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    146期红心水论坛:美国高校微电子类课程模式及其借鉴

    作者:admin 更新时间:2018年08月20日 10:01:08

    铁算盘心水论坛2018 www.259023.fun   摘要:课程是高等教育解决“如何保障人的培养”的核心保障资源,美国一流高校微电子类课程支撑了相关专业的通识教育,包括课程体系、课程内容、教学方法和课程实验,实践着该学科专业有效的专业教育,成就着一种使人持续发展的教育。美国众大学的共识共为以及从中美微电子类课程比较研究中值得我们借鉴的是:构建宽口径的专业课程体系、反映重融合的教学内容、体现研究型的教学方式以及实施强实践的课程实验。


      关键词:美国高校;微电子;课程;


      作者简介:冯晓丽(1966-)女,陕西蓝田县人,工程师,主要从事高等教育管理研究.


      高等教育的主要任务是为知识、技术创新提供智力支持和人力资源保障。作为高等教育主体的本科教育,肩负着为社会培养高素质人才的重任。随着国际社会对微电子技术和相关人才的现实需求,如何培养基础扎实、专业能力强、有国际视野的创新型高素质人才以满足社会经济、科技的发展需求,是每个国家都在探索的课题。


      一、中美微电子类课程比较分析


      (一)课程体系


      美国大学本科专业划分比较宽泛,微电子类课程多作为电气工程与计算机工程等专业的核心必修课程,课程体系与教学内容与国内的侧重点不同,保证了学生在掌握微电子专业知识与技能的同时,通过尽可能多地跨学科、跨领域学习,打破了课程、学科间的壁垒,培养了学生具备电子学领域可持续发展的能力[1]?;谡庵掷砟?,国外微电子类课程均涵盖面广,建立了从电子线路、电子器件、数字/模拟集成电路到集成系统,包括信号采集、运算及计算机处理等软硬件立体化、成系统的课程设置模式。这种模式的课程内容与体系使学生不仅从系统的应用层面掌握了现代电子技术前沿知识,更激发学生从物理层面进一步探索器件与单元电路等基础理论与应用能力培养的学习热情。例如,美国麻省理工学院(MIT)电子工程专业经典主干课程“电路与电子学”包含了我国微电子学科专业课程体系中“器件物理”“电路分析基础”“模拟电子技术基础”和“数字电路与逻辑设计”的主要内容,这种纵向高度集成化的课程设置将电路基本理论与现代模拟和数字系统中电子器件的原理及其分析、设计和应用紧密联系起来,为电子工程领域提供了一个覆盖“器件—电路—系统”的宽口径电子类基础课程。


      反观国内高校,微电子本科专业设置过度细化,设置了独立的微电子学或相似专业,其课程主要包含“模拟电子技术基础”“数字电子技术基础”“半导体物理与器件物理”“CMOS模拟集成电路设计”“数字集成电路设计”等课程,其实践环节内容包括电子技术实验、数字集成电路课程设计等,这种专业体系与课程内容尽管在知识的深度上占有优势,但对知识的衔接以及宽口径人才的培养方面是有缺陷的。


      (二)教学内容


      美国大学微电子类课程的相关专业教学内容非常注重培养学生知识的学习与灵活运用的能力,注重对学生融会贯通能力的培养。例如“电路分析”与“电路设计”课程均突出教与学并重,教学中每个知识单元均有专门的电路分析和电路设计的讲授内容及实践内容,并在课程作业与课程实验中均有对应的体现??纬探彩诓捎妹嫦蛳低臣坝τ玫摹翱蒲Щ橄蟆狈椒?,并贯穿教学始终,强调电路及系统的教学与实践,基于各层次上不断以科学抽象的方法解决实际应用时复杂电子系统中各类具体问题的分析与设计?;诳蒲Щ橄蟮姆椒?,可将电路、电子学乃至计算机科学等基本理论高度融合,并有助于教学内容在课程作业与课程实验中的对应强化??杉?,国外微电子类课程由于打破了基础电路理论与模拟和数字电子学的界限,教学内容得以体现更多的实用背景和应用问题,课程讲授也实时体现模拟与数字电子技术的最新知识,在成体系的课程设置前提下,从课程内容上构成并落实了上述特色与优势。以MIT“电路与电子学”为例,其教学内容、知识点及问题的引入、分析与设计实例中均紧密结合有很强应用背景的实际问题,如电路的噪声容限、高速数字系统的串扰、静态和动态功耗等非理想效应及非线性效应等。


