微机电教学在高等教育中的探讨

邵慧彬，宋占锋

(张家口职业技术学院，河北张家口050016)

1 微机电(MEMS)系统简介

微机电系统(MEMS)，是指可批量制作的微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、集通信和电源于一体的微型器件或系统，它是随着半导体集成电路的微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而诞生的新技术领域。MEMS具有微型化、批量生产成本低、集成化程度高和多学科交叉等特点，可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。

2 微机电系统的发展历程

微机电系统的概念于1959年由美国科学家Richard P Feynman提出。1988年，世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校，该电机直径仅为(60～120)μm，为世人瞩目，由此产生了世界微机电系统技术研究的一个阶段性标准。1989年，NSF(National Science Foundation)在研讨会的总结报告中提出“微电子技术应用于电子、机械系统”。自此，MEMS成为一个新的学术用语。在过去20多年中，微机电系统(MEMS)已经从早期的技术开发、设备探索和实验室研究的阶段发展到当前的实际应用阶段，并逐渐扩展到许多新的研究和探索领域，已经成为21世纪最具潜力的研究领域之一。2006年，全世界的MEMS产值已达约60亿美元，年增长率为14%，预料到2010年将成长为97亿美元的市场。由于微机电系统在医疗、生物、精密仪器、环境保护、航空航天、通讯、国防军工等领域有十分广阔的应用前景，它的推广使用势必带来空前的产业革命，可望成为下世纪初的支柱产业。

3 微机电(MEMS)产业发展

高校和科研院所从上世纪80年代开始从事微电子(MEMS)领域的相关研究，政府和有关部门对于MEMS科技的产业化给予了大力支持。上世纪90年代后，国家通过微机电(MEMS)基础研究项目、863计划、973计划支持微机电(MEMS)相关领域的研发活动，并提出在2011年国内微机电(MEMS)企业达到40家以上，成为全球最大的MEMS市场。此外，国家发展改革委、工业和信息化部联合编制了《电子信息产业技术进步和技术改造投资方向》，也将MEMS相关内容列为电子信息产业技术进步的方向。近几年发展过程中，成功的工业产品和突出的科研应用成果主要有以下几方面:

(1)喷墨打印机喷头。利用微加工技术制造的微电子(MEMS)打印喷头在打印机行业占有很大的市场份额，如HP公司制造的喷头每年有数10亿美元以上的营业额。

(2)微电子压力传感器。微电子(MEMS)压力传感器是最早开始研制，也是最早开始产业化的MEMS产品，已广泛应用于机械加工、汽车和其他工业控制等领域。

(3)数字光控制器(DLP)，是由数字微镜器件(DMD)作为核心原件，通过数字信息控制反射镜。每个微镜在二进制数字信号的控制下，在两个不同的位置上进行切换转动，从而将图像投影在屏幕上，具有广阔的经济价值。

(4)生物芯片技术。是生物医学技术和微加工技术结合的产物。微型化的生物芯片可用于微量生物采样同时检测和研究生物细胞、生物分子和DNA的特性。

(5)MEMS技术在通讯领域的应用。在移动通信领域，MEMS的产品主要有可变电容、高Q值电感、低损耗开关等。另一个重要领域是全光交换系统的光通讯，基于MEMS技术的光控开关是实现全光交换最有希望的技术。

近几年来在“传统”的MEMS以外，发展了许多新的应用领域。(1)光控技术，如光控开关、光调幅、光频调控等;(2)环保技术与监测(environmental protection and monitoring)用到了MEMS网络(Network);(3)生物领域中基因(DNA)、细胞(cell)和系统生物学(system biology)都用到了微系统的元件和工具;(4)微型能源的研究:在传统化学能电池微型化的研究过程中，氢电池、燃料电池、大电容储能器、微型内燃发电机和环境电能换能器逐渐受到人们的关注。

尽管目前MEMS已经在很多领域都有广泛的应用，然而MEMS技术所取得的成就却远未达到人们对它的期望。与其他产业相比，其产量依然十分有限。随着相应技术与基础研究的不断积累，工业应用与商业开发的加速，MEMS将加速发展，其市场潜力极其巨大。

