材料加工模块本科生课程研究性教学实践

汉晶 郭福

摘 要 “电子封装技术与材料”及“材料加工实验”是北京工业大学材料科学与工程学院为材料加工模块大四本科生开设的专业必修课程。结合这两门课程的教学大纲，教师在授课过程中开展研究性教学实践，在引导学生认识到专业知识重要性的基础上，注重培養学生自主学习、深入思考的能力，激发学生的创新思维，取得良好的教学效果。

关键词 研究性教学；创新思维；材料加工实验；电子封装技术与材料

中图分类号：G642.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0073-03

Practice in Research Teaching on Undergraduate Courses of Materials Processing//HAN Jing， GUO Fu

Abstracts Electronic Packaging Technology and Materials and Experiments in Materials Processing are professional compulsory courses offered by School of Materials Science and Engineering， Beijing University of Technology. The target audiences are the senior

undergraduate students majored in materials processing. According to the syllabuses of the courses， based on the teaching practice of the

courses， we carried out the practice research teaching. It is necessary to clarify the importance of professional knowledge to the students. Moreover， we should guide and cultivate the innovative thinking of

the students. Therefore， students ability to learn independently， think

independently and analyze problems can be improved.

Key words research teaching； innovative thinking； experiments in materials processing； electronic packaging technology and materials

1 引言

早在1950年，美国心理学会主席吉尔福德在一次演讲中首次提出创新的概念，并指出创新是具有创造能力人群的特点[1]。2005年，教育部发布的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中明确指出：推动研究性教学，提高大学生创新能力[2]。近年来，我国在深化教育领域综合改革方面取得显著成果，习近平总书记在十九大报告中提出“实现高等教育内涵式发展”的目标，并指出：创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑；要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。这为高校教师指明了方向，要在做好科研的基础上，在教学方面勤于思考，做到理论与实践相结合，为大学培养创新型人才。

所谓研究性教学，是以教师为主导、学生为主体的一种教学方式。与传统的教学方式相比，它更加注重培养学生分析解决问题的能力，激发学生的创新性思维，提升学生的综合素质[3-5]。研究性教学由德国教育家洪堡首先提出，他强调大学教育要与研究有机结合，大学生要独立从事研究，教师负责引导学生，提高学生的学习兴趣[6]。可见，研究性教学有利于提高学生的学习积极性，教师引导学生自主学习、独立思考、深入思考，全面提升学生各方面的能力，有利于创新型人才的培养。

北京工业大学材料科学与工程学院为材料加工模块大四本科生开设两门专业必修课，分别为电子封装技术与材料课程、材料加工实验课程，其中材料加工实验课程是材料加工模块开设的唯一一门实验课程。在2017—1018学年第一学期的电子封装技术与材料课程及材料加工实验课程教学过程中，根据本专业的学科特点，将先进教育理论应用到专业课教学过程中，注意结合学生的学习需求，挖掘学生的学习困惑，引导学生独立思考，培养学生创新思维，有的放矢地开展研究性教学实践，取得一定的教学效果，提高了学生分析解决问题的能力和综合素质，在实际教学中认真贯彻了十九大精神。

2 引导学生认识到专业基础知识的重要性，注重知识的积累

电子封装技术与材料课程及材料加工实验课程的开课时间均在每学年第一学期，此时正值学生考研复习的紧张阶段。在课程伊始，有的学生提出，为了准备12月份的研究生入学考试，无暇顾及各门专业课的学习，不能保证每节课都按时参加，能否选择性学习部分实验课程？并询问对其期末成绩的影响程度。针对学生对专业基础知识和实验课程必要性和重要性认识不足的情况，教师需要加以正确引导，提高学生的学习热情和兴趣，指出学习的目的和意义并不在于成绩的高低，而在于对思维的锻炼，这也是各阶段教育的目的和意义所在。而创新性思维的开发，离不开本专业一定的基础知识积累，这两门课程中学习到的专业知识对学生增加知识储备，在后续课程中进行自主学习、独立思考与开展创新性思维意义重大，使学生充分认识到这两门课程学习的必要性和重要性，提高学生的学习积极性。教师在授课过程中需要尽力使原本貌似枯燥无聊的专业知识教学变得生动活泼。