      国内微电子学科及相关专业部分课程教学内容由于过度细分后采用多课程设置,使得各课程及对应教材中不可避免地出现部分交叉重复,且各课程单一孤立化的讲授,使得教学内容间衔接整合度弱,未形成一个有机整体。如“信号与系统”和“数字信号处理”这两门课都对Z变换、离散时间信号与系统分析进行讲授,内容过度的重复弱化了课程间的整体耦合度。再如电路类课程中只讲授基本电路理论,未涉及电路的高阶效应及非线性效应等内容,导致实践性课程作业及课程设计很难开设。


      (三)教学方式


      美国高校微电子类课程采用分层次计划教学,注重循序渐进、高度衔接、面向应用、逐层逼近。前一阶段学习基础知识,后一阶段学习高层次知识,每阶段课程的知识点均有对应的课程作业,由易到难结合实验教学,培养学生的分析设计能力与动手创造能力。通过课堂讲授,使得学生在探讨与交流中掌握基本知识,通过课程作业与课程实验,使得学生在动手与创造中培养应用知识的综合能力。采用独特的知识体系,用统一的方法研究电路与电子学,引入全新的教学方法,并且利用“抽象”的方法逐步建立从物理学到电路理论,从电子学到模拟与数字系统再进入计算机科学的知识体系。例如,美国加州大学伯克利分校的“电气工程”专业课程分为初级和高级课程:“微电子电路导论”初级课程强调微电子的基础知识,每周授课3小时、讨论1小时;“数字电子学”或“工程电子技术”中级课程则侧重半导体器件及集成电路设计,所以在每周授课3小时、讨论1小时的基础上,增加每周3小时的实验;“模拟集成电路”和“数字集成电路”两门高级课程均为每周授课3小时、讨论1小时、实验3小时[2]。美国斯坦福大学电子工程专业,“电子学导论”基础课程不仅涵盖了从基本直流电路分析和测量、运算放大器到数字逻辑电路的基础知识,而且每周还有3小时的实验;即使是为低年级学生开设的“电路I”和“电路II”,在重点讲解电路基本分析方法的同时,也结合具体电路讲授静态和动态分析、线性或非线性网络分析等面向实际应用电路的专业知识。


      国内微电子学科部分专业课程存在着课程知识过度抽象、工作原理推导繁琐和公式罗列复杂,适合于高层次研究型人才培养。尽管最大限度地注重本学科知识体系的整体性和系统性,但由于过度复杂的理论教学本身直观体现性弱,再加上缺乏对应的实验环节或实践性课程作业,导致学生理解程度及学习热情均有所下降。


      (四)实验课程


      在实验教学方面,以美国麻省理工学院为例,从实验课程设置上看,所有中高级课程都配有对应的实验,包括专门开设实验课程以及课程综合实验;从实验课程内容上看,包括Matlab仿真实验、Spice仿真实验、综合设计及仿真实验、电路硬件实验,这样的实验课程最大限度地培养了学生的电路分析、综合设计以及实际应用等方面的能力。即使是实验学时不多的课程,如MIT的电路实验课仅有4次,也需要学生在这4次的实验过程中利用课时外的时间,从开始完成简单实验到最后要完成一个完整系统的设计和调试,不断实践,对学生的综合应用能力效果明显。此外多样化的教学资源也是教学与实践课程顺利开展的支撑,例如MIT学生可在图书馆或校园网上观看长达9小时的教学录像,是课后复习的有效补充[3]。


      国内也有部分高校学习国外的实验教学模式,在学生学习基本知识的同时为学生开设基础实验和专业实验,让学生更好地掌握所学知识,但实验课程量较少,且验证实验多、综合性实验少,学生通过实验深化知识的掌握方面较弱。如一些电路设计中的优缺点与局限性等方面做得不够到位。在实验设备和其他保障条件大为改善的今天,需要在实践教学方面进行深化改革,逐步缩小与国外的差距。


