“集成电路可靠性分析技术”课程教改探索

黄姣英 万 博 王香芬 李 凯

(北京航空航天大学 可靠性与系统工程研究所, 北京 100191)

高校高等教育的核心载体是课堂教学,课堂教学模式改革是当前高等教育研究领域和课堂教学改革实践领域的热点问题[1]。

本科阶段的主要教育目的是学生学习各类专业技能和知识,进而可以自主学习并解决实际问题。由于网络的普及,部分高校学生出现“厌学”现象,多样且便利的知识获取途径以及文娱性多媒体泛滥大大降低了课堂教学的效率,教学的第一任务转变成了如何将学生注意力聚焦在课堂上。

传统课堂教学模式是由两个时间上独立的过程组成,包括教师课堂时间精讲课程和学生课后时间自主学习,学生处于被动,主动性无法发挥。高校课堂教学改革需要考虑的基本问题包括:如何依托互联网时代背景,再塑高校高等教育的目的;结合新时代学生的特点,维持并拔高高校课堂的效率。于是讨论式教学[2]、“对分课堂”[3]、翻转课堂[4-5]、混合式教学[6]等多种教学模式应运而生。讨论式教学通过课堂讨论激发学生的主动学习动力,然而讨论占用大量课堂时间意味着教师讲解时间被压缩,因此学生需要充分预习才能有效讨论,这给学生造成较大负担,加上谨言慎行的传统文化,讨论效果会低于预期[2]。

为了激励学生学习动机,“对分课堂”教学模式综合了传统讲授法与讨论法的优点,将教学分为讲授(Presentation)、内化吸收(Assimilation)和讨论(Discussion)三个过程,因此对分课堂也可简称为PAD课堂。

近年来,翻转课堂被大量引入高校教学过程中,其研究引起大量学者的兴趣,翻转课堂研究成果呈上升趋势,研究聚焦在探讨翻转课堂的教学模式、翻转课堂在具体课程的应用设计和翻转课堂满意度调查研究等三个方面[4]。

在翻转课堂中,学生的学习兴趣、学习能力和合作探究的能力等均有所提高。但翻转课堂实践效果不够理想。在教学实践中,部分教师不能把握翻转课堂的核心,仍控制着课堂走向,学生主动性和积极性较低,侧重于追求形式上的课堂翻转。此外,适用于翻转课堂的课程类型仍有待商榷和探讨。

近年来,在集成电路领域被“卡脖子”的痛楚愈发强烈。国家针对集成电路领域出台了《教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见》。

国内高校在集成电路课程中,大多侧重集成电路的设计、仿真、制造和封装,围绕集成电路的固有可靠性提升,缺少从使用可靠性角度论述的课程,尤其缺少可靠性分析与可靠性评价技术的课程[7]。

当前该类课程的教学现状,主要集中于以下两类问题:一是广泛使用的仍是传统教学模式。教师课堂讲授,学生被动接受,积极性不容易被调动。二是教材内容欠缺工作实例,学生解决实际问题的能力无法提高。

此外,集成电路课程深厚的精神内涵和思想价值,应当进行课堂设计和实践摸索,从文献调研结果看,课程思政方面也欠缺,急需加强课程思政改革[8]。

2018年高校师生思想政治状况滚动调查结果显示[9],影响高校学生思想言行的首要因素是专业课教师。

“集成电路可靠性分析技术”课程是北京航空航天大学可靠性与系统工程学院本科生的专业课程,覆盖的专业有飞行器质量与可靠性、安全工程。考虑到课程存在一定的难度,结合前三轮次教学,对标一流课程和课程思政要求,结合项目驱动,课程将混合教学、对分课堂和思政元素融合到课程的全过程。分析课堂数据结果显示,实践该教学模式后,学生学习的主动性得到了提升,教学效果得到了提高。

