集成电路实验教学体系建设探索

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为响应国家科技强国战略需求，突破核心关键技术，构筑先发优势，在未来全球创新系统中占据战略制高点，迫切需要培养大批新兴工程科技人才[1]。而集成电路产业作为信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业[2-3]，在中国制造大投入、大发展、大跨越的趋势下，集成电路的战略重要性日益突显。然而，我国的集成电路产业仍然未能实现真正意义上的突破，集成电路人才培养存在质和量上的不足。高等院校作为高端人才培养的主场地，如何紧密围绕我国集成电路产业快速发展对高水平人才的迫切需求，遵循集成电路发展规律[4-6]，培养出具有理论和工程实践相结合的综合创新型人才，这对集成电路专业实践教学体系提出了新的要求。在此大背景下，集成电路中心坚持“人才培养是根本、提升能力为关键、凝聚资源夯基础、科学研究促发展”的实验教学体系建设思路，提出以培养学生的工程实践能力和科研创新能力为核心目标的“四位一体”实验教学体系，实践教学覆盖现代集成电路产业链的主要技术与技能环节[7]，内容层次递进，为微电子与集成电路相关专业的综合创新型人才实践教学培养提供新方案。

一、“四位一体”实验体系构建

在新工科的大背景下，实验中心提出以“教学与科研、工程相融合”的培养理念，形成了以培养学生的动手实践能力和创新能力为核心目标的“四位一体”实验教学体系，如图1所示。该体系覆盖现代集成电路产业链的主要技术与技能环节，由“通识实验”、“专业实验”、“科研创新实验”与“综合交叉融合实验”四大模块构成，兼顾物理、器件、电路、设计、工艺等集成电路学科核心内容，适应于培养集成电路人才运用理论分析问题、解决问题等能力，具有覆盖面广、实用性强和创新性等鲜明特色[8-11]。该实验教学体系在知识结构上从通识课程一直延伸到专业课程，在实验与实践环节上从校内实验室延伸到校外实践基地。实验内容层次递进，通过实验教学最终实现工程实践与系统实验相融合、科学研究与实验相融合、虚拟实验与实践实验相融合以及理论课程与实验相融合。（一）通识实验模块。通识实验主要面向本科一年级与二年级的学生开设。对于实践性较强的微电子与集成电路专业而言，能够熟练的掌握计算机程序语言以及扎实的物理与电子基础理论知识，可以为后续的专业课程学习奠定基础。因此，在通识实验模块，将程序类实验、物理类实验、电子线路类、信号与系统类实验作为核心内容，四大类实验之间的层次递进关系以及开设的学期如图2所示。通识实验课程设置坚持由易到难的原则，从计算机程序设计语言类实验入门，进而开设大学基础物理实验；在掌握一定的基础知识后，为进一步培养学生的知识综合能力，在第三学期开设难度稍高的综合物理实验。随着知识点的积累、理解能力以及动手能力的提升，逐渐开设与专业基础相关的电子线路类、电路信号与系统类、半导体物理类实验。实验内容由浅及深，层次递进，进而达到培养学生的实验能力以及实验兴趣的目的。通识实验模块的实验教学活动，着重在于培养学生的实验兴趣，规范化的实验操作习惯，熟练掌握常规仪器设备（示波器、电流源、信号源、函数发生器、频谱分析仪等）的操作方法，以及处理实验数据和撰写实验报告的能力。实验的考核方式以及所占的比重为：实验预习（40%）+实验过程（40%）+报告为主（20%）。在课程设置时间上，实验课程一般滞后于理论课程四个星期左右，目的是使得学生在充分理解理论知识点，即实验原理的前提下，带着思考问题进入实验室，有目的、有计划地进行实验，充分实现理论课程与实验教学相融合。（二）专业实验模块。基于通识实验模块，学生已经具备了一定的实验能力且积累了一定的与专业相关的基础知识，具备了专业实验的能力。为了进一步优化实验教学体系，新的实验体系对专业实验的内容进行合理优化，保留传统优势、经典的实验项目，摒弃与优化落后的实验项目，在此基础上，根据科学研究的最前沿，加大科学创新实验以及综合性实验在总实验项目中的比重，使专业实验体系结构更为合理，并构建了半导体器件实验、工艺实验、物理实验、虚拟仿真实为主的六大实验平台，如图3所示。每个实验平台下包含若干与专业主干理论课程紧密相关的专业实验，这些专业实验的内容涵盖面广，由验证型实验→综合设计型实验→创新型实验，实验内容层次递进，相互关联，构成专业实验的核心内容。1.集成电路实践操作教学实验。集成电路实验教学示范中心主要承担学生的实践操作教学实验，主要包含半导体器件物理实验、半导体工艺检测实验以及半导体物理实验三大平台，包含30个实验项目，涵盖半导体材料、器件、电路的物理、电学特性测试与分析等方面的内容。实验内容继续秉承由浅及深的原则，由简单的验证性实验逐渐过渡到创新型与综合性试验。目前为止，创新型与综合设计型实验已经占据总实验项目的62%。此外，学院成立了我国西部地区唯一具备集成电路生产实习条件且应用于实验教学的超净工艺实验室，学生亲自动手实践完成器件设计、工艺操作和样品的测试一系列环节，加深对集成电路制造主要流程与技术的理解。专业实验的考核方式兼顾实验过程与实验结果。对于创新型与综合性实验项目，侧重于考核实验过程，新增实验小组答辩环节，考核范围覆盖实验方案设计、实际动手操作能力、测试结果、实验报告以及答辩表现等环节。