灿云，孔晋芳，王凤超．浅谈面向新兴光电产业的工科专业半导体器件物理课程教学改革［J］．武汉:自然科学，2016(01)．

［3］胡国珍、马学军、徐滤非等．面向应用型实践人才培养的电力电子技术实践创新平台研制［J］．北京:实验技术与管理，2017(34、01)．

［4］龙治坚，胡尚连，向珣朝．基于学生创新能力培养的“互联网+”背景下实践教学平台构建［J］．北京:实验技术与管理，2017(34、08)．

［5］向兵，程秀英．基于MatlabGUI的《半导体器件物理》教学仿真平台开发［J］．成都:实验科学与技术，2014(12、03)．

［6］常玉春，李喆，李传南．采用B/S架构的半导体TCAD网络实验教学平台构建研究［J］．北京:实验技术与管理．2014(31、09)．

［7］刘剑霜、郭鹏飞、李伙全．TCAD技术在微电子实验教学体系中的应用研究［J］．北京:实验技术与管理，2012(29、02)．

作者:陈卉 师向群 胡云峰 陈李胜 单位:电子科技大学中山学院