1 课程特色分析与思考

1.1 课程特色分析

“集成电路可靠性分析技术”作为大四专业课,其承载的任务是,在短时间内(24学时),以深亚微米、SiP、MEMS等新型集成电路的固有可靠性为切入点,在掌握其工艺特性和制造工艺流程知识的基础上,分析集成电路制造工艺过程工艺污染、互连、封装和微观等方面缺陷与固有可靠性的关系;从提高使用可靠性角度,掌握集成电路电性能测试技术、可靠性分析与评价技术、信息安全分析与检测技术。

课堂授课内容包括集成电路制造工艺原理、集成电路芯片封装技术、集成电路封装缺陷和失效、集成电路电性能测试技术、集成电路可靠性分析技术和集成电路可靠性评价方法[7]等六个学术模块,旨在为集成电路全寿命周期可靠性提供一体化解决方案(如图1所示)。

图1 “集成电路可靠性分析技术”课程知识框架

1.2 课程设计思考

培养思维方式和开拓精神是传统教学模式的短板,也是高校高等教学的主要目标之一。根据学习方式的不同,学习可以分为主动学习和被动学习,不同学习方式与学习效果的关系可见学习金字塔理论[3](如图2所示)。

图2 学习金字塔理论

“集成电路可靠性分析技术”作为大四专业课,其承载的任务是,在24学时内,培养学生的自主学习能力,掌握新型集成电路的可靠性分析与评价技术,提高学生自己解决问题的能力。

深入分析学生的年龄和知识背景特征,结合前三轮次教学,反思教学效果,总结教学经验,对标一流课程和课程思政要求,通过梳理“集成电路可靠性分析技术”课程中存在的问题,发现:①课程嵌入的思政环节生硬,思政元素无设计不成体系;②师生互动较为简单,思政内容与知识点结合不紧密。

在教学内容方面,需明确学术和思想两方面的教学目标;通过目标驱动,细化并形成课程思政体系。将“立德树人”贯穿课堂,在教学设计上将国家意识、人文情怀等元素与知识点结合。

在教学模式方面,秉承“教得更少,学得更多”的教学理念,可结合项目驱动和对分课堂,采用线上线下混合授课模式。同时,寻找专业知识中思政元素的可附着点,在教学过程中渗入思政元素。

2 课程思政与教学模式构建

2.1 “微思政”施教策略

课程思政是追求立德树人,对专业知识中的思想品德教育元素进行挖掘,实现德育对课程内容的渗透[10]。

在前几轮次“集成电路可靠性分析技术”课程开展课程思政时,存在“集成电路可靠性分析技术”课程知识与思政内容融合不充分等问题,在课堂传授时,价值引领难以同步实现。将思政环节嵌入课程的形式也比较僵硬。

“集成电路可靠性分析技术”课程的思政相关元素很多,专业性也很高,因此课程内容很多、难度较高,如何将思政内容隐性地渗入在讲授中,需要提前研究确定策略。

“微思政”的“微”是指细微的隐性教育,而不是“微小”,即利用碎片时间开展思政教育[11]。

结合杨为民老师的感人事迹,课程围绕一个核心、三个要求和七个维度[12](如图3所示),将思政元素通过四条主线融入:①通过介绍集成电路产业的战略性定位,深化学生的荣誉使命感;②通过介绍中国集成电路史上最具代表性的六位科学家的事迹,激发学生不畏困难、执着研究的科学精神;③通过介绍当前集成电路产业国内外的差距以及一些近期的集成电路的假货识别[13]、硬件安全[14]等热点事件,提醒学生居安思危;④通过介绍国内集成电路失效分析和信息安全事件,培养学生的担当意识。

图3 课程思政目标

2.2 课堂教学方式探索

1)传统+讨论式教学

在第1轮次(2018年)教学过程中,以讲授基础知识为主,主要教学模式由课堂讲授和学生课后学习两部分组成。基本上,教师讲授什么,学生就被动接受什么,学生缺乏自主参与的热情,严重影响学生学习的积极性。