专业实验与集成电路学科覆盖的物理、器件、电路、系统等专门知识一致，同时与集成电路材料、设计、制造、封装、测试的产业需求相符，在培养学生扎实基础的同时提高了学生的工程实践能力以及综合创新能力。2.集成电路设计与制造虚拟仿真教学实验。虚拟实验与实践操作实验相结合是未来实验发展必然趋势。优化后的实验平台中增加了“工艺”、“器件”、“集成电路设计”虚拟仿真三大实验平台，各个模块既有自身的侧重，又相互联系支撑，共同通过虚拟和仿真技术、多媒体、网络通信等技术手段，强化理论教学的效果。虚拟仿真实验平台涵盖集成电路产业链的主要环节，兼顾工艺、器件、电路等多方面的培养要求，具有综合性、实用性和创新型的鲜明特点。以《氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性虚拟仿真实验》为例，该实验取材于西安电子科技大学国家级科研成果，主要实验内容为器件虚拟工艺制造、光电特性仿真。AlGaN单量子阱GaNLED器件实验项目中的氮化镓发光二极管可以采用AlGaN、InGaN等作为单量子阱材料，学生可以根据需要的光波波长选择相应的量子阱材料，并可以根据需求改变器件的结构和材料参数，进而分析器件的光电特性。在虚拟环境中完成器件的设计，学生能够更直观地学习半导体集成器件的微观结构以及工作原理，并剖析影响器件性能的主要因素，引导学生逐步探索物理现象的本质，巧妙地解决了由抽象到具体，理论到实践的环节，弥补了工程实践中的某些薄弱环节。此外，利用虚拟仿真平台实现此实验，可以克服真实实验耗时长、成本高、环境要求苛刻、危险性大等弊端，使学生能够增强对所学理论课程的理解和掌握[12]，增强学生的理解能力与逻辑思维能力，提升人才培养质量。3.科研创新模块实验。通过专业实验模块的训练，学生已经具备了独立实验的能力以及基本的综合创新能力。为了进一步提高学生的科研创新思维，同时为学有余力以及科研思维活跃的学生提供更高展示能力的平台，学院在本科实验中增加科研创新实验模块[13]。高校的实验室拥有先进的实验设备，科研能力较强的师资队伍，科研创新实验模块充分利用实验室优势资源以及教师的科研创新能力，实现科研反哺实验教学。学院主要通过各类科研训练计划、课程设计、毕业设计等环节，在教师的指导下，提高学生的科研创新实践能力，实现科研创新与实验教学相融合。以本科生的科研训练资助计划（URTP）为例，URTP是在国家级和省级大学生创新训练计划的基础上，采用项目化的运作方式，通过设立创新基金和本科生资助申报的方式确定立项并给予资金支持，形成了全方位的本科生科研训练资助计划体系，鼓励学生在导师的指导下独立完成项目研究。该项科研训练项目鼓励本科生、申请专利，全面提升本科生的科研创新能力。面向本科生的科研训练计划核心是支持本科生开展科研训练，学生参与URTP的过程本质上是在进行研究性的学习，注重学生参与研究的学习过程，并鼓励本科生产生一定的科研成果。该计划为学有余力的学生提供直接参与科学研究的机会，引导学生进入科学前沿，了解学科发展动态。学生通过发现问题，激发创新思维，积极主动地探索知识的新领域，从而体验一种全新的研究性学习的乐趣。特别是参与科研训练计划的学生可以无条件进入开放实验室，在导师的指导下自主完成项目，实现科学研究与实验教学相结合。4.综合交叉融合模块实验。学科之间的综合交叉融合可以拓宽学生的思维及视野，激发学生的创新意识和动力，而且对当今高水平大学的学科协同发展和创新人才培养机制的完善具有重要的意义[14-15]。实验中心根据半导体与集成电路产业需求，优化实践教学体系，增加综合交叉融合实验模块，着重培养具有国际竞争力的多层次、复合型、创新型集成电路领域人才。综合交叉融合实验模块主要以两种载体实现学科之间的融合。其一，以各类学科竞赛为载体。积极组织学生参加大学生创新试验计划项目和各类学科竞赛、丰富学生课外创新活动，培养学生创新实践能力。以传统竞赛项目全国大学生电子设计竞赛为例，它重在于考核学生的动手创新实践能力以及综合运用知识的能力，竞赛命题范围广，涉及到数模集成电路设计、单片机、电源、物联网、大数据、云计算以及人工智能等方面的知识点。这势必要求带队教练根据自身专业所长对参赛学生进行专门的单项实践训练，学生在掌握基本原理的基础上，根据具体题目将不同学科知识综合交叉运用解决实际问题。其二，以学生毕业设计或者科研训练项目为载体，开展学科之间的交叉融合项目。以本科学生毕业设计项目“硅基二极管可重构偶极子天线关键技术研究”为例，此项目属于半导体与微波通讯的交叉结合课题，研究此课题必须掌握半导体器件物理、固体物理、半导体工艺制造等方面的数理基础知识，此外，必须熟悉微波通讯中等离子体与微波的相互关系以及天线的工作原理。基于半导体硅基二极管构成的偶极子天线具有传统金属天线无可比拟的优点，即体积小，且天线在没有激发的状态下，雷达散射截面可以忽略不计，具有隐身的性能；不改变物理结构的同时实现可重构；辐射方向范围宽等优点。这种交叉融合的新型天线为雷达与通讯系统性能的提升提供了一条有效的技术路径。优化后的实验体系中通过增加综合交叉融合实验模块的比重，实现工程实践与实验教学的相融合，不仅显著提高学生的创新实践动手能力以及综合运用知识解决实际工程问题的能力，而且产出了一系列具有影响的交叉创新成果，学科综合优势进一步提高，学科整体水平和创新活力显著提升。

