探究性教学在电子封装技术与材料课程中的实践

汉 晶 郭 福

北京工业大学 北京 100124

晶体管的发明距今已有70年，它带来了半导体技术的突飞猛进，并引发了计算机技术和通信技术的巨大进步。目前，从大型计算机到小型计算机再到联网个人机，都在向随时随地联网的复杂移动设备进展；将来，先进的车内连接产品、物联网、高速移动通讯设备、人工智能等，都会在中国经济发展进程中占有一席之地。中国的参与模式正在由“中国制造”转变为“中国创造”。电子封装技术与材料课程授课对象为已具备一定专业基础知识的材料加工模块大四学生，授课时间为每学年秋季学期，采用双语教学的授课方式，开设时间已长达七年之久。2017年，中共中央、国务院印发的《中长期青年发展规划(2016-2025年)》指出：“青年兴则国家兴，青年强则国家强。”进入新时代，课程的发展方式也应顺应时代的要求，坚持进行素质教育，提高教育质量，促进人的全面发展，提高人才培养的质量。

同时，我国近些年在深化教育领域综合改革方面取得了显著成果，党的十八大提出“推动高等教育内涵式发展”，党的十九大报告中，习近平总书记明确要求“实现高等教育内涵式发展”。这就要求高校的教育工作者不断在实践的过程中总结经验，改进教学方式。而探究性教学是一种教师启发学生进行教学的方式[1]，由美国施瓦布教授提出，探究的基本内容是所用教材使学生可以自主学习或自由讨论、以外围世界和实际生活作为参照、结合试错活动、理论联系实际分析解决问题。可见，这一过程充分体现了学生的主体地位，教师则充分发挥了主导作用[2]。在2017～2018学年第一学期电子封装技术与材料教学实践过程中，开展了探究性教学，将先进的教育理念应用于课堂和教学活动中。

1 设定问题情境 激发学生自主探究的欲望

在授课初始阶段，介绍课程框架，使学生明确课程的整体思路，课程主要包括两部分，第一部分为半导体和集成电路材料，第二部分为微电子封装技术和封装材料。首先使学生明确，无论是集成电路部分还是电子封装技术部分都是从材料的角度出发，属于入门级别，没有复杂的推导和计算。

课程由“最伟大的材料事件”展开，在2006年，美国的金属杂志动员了全世界著名的材料科学家评价人类历史上最伟大的材料事件，评出100项最伟大的材料事件，其中，威廉·肖克利、约翰·巴丁、沃特·布拉顿1948年于贝尔实验室发明了晶体管，在最伟大的材料事件中排名第三，“成为所有现代电子学的基石和微芯片与计算机技术的基础”，晶体管被称为“人类20世纪最伟大的发明”，这3位发明人还因此获得1956年的诺贝尔物理学奖，其中约翰·巴丁由于超导理论的研究还获得了1972年的诺贝尔物理学奖，而威廉·肖克利更是被称为“晶体管之父”。此时，教师提出问题情境：晶体管的发明人其实有3位，为什么只有威廉·肖克利被称为“晶体管之父”？引导学生思考，随后做出解答：这是由于威廉·肖克利尝试把晶体管产业化和商业化，并创立了硅谷历史上第一家科技公司，被称为“硅谷之父”。在课程伊始提出的这一问题，使学生学习到集成电路和电子封装专业知识的同时，认识到理论联系实际的重要性。

在发展历程方面，集成电路发展经历了真空管、双极性型晶体管、场效应管、鳍式场效应管4个主要阶段，而电子封装技术发展经历了引脚插入、表面贴装、球栅阵列、系统封装4个主要阶段。此时，教师提出问题情境：为什么芯片会出现上述4个发展阶段？为什么三极管或者存储器的集成度会按照“摩尔定律”飞速向前发展？为什么电子封装会出现上述4个发展阶段？引导学生自主思考，在后续的授课过程中，使学生认识到上述问题最根本的原因在于大公司对经济效益的追逐。此外，技术创新是不断的，新技术和新材料会不断实现“摩尔定律”预测的技术进步。

学生是探究式课堂的主体，教师要擅于提出合适的问题情境，主导课堂教学，引发学生独立思考，并且鼓励学生自主思考，调动学生的学习积极性，对设立的问题，在课堂上或者授课过程中予以解答，丰富学生对问题的理解，让学生的思维更发散，想象力更丰富，更加重视知识的理解和应用。随着问题的不断提出和不断解决，学生体会到分析解决问题的乐趣，树立了学习的信心，综合素质得到了提高。