4 国内微机电(MEMS)教育现状

高等职业教育肩负着为国家培养高级技术人才的重任，即培养那些不仅具有扎实的理论知识而且主要依靠动作技能和经验技艺在生产、服务第一线从事现场工作的直接操作者，因此在高等职业教育中开设微机电(MEMS)系统的相关课程，尤为重要。结合国内外最新研究成果，介绍微机电领域最新的前沿科学技术，并配合课程内容开设特色教学，使学生了解微机电系统的特点、微机电系统的设计与应用和研究中的困难，使学生尽快接近学科前沿，为其将来从事微机电系统的设计、开发和应用打下基础。

5 微机电教学在高等教育中的探讨

微机电研究作为一门新兴前沿学科，其在高职教育各方面处于初级阶段，教学方法上需要不断的探索和实践研究。

5.1 微机电系统课程的特点

5.1.1 高科技挑战性

近些年，微机电系统尽管发展很快，但是不管是理论还是实践的研究仍处于初级阶段。微机电系统不是传统机电系统的缩小和简单化，而是涉及了很多新的理论知识。传统的机电学理论已不能满足，必须建立新的理论体系。尽管微机电系统已经有了很大的进展，但还不够具体和完善，甚至有的理论还有着不同的见解。这就会给教师讲授带来一定的难度。这种挑战就会对教师提出较高的专业知识要求，也会对教师的专业技能提出较高的要求，只有具备了良好的专业技能，教师才能对教材、教学计划和内容更好地理解和把握。微机电系统尚未形成系统的理论，教师必须从多方面掌握理论基础知识，并根据学生自身素质选择教授教学内容。

5.1.2 多学科交融性

微机电系统具有高度的学科交融性，对从事微机电(MEMS)系统课程教学的老师提出了更高的专业素质要求。首先，要求教师本身不仅要具有丰富的基础知识，同时还要了解微电子学、机械学、材料学、制造等方面的最新发展成果;另外，还要求教师在讲课时要充分考虑学生本身的知识基础、理解能力和接受能力。

5.2 以专业需求为导向合理制定教学计划

5.2.1 合理制定教学计划，突出重点

微机电学科涉及知识庞杂，不仅包含相关学科理论知识，更要关注这些学科的发展动态、技术升级。因此，在安排教学内容时，要以学生的专业特点为导向做到内容具体、突出重点。例如，参照机械类学生的基础知识，主要讲授微机电系统集成和微细制造技术，其它相关知识概要讲解即可;对电气类学生，主要为其讲授微电子技术和微电气控制与应用等方面较宽领域的工程技术基础专业知识。

5.2.2 课堂介绍和实验环节相结合

为了取得最佳的教学效果，采取课堂讲授与实验环节相结合的方式。在课堂上，讲授完知识以后，立足现有条件，合理安排实验环节，使学生建立理性认识的同时，结合实验的桥梁，来培养学生由知识型向能力型转化，激发学生的发散性思维和创新能力。通过学生实验后的交流，深化其对实验的理解，提高学习兴趣。

5.2.3 改进教学方法，提高教师教学技能

以学生为主体，加强师生互动，正确了解学生的学习状态，有目的地改进教学方法。让学生对微机电系统发表自己的看法，吸收他们的见解改进教学方式、方法，与学生同提高共进步。教师必须对课程内容及其相关背景知识有深入清晰的了解和掌握，及时查阅最新文献介绍给学生，与学生展开讨论。向专家请教，积极参加相关的科研活动，以科研促进教学能力的提高。

6 展望

微机电(MEMS)产业是新世纪发展形成的高新科学技术，其孕育着巨大的技术发展潜力和广阔的市场空间。微机电技术的发展，将引发计算机、微电子、机械电子、信息通讯技术、生物科技和生命科学等领域的重大变革，并且影响人们对未知世界的认识观。高等教育肩负着为国家培养高素质技能人才的重任，培养创新型人才是高等教育教学改革的主要目标。微机电系统教学应围绕这一目标，把课堂教学和实验技能培养与人才培养结合起来进行探索，为高等教育注入新的活力。

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