二、实验教学体系成效

通过优化实验内容，增加虚拟仿真实验平台以及增加科研创新实验模块与综合交叉融合实验模块的比重，不断深化实践教学改革和完善实践教学体系，从而切实提高了大学生的工程实践动手能力。截至目前，国家级集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心拥有Silvaco、Synopsys、Cadence、Mentor等公司授权和自主研发的软件多套，拥有23台高性能计算服务器和300多台PC机，可实现年150000人/时虚拟教学实验任务。学院在3大模块9个虚拟仿真实验平台基础上，开设了52个虚拟仿真实验项目，所有虚拟仿真实验项目均对本科生开放，充分发挥学生学习的能动性。而且，学院已经与国内多家知名企业建立了战略合作伙伴关系，累计共派出200余人前往合作企业（院所），例如英飞凌、意法半导体、应用材料、德州仪器等国际知名微电子企业进行实习。企业为前来实习的学生提供与专业相关的实习岗位，并指派实习导师，与校内导师共同协助指导学生的毕业设计项目。同时，企业还在校内设立专项奖学金并赠送先进的仪器设备与软件，并提供培训课程，使得学生可以了解目前业界最先进的数字集成电路设计理念、方法、工具以及实例，对专业知识有更直观更深入的认识。在学生科技创新与创业方面，优化后的“四位一体”实验教学体系实施后，学生的实践创新与创业能力得到极大的提升。以国家、省部级各类学科竞赛为平台，对大学生进行课外创新、实践能力培养。学生科技成果丰硕、学科竞赛喜获佳绩，图4为新旧实验体系（2013年与2017年）学生科技创新与创业成果比较分析。此外，在新的实验体系实施后，学生获奖的级别也在逐年上升。以2018年为例，获得国家级别奖项有：获得2018年美国数学建模竞赛国际一等奖13人，国际二等奖10人；获得2018年中国大学生计算机设计大赛全国二等奖5人，第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国金奖2人，全国大学生嵌入式系统专题邀请赛国家一等奖1人，全国大学生瑞萨杯信息科技前沿专题邀请赛国家三等奖1人。创业方面，实验中心成功培育孵化学生创业项目8项，目前实现PreA轮融资企业2项，天使投资项目2项，企业估值约2.5亿元。数据表明，“四位一体”实验体系实施后能够给学生提供更多的工程实践机会，学生的科技创新获奖不仅种类与数量呈现逐年递增的趋势，而且获奖质量得到进一步提升。

三、结束语

紧密围绕微电子与集成电路专业的培养目标，构建了由通识实验，专业实验，科研创新实验，综合交叉融合实验四大模块构成的“四位一体”高平台实验体系，实验教学内容覆盖现代集成电路产业链的主要技术与技能环节，通过增加虚拟仿真实验平台并加大科技创新实验与综合交叉融合实验模块的比重，重点培养学生的科技创新能力以及运用综合知识融会贯通解决实际问题的能力。该实验体系的实施，取得了明显的成效，能够对微电子与集成电路相关专业的新工科建设和综合创新型人才实践教学的探索和改革提供借鉴作用。

作者:康海燕 娄永乐 冯晓丽 单位:西安电子科技大学