      二、美国高校微电子类课程模式对我国的借鉴


      随着高校办学国际化程度的大力推进,我国微电子学科相关专业课程无论从课程体系、课程内容、教学方法和教材选用等方面,在保持自身特色的同时,积极吸收、借鉴国外,特别是美国高校的课程建设理念、模式和方法。美国一流高校微电子类课程模式值得我们借鉴。


      (一)构建宽口径的专业课程体系


      国外微电子类课程体系具有连续性、完整性、系统性和理论性强等特点。在尊重上述特点的同时,应着重总结与工程实践相结合的经验和案例,合理借鉴国外特别是美国大学电路类课程体系中的先进部分,处理好微电子学科相关专业的课程与现代电子新技术和新方法之间的对接与协调,建立宽口径的课程体系是当前重要任务之一。由于微电子学科相关专业对学生掌握知识的深度和广度两个方面要求都比较高,我国微电子学科专业课程体系应涵盖以下3大基?。菏紫仁俏锢砘。捍笱锢怼孔恿ρА烫逦锢怼氲继逦锢怼氲继迤骷锢?;其次是电路基?。耗D獾缏贰值缏贰傻缏贰上低?;第三是系统基?。杭扑慊逑到峁?、通信系统原理、数字信号处理、电磁场与微波技术等。


      (二)反映重融合的教学内容


      微电子与集成电路技术的发展正在使不同学科、不同应用领域的知识与技术相互融合,例如,微电子与材料、光电、通信、计算机、信号处理甚至新能源、生物医疗等领域的交叉正在不断深入。我国微电子要在教学内容上一直遵循比较完整的经典理论体系,近年来在更新知识体系与内容方面虽然做了大量工作,但是在反映新技术、新方法和与时俱进的知识体系方面仍显得不足,特别是在教学和教材的修订中,可以借鉴美国大学的做法,按照工程应用的需要更新知识,重新梳理知识架构,大胆创新和调整课程内容和体系,建立反映知识融合的教学内容。


      (三)体现研究型的教学方式


      美国高??纬探萄О才啪哂胁愦涡?,强调以学生为主,注重循序渐进,这非常适合学习与掌握知识的自然规律。结合国内的教学实际,要特别突出体现以学生为本,因材施教,尊重学生的个体差异,推崇注重个性发展的现代教育理念,从思想认识的高度上强化研究型教学方式的推广,实现“以教为主”向“以学为主”的转变。全面推进以学生为中心、以学为主、以问题为导向、以任务为驱动的研究型教学与学习方式,强调教师导学,摒弃“填鸭式”教学方法,要授之以“渔”。倡导知识的掌握,通过教师的精讲、学生的多练并辅之以多媒体技术。增加学生课后自主学习,以能力培养为主实施多元化课程考核内容与形式。在课堂教学的基础上,更加强调学生课后的自主学习与自我提升,最终实现从单一的传统的知识传授向综合能力、实践能力的培养转变;实现从重教轻学向以教师为主导以学生为主体的转变;积极推行启发式教学、探究式教学、研究型教学和学生自主学习、协作学习等相结合的先进教学方式。


      (四)实施强实践的课程实验


      国外先进高校特别强调实验教学,强调对学生动手实践能力的培养。几乎所有的专业课程均配有实验,实验内容和形式多样化,有课内设计、软件仿真验证、硬件制作测试、项目设计和综合讨论分析等。实验课程分为综合预习、实验准备、实验实施和实验报告撰写等阶段,每一阶段均设有明确的时间节点、书面要求和学分要求,对主讲老师、助教和实验保障老师的责任分工非常明确,有效地保障了实验教学的质量。


      目前,国内各高校也都十分注重对学生动手能力的培养,尤其重视课程的实践教学环节。在电路实验方面,国内已经有不少高校建立了包括硬件实验、仿真实验和虚拟实验等实验环节的教学。从层次上划分,电路类课程实验可以划分为验证性实验、设计综合性实验和创新性实验3个层次。由于各高校对于实践教学投入的不断加大,实验教学的重视程度和发展前景较为乐观。但是,与国外相比,我们的电路实验内容安排上不尽合理,验证性实验偏多,综合性与研究性实验尚少,与当代科技发展的最新趋势有明显差距,应加强工程实践教学内容,增加综合性和研究性实验。


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