2 结合前沿学科 发掘学生探究潜能

教师充分发挥主导作用，使学生明确电子封装技术与材料和前沿学科的紧密联系。毫无疑问，晶体管的发明对人类文明的革新程度前所未有，半导体或者说电子和微电子使人类的生活质量大幅提高，工作能力大幅提高，医疗和经济日趋全球化。此外，教师指出目前半导体取得的成就，仅仅是其对社会贡献的开始，在未来，高速移动通信技术、自动驾驶技术、无人机、机器人、物联网、人工智能等势不可挡的新科技都与电子封装技术与材料密切相关。

在即将到来的高速移动互联网时代，一切都将由物联网连接并虚拟化。机器人的发展趋势是更为普及、更为灵活、体积更小、使用更方便，机器人的眼球要能够灵活转动，关节要灵活，离不开挠性印制电路板的应用，因此，挠性印制电路板的用量会越来越多，它具有刚性印制电路板不可比拟的优点。

在人工智能领域，教师则以“好奇号”和“火星2020”探测器进行对比分析。“好奇号”已经在火星工作了五年，解答了诸多有关火星的基本问题，到2020年，它的继任者“火星2020”探测器取代它的时候，它将在火星工作满8年，而要搜索微生物本身存在的迹象则必须应用到人工智能，也就是说，“火星2020”将拥有更多的自主权，不用浪费大量时间等待指令，它能做得更多，也能做得更好。所谓的人工智能是让探测器自主进行判断，而人工智能领域则离不开先进电子封装技术与材料。

孔子说过： “知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”教师通过在课堂上设立与前沿科技相结合的问题情境，有效激发了学生的学习兴趣，提高了课堂上的“抬头率”，让学生在学习电子封装材料与技术相关专业知识的同时，充分认识到其重要性、实用性和先进性，让学生能够通过自主学习和独立思考发现通过工程可以改变世界，由此激发投身半导体行业的信心和决心。

3 注重实验教学 引导学生进行动觉学习

如今，观察和试错已经成为科学研究进步的必由之路。与电子封装技术与材料课程配套实验背后的主要理念是动觉学习，通过亲手焊接U盘，使学生通过“动手”方式熟悉表面贴装技术工艺流程，了解焊膏在表面贴装中的作用，熟悉各实验材料、仪器、设备的基本结构和工作原理，让学生了解U盘在实际生产过程中可能出现的问题，初步培养学生解决问题的综合能力。实验教学是一个很好的途径，它能够在引导学生掌握知识的同时，使学习过程变得生动。学生在焊接完成后可以立即体验成品的运行，有时候可以进行故障的排除，增加亲身学习的体验，帮助学生建立信心，为今后解决更为复杂的问题打下基础。此外，动觉学习还可以有效引导和鼓励学生把电子封装作为今后的事业，通过团队合作的方式，分享知识、经验和想法，有利于学生创新精神的培养和综合素质的提高。

4 布置创新性作业 培养学生分析解决问题的能力

通过布置创新性作业，可以引导学生自主学习，独立思考，进而解决问题。以教师布置的课后作业为例：硅石是二氧化硅，拉制硅单晶用的石英坩埚也是二氧化硅，让学生指出两者的主要区别在于材料纯度；在讲解完化学气相沉积的定义后，让学生判断改良西门子法中多晶硅的析出与生长是否属于化学气相沉积；与材料科学基础中学习过的专业知识相结合，让学生在理解固溶体定义的基础上，判断掺杂了杂质的PN结是否属于置换固溶体，并说明判断依据。教师设立了课后探究学习的情境，同时也注意把握学习难度，然后对学生的探究结果做出正确评价，并给予及时反馈，发掘学生的潜力，有利于培养学生自主学习、独立思考、分析解决问题的能力，而这些对于技术创新是至关重要的。

5 结语

在电子封装技术与材料课程的教学过程中，根据教学大纲的要求，在要求学生把握课程整体思路的基础上，充分认识到理论结合实际的重要性，积极开展实验教学，重视实验教学，培养学生动觉学习能力，并努力将授课内容与最前沿的学科结合，使学生明确电子封装技术与材料在这些前沿学科中的应用，充分认识到电子封装技术与材料的实用性和重要性，提高了学生的学习兴趣和积极性，在重视学生掌握了多少专业知识的同时，更加侧重于培养学生用自己的思路去探索问题、解答问题，并且强调要把这种思路应用到今后的生活和工作中。