谢生 徐江涛 韩旭 张珊 兰馗博

[摘 要] 随着微电子技术进入后摩尔时代，集成电路专业的研究生不仅要掌握现行的硅基微电子技术，还要能够应对行业未来的重大技术变革，引领时代发展。作为本科生“微电子器件基础”的进阶课程，“现代半导体器件物理”是集成电路专业研究生的核心课程，研究生对器件物理知识的熟识程度直接影响其半导体器件分析和集成电路设计能力。本课程改革以“学生中心，产出导向”为指导，通过梳理课程知识体系，构建模块化的知识地图，将最新学术成果和行业动态融入教学内容，并利用翻转课堂、分组讨论等教学新模式和多元考评体系培养研究生的创新思维，提升研究生学习的积极性、主动性和课程参与度。本课程的教学改革成果为集成电路专业研究生的核心课程建设和人才培养提供了一定的参考。

[关键词] 课程改革;人才培养;集成电路;微电子器件

[基金项目] 2020年度天津大学研究生创新人才培养项目“科教产教融合推动卓越微电子人才培养”（YCX202048）;2021年度天津大学研究生创新人才培养项目“‘强芯梦引领的‘异质异构集成微电子人才培养”（YCX202115）;2020年度天津大学教改项目“微电子工艺原理课程思政”（202013）

[作者簡介] 谢 生（1978—），男，河北张家口人，博士，天津大学微电子学院副教授，主要从事半导体器件与模拟集成电路设计研究;徐江涛（1979—），男，河北唐山人，博士，天津大学微电子学院教授，主要从事集成电路设计研究;韩 旭（1985—），男，天津人，硕士，天津大学微电子学院讲师，主要从事大学生思想政治教育研究。

[中图分类号] G420 [文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2022）03-0041-04[收稿日期] 2021-07-04

引言

集成电路是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业[1]。然而，目前我国集成电路技术与国际先进水平尚存在较大差距，关键技术受制于人，导致我国在5G通信、大数据和人工智能等领域的发展受到限制，制约我国进入全球高端产业链。近几年先后发生的“中兴事件”“孟晚舟事件”和“华为5G禁令事件”等均与集成电路芯片密切相关。大力发展集成电路产业、培养集成电路高端人才是解决这一问题的关键突破口。因此，需要在价值观塑造、课程体系建设和人才培养模式等方面进行改革，打破传统思维和研究生培养体系的束缚，大胆尝试和创新。

天津大学微电子学院作为重点建设的国家示范性微电子学院之一，积极响应教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见和新工科建设理念精神[1，2]，在研究生核心课程建设、培养体制与机制，以及创新实践平台建设等方面进行了大胆尝试，取得了一些成果。本文以集成电路专业的核心课程“现代半导体器件物理”为例，探讨在课程教学内容、教学方法和评价手段等方面的改革措施，希望为其他高校集成电路专业的研究生核心课程建设和人才培养提供一些借鉴。

一、传统课程模式存在的问题

（一）课程内容陈旧，缺乏先进技术引领

半导体器件种类繁多，技术快速更迭，而研究生培养体系的修订速度难以跟上技术和产业的发展。特别是器件尺寸进入纳米量级，MOSFET器件受短沟道效应、泄漏电流和亚阈值摆幅的限制愈发突出，科研人员提出了一系列基于新原理、新结构或新材料的半导体器件，然而器件物理的教材建设远远滞后于技术发展。例如，施敏先生编撰的研究生经典教材《现代半导体器件物理》[3]成书于二十年前，未能涵盖当前流行的FinFET、GAAFET和TFET等器件新结构。如果教学内容中缺乏前沿理论和最新成果，研究生则难以了解和掌握半导体器件领域的最新进展和发展趋势，缺乏创新思维，更不可能引领时代发展。

（二）理论实践脱节，难以适应行业发展

集成电路人才培养是一项系统工程，除了掌握基础理论外，还需要通过工程实践加深知识的理解与应用，因此，需要高校与产业界相互协作，实现资源和优势互补，共同为社会发展和进步培养具有创新思维和能解决工程实际问题的集成电路人才。然而传统课程模式重理论、轻实践，难以实现学以致用、以用促学[4]。由于缺乏工程实践经历，研究生解决工程实际问题的能力也不强。

（三）教学模式单一，缺乏创新能力培养

传统教学模式以教师讲授为主，学生被动接受，主动思考和探索的积极性不高，而且半导体器件种类繁多，难以涵盖所有学生的兴趣点，整体学习效果并不理想。对于研究生课程教学，更应该革新教学模式，激发学生的主观能动性和自由探索精神，培养创新思维和解决问题的能力，以更好地应对未来的技术变革。