教师要激发学生的学习兴趣，带领学生进入一个微观的世界——微电子领域，使学生认识到专业知识实际上与生活密切相关，电脑、手机、卫星导航、无人机，甚至打开电视机的遥控器，都离不开半导体器件。介绍半导体器件在未来会如何影响和改进人类的生活，涉及“更智能”的移动设备、汽车自动化、从车内连接产品到无人驾驶汽车、由洛克希德·马丁公司为美国海军研发的具备远程自动驾驶能力的巨型无人潜艇、超高速移动通信技术、人工智能、可穿戴设备、新型用户界面、虚拟现实、无人机、机器人、智能家电、智能房屋、物联网等。

与学生一起深入挖掘半导体的其他应用，如半导体可以应用于考古，帮助人类追溯历史，探究胡夫金字塔内部结构的奥秘。此外，半导体器件在生物学领域也取得巨大成就，在不久的将来，可将芯片植入人眼，让盲人重见光明；甚至编写DNA，复活猛犸象；口袋大小的DNA测序仪离不开半导体器件，它可以帮助遗传学家研究南极冰层中的微生物。半导体还可以应用于新一轮“太空竞赛”，如发射比哈勃太空望远镜强大100倍的太空望远镜，在彗星上放置探测器，猎取小行星，发射重型“猎鹰”运载火箭，证明太阳帆可以将宇宙飞船推进到太空深处，建造深空居住舱，发射“火星2020”号探测器等。引导学生认识到半导体对人类的贡献才刚刚开始，让学生产生对本门专业课知识的兴趣，并且明确只有学习了专业课知识，才能进行本专业的创新活动，从而注意进行专业知识的积累。

3 培养学生自主学习、深入思考的能力

从学生普遍比较感兴趣的无人机话题入手，首先向学生介绍无人机应用到的先进材料，包括电子封装材料；然后介绍无人机上信号的处理路线（摄像机捕捉到的视频信号被传送到芯片，经过处理后，通过视频输出端在屏幕上显示）；最后向学生介绍航空母舰弹射并且降落无人机的过程（计算机计算出无人机的降落位置，又通过跟踪雷达，得到无人机的实际位置，数据由计算机进行对比分析，然后传送至无人机的自动驾驶仪，指令无人机准确着舰）。在教学过程中，教师通过将无人机和航空母舰的知识与实际应用相结合，由浅入深、逐层深入，引导学生自主思考、独立思考，提高学生的综合素质。

与学生探讨和电子封装密切相关的人工智能，进一步引导学生自主思考、深入思考。首先，提出问题：“2012年发射的‘好奇号火星探测器在火星上探索了五年，帮助我们认识了火星，了解了火星。前不久，它刚刚登上了火星一座4000多米的山峰。接下来，人类的探索活动将着眼于火星生命，这时是否可以继续依赖‘好奇号呢？”答案是否定的。人类需要发射新一代“火星2020”探测器，新的探测器采用人工智能技术，不需要等待人类的指令，可以自主做出决定。然后让学生想象一个场景：清晨，新的探测器会把自己唤醒，预热设备，自行判断生命的形态、生命的食物、生命的能量来源，会利用激光射击目标，分析化学反应产物，把相关的数据和图像发送给人类。由此可见，人工智能使人类的角色由参与者变为监督者，这就是人工智能最为简单的例子。最后，引发学生更进一步地思考：这样的人工智能是好是坏呢？答案是有利有弊。未来，人工智能大量应用于武器和战争，如果武器拥有自主判断的能力，在拥有巨大潜力的同时，也是对人类巨大的威胁，甚至会改变国家的战略。教师引导学生自主、全面思考问题，认识到学以致用、深入思考的重要性。