考虑到传统课堂教学模式缺乏师生交互,无法适应新时代学生的身体心理特点,在课程教学的后半部分,新增了讨论式教学。通过课堂讨论提升学生主动学习意愿。

实践发现:讨论占用大量课堂时间,教师讲解时间就被压缩;由于教师讲授时间较短,学生有效讨论需要充分预习;作为大四专业课程的“集成电路可靠性分析技术”反映学科积累,专业知识较多,学生预习时把握分寸困难、容易产生挫败感。

2) “对分课堂”教学

为了激起学生学习动机,在第2轮次教学中,新增了“对分课堂”教学模式。如图4所示可知,当堂对分是讲授和讨论在同一堂课,而隔堂对分是讲授和讨论不在同一堂课内。

图4 当堂对分与隔堂对分

“集成电路可靠性分析技术”课程一周一次课,共2节。在对分课堂教学模式中,课堂讨论和教师精讲新课各占一个课时。

虽然学生学习更主动,教师减轻负担。但由于讨论的开放性特点,容易影响学习系统性或者陷入看似学生自主实则教师引导的误区。学生的学习能力、学习兴趣和合作探究的能力等很难完全达到期待的效果。

实践发现:在“对分课堂”的框架内,还可以将三成课堂时间用于讨论,七成用于讲授;实践发现:当教师讲授的时间是学生讨论的时间的2倍多时,比较适合内容科学性较强、具有较多的工程应用背景的专业课程。

3)项目驱动式教学

在教学实践中发现,通过前两轮次的教学改革,借助微课资源和网络,学生的学习能力、学习兴趣均有所提高;学生通过系统学习,对集成电路可靠性的一些基本知识可以了解,但是解决问题和实际应用的能力还相当欠缺。为了进一步提升学生的合作探究能力,在第三轮次教学中,在教学内容方面,将理论知识与实践设计相融合;在教学方式上,新增项目驱动式教学模式课程用项目教学案例如表1所示。

表1 课程用项目教学案例

2.3 三七分课堂混合式教学模式构建

混合式教学(Blended Teaching)的核心理念是对学生有限的学习时间和空间进行扩展,促进学生深度学习。

“集成电路可靠性分析技术”课程,通过融合科研引领与教学引领,可将混合式教学和对分课堂的优点结合起来,合理重构,形成三七分课堂混合式教学模式。

三七分课堂混合式教学由线上学习和课堂教学两个模块组成。线上学习利用课前和课后时段开展,在课前阶段,教师推送资料,学习资料一般以短视频、微课为主,发布预习任务。课后阶段,师生的任务包括课程回顾和拓展作业,其中拓展作业是可选项。作为专业选修课,拓展作业以满足课程思政要求的工程伦理、大国工匠和科技报国等为主,围绕集成电路可靠性,结合当前的最新技术或者热点事件,提升学生的思辨能力。

考虑到“集成电路可靠性分析技术”课程的工程背景,在“对分课堂”的框架内,课堂时间以“三七分”为主。除此之外,首次课或教学内容简单的课上,采用当堂对分;首次课以后或有困难内容的课上,采用隔堂对分。

3 实践效果和思考

3.1 课程建设与师资储备

在课堂教学中不要囿于书本,研究方向可以吸收发现的学科、专业前沿等相关问题,并把研究成果和课程知识点相结合,更新课程内容,激起学生自主学习积极性,在保证教学中心地位的基础上,充分发挥科研导向作用。

课程教学团队均具有高级职称,承担了大量科研和技术研发任务,包括国家自然科学基金、技术基础和元器件的共性检测课题;此外,北航元器件中心作为第三方实验室的挂靠单位,承担了大量集成电路的检测筛选、失效分析、破坏性物理分析等工程任务,涉及了集成电路的电性能测试技术、试验技术和可靠性分析技术等,覆盖面广,可为教学内容提供丰富的素材。

3.2 教学实践

下面以“集成电路可靠性分析技术”课程中的破坏性物理分析为例,具体说明三七分课堂混合式教学模式的实践情况。

破坏性物理分析这部分的教学内容包括破坏性物理分析简介、集成电路DPA试验项目、集成电路DPA案例、假冒伪劣器件分析和物理特征分析PFA等五部分。

破坏性物理分析(destructive physical analysis)简称为DPA,是指通过对元器件样品解剖前后检验、分析的全过程,验证元器件是否满足相关要求。它用于检查元器件的批质量问题[13]。目前已有军用电子元器件破坏性物理分析的通用方法标准[15],包括DPA程序的一般要求以及典型电子元器件DPA试验与分析的通用方法和缺陷判据。

集成电路的可靠性分析技术包括失效分析、破坏性物理分析和结构分析,失效分析技术已讲解过,希望学生预习掌握破坏性物理分析简介,共包括定义、目的、参考标准在内等六部分。

教师课程前给学生提供的学习资料包括GJB4027A—2006、MIL-STD-883、PEM-INST-001和ESA PSS-01-60等标准,同时布置了思考题,如:对于军用集成电路,何时需进行破坏性物理分析?开展集成电路的DPA试验,触发批拒收缺陷的因素有哪些?

学生线上学习遇到问题时,可以在线提问。争取做到学生参加线下教学时均已理解破坏性物理分析的内涵。

课堂教学的第一节课由教师精讲新课,主要是结合工程失效案例,讲解不同封装的集成电路DPA试验项目,如何借助DPA试验开展假冒伪劣器件分析等知识;余下的20～30 min采用当堂对分,加深学生对设置DPA试验项目的针对性的理解。

课堂分组讨论密封型集成电路与塑封型集成电路DPA试验项目的异同,结合表2和器件封装特点,解释表格A、B、C、D、E处差别的原因。

表2 集成电路DPA试验项目(部分)

课后阶段,围绕课程内容回顾和拓展作业展开师生任务,拓展作业为自学物理特征分析PFA的课件。一般是结合课堂讨论和课后作业,回顾课堂内容,课后作业是课堂讨论的深化。留的作业是:塑封半导体集成电路的DPA试验项目有哪些?各试验项目对应的检查内容是什么?各试验项目可能预防的失效模式有哪些?

3.3 教学反思

通过学生课后反馈及线上评教情况,这种三七分课堂混合式教学模式得到了学生们的普遍认可,有效带动了他们的自主学习积极性,学生经过与教师、同学们的交流受益匪浅,而且课堂上介绍的项目实例使他们解决实际问题的能力得到了提高,协作能力也得到了提升。

这是因为:三七分课堂混合式教学模式可从学生、教师、课堂、要求和境界5个维度,实现教授和学习的转变。从图5可以看出,项目讨论取代课堂听讲,学生主动学习取代被动学习;教师引导探究取代知识讲授,通过考核综合能力而不是掌握的知识进行学生评价,促进创新能力、自学能力等综合能力的提升。

图5 三七分课堂混合式教学转变示意图

但也不能以偏概全,一概而论。“集成电路可靠性分析技术”课程具有专业性强、内容多、难度高等特点,讲课任务繁重,而又受限于课时,仍需在不断实践中,通过学生的课堂状态,分析学生对课程知识点的接受程度,做出适当调整。

视频、照片及其他多媒体工具,仅是辅助教学手段;授课应该以人为本,多鼓励学生查阅文献,不只是看教师提供的课件和资料。此外,需继续围绕教学内容、教学方法、课堂组织、师生活动、学习资源及课程思政等方面,进一步优化课程教学效果。

4 结语

通过对北京航空航天大学“集成电路可靠性分析技术”课程的分析和思考,提出将思政教育融入课堂,并设计“微思政”施教策略;结合前三轮次教学,结合项目驱动,通过将混合教学、对分课堂和思政元素融合到课程全过程,构建三七分课堂混合式教学模式,实现教学转变。

以破坏性物理分析教学为例,详细阐述了三七分课堂混合式教学的实施情况;实践效果表明,该教学方式可从学生、教师、课堂、要求和境界等五个维度,有效提升学生的自学能力、探究能力、表达能力、创新能力和思辨能力。