4 结合实例，走出课堂，激发学生的创新性思维

在芯片的发展进程方面，目前，芯片已经发展到“鳍式场效应管”阶段，教师由此让学生认识到创新性思维的重要性，并激发学生自主进行创新性思维。在20世纪90年代中期，英特尔公司的联合创始人之一，集成电路的发明人罗伯特·诺伊斯做出一个预言：栅长或者说特征尺寸的极限是25纳米。教师提出问题：为什么如今的特征尺寸已经进展到7纳米以下？这是由于当时的CMOS场效应管技术虽然不再适用，但是又出现新的技术，推动了特征尺寸的进展。然后进一步引导学生去思考如何将CMOS场效应管技术加以改进，以实现特征尺寸的减小。随着特征尺寸减小，漏电的问题难以解决，此时，教师将电流通道形象地比喻成一个水管，即水流通道，也就是说现在要解决的是水管有效截流的问题。当水管很长的时候，在水管上放一块石头就解决了；问题是，水管短的时候，石头没有地方放，无法有效截流的问题出现，而假如把水管做薄，这个问题就迎刃而解。

教师指出：这一创新性思路由加州大学伯克利分校的华裔教授胡正明提出并证实，并且在提出十年后得以产业化，使更多的元件得以放入芯片中，人类才拥有更加智慧的器件。他因此当选美国工程院院士，并且于2016年获得美国时任总统奥巴马颁发的奖章。今后，人类还需要更多改进生活的技术，这一点离不开创新性思维。教师进一步指出：假如学生没有认真理解前面课程讲到的CMOS场效应管技术的相关知识，则不能很好地理解这一思路，从而证明掌握专业基础知识的重要性。通过引导学生思考鳍式场效应管这一创新技术，自然而然地让学生认识到创新思维的重要性，并认识到创新性思维是在具备一定专业基础知识的前提下，对其进行灵活应用。

如何走出课堂，进行实验教学，对于研究性教学来讲，显得尤为重要，假如知识仅仅停留于讲解和讨论，往往不能留下较为深刻的印象，如何让知识变得生动有趣格外重要。因此，对于作为电子封装技术与材料课程配套课程的材料加工实验课程，教师在教学过程中组织学生参观电子组装实验室，了解表面贴装相关设备。由教师进行U盘焊接演示实验，并由学生实际动手制作U盘，了解各个步骤及其作用，以便深入理解表面贴装技术和钎焊技术。课堂上，学生制作完U盘即可运行U盘，在体验电子产品魅力的同时获得成就感，激励自己把半导体行业作为今后奋斗的事业。有些学生还有机会进行故障解决，面对不同的故障原因，采用不同的方法进行解决，树立分析解决问题的信心，并为今后解决生活和工作中更为复杂的问题提供思路，同时进一步激发学生的创新性思维。

5 结语

在电子封装技术与材料及材料加工实验课程教学实践中，结合课程教学大纲，在引导学生认识专业基础知识重要性的基础上进行研究性教学实践，注重培养学生分析解决问题的能力，激发学生的创新性思维，取得良好的教学效果，对创新型人才的培养具有一定意义。

参考文献

[1]吴瑞林，王建中.研究性教学与研究生创新能力培养[J].學位与研究生教育，2013（3）：10-15.

[2]谢浩，侯小刚，卢平.“热力发电厂”课程研究性教学探索与实践[J].中国电力教育，2013（2）：59-60.

[3]屈波，程哲，马忠.基于自主性学习和研究性教学的本科教学模式的研究与实践[J].中国高教研究，2011（4）：85-87.

[4]别敦荣.研究性教学及其实施要求[J].中国大学教学，

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[5]许晓东，卞良.本科工程教育研究性教学探索与实践：以华中科技大学为例[J].高等工程教育研究，2014（2）：43-49.

[6]赵洪.研究性教学与大学教学方法改革[J].高等教育研究，2006（2）：71-75.