（四）评价方式片面，专业综合素质不强

传统评价方式仅考查研究生对理论知识的掌握程度，用一张试卷评价学生的整体学习成效，缺乏对学生创新思维、实践能力和专业综合素质的考查，从而导致学生重理论而轻实践，缺乏解决工程实际问题的能力。

二、改革措施与成效

针对上述问题，本课程改革以学生为中心，围绕集成电路产业对半导体器件物理的技术需求和学生兴趣点，在掌握理论知识的基础上，培养学生的创新思维和学术交流能力。在课程教学内容、教学模式和评价考核等方面进行了革新，探索了集成电路相关专业研究生培养的新模式。

（一）教学内容更新与优化

在过去的几十年，硅基集成电路产业的发展一直遵循摩尔定律，即每隔两年更新一代。当前，基于5nm FinFET的集成电路已进入量产，3nm技术将于2022年大规模投产，而2nm GAA结构的纳米线/纳米带器件的研发进展顺利。然而，通过进一步缩小器件尺寸以提升芯片性能的方案并不经济，所以当前集成电路产业同时向More than Moore和Beyond Moore方向发展[5]。在这种情况下，需要从器件结构和系统构架方面寻求改变，以适应3D堆叠的异质异构集成。而Beyond Moore则打破传统硅基限制，利用纳米尺度下二维材料的优异特性，使用石墨烯、二硫化钼等新型材料，构建基于电子自旋、量子干涉和忆阻等新机理的器件[6]。此外，受6G通信、超高密度存储和太赫兹探测等需求的驱动，各种新器件、新技术也不断涌现。为了培养能够适应技术变革，甚至引领未来的高层次人才，在本次课程改革中，将学术前沿成果和行业动态实时纳入课程教学内容，使学生能够把握集成电路技术的发展方向，为未来技术的更新换代提供理论支撑。

考虑到集成电路高层次人才既要具备当前主流器件的设计能力，迅速融入产业生产，又要面向未来器件可能在材料、机理和结构方面的重大变革，具备适应变化以致引领变化的能力，我们对“现代半导体器件物理”的教学内容进行了如图1所示的模块划分。其中，器件基础部分为本科生微电子器件的教学内容，核心器件模块为当前集成电路所用的主流器件，也是本课程的主要讲授内容，新型器件部分则着重讨论基于新材料、新机理和新结构的学术前沿成果。

（二）教学方法与过程

在传统的线下教学过程中，教师按照教学大纲要求，采取由浅到深或由易到难的方式对专业必备知识进行讲授。该教法的优点在于学生可以了解本课程所需掌握的大部分专业知识，但由于不同学生的兴趣点和研究方向不同，很难因材施教，使学生积极参与到课程建设和课程讨论中，达到教学相长的目的。根据如图2所示的学习金字塔模型，被动学习的平均留存率小于30%，若将课堂教学模式转换为主动学习，则可大大提升学生的学习效率。为此，本次课程改革积极转变教学理念，引入翻转课堂，形成以学生为中心，教师讲授和学生汇报相结合的教学新模式。

在32学时的教学安排中，教师利用前20学时讲授核心模块的主流器件，学生在理解这些器件的基本原理和结构后，结合个人兴趣，对当前学术前沿的自旋电子器件、忆阻器和隧穿效应晶体管等新型器件进行文献调研、学习和归纳整理，并通过PPT进行成果汇报。另外，从工程实践设计库中选取感兴趣的实践课题，进行TCAD仿真设计。通过上述改革措施，提高了学生的课堂参与度和主动学习的积极性，培养了探索精神和创新思维。

（三）评价与考核

课程以“学生中心，产出导向”为指导，开展全过程、多维度评价。注重学生创新思维、专业素质和沟通交流等多方面的考核，充分调动学生学习的主动性和积极性。在评价体系中，平时表现占10%，PPT成果汇报占40%，研究学习报告占50%。其中，PPT成果汇报成绩从版式（10%）、前沿性与新颖性（20%）、深度与广度（30%）、讲解效果及沟通交流（40%）四个方面进行评定。

考虑到学时和学生人数，本课程要求每4人为一组，学生按照个人兴趣自行分组、选题题目后，进行组内和组间研讨。为保证所有学生都积极主动地参与课程学习，在PPT成果展示前随机确定本组的汇报人，并且汇报人的成绩代表本组的成果汇报成绩，从而有效避免个别学生偷懒的现象。由于PPT汇报是全组学生分工协作的共同成果，所以在交流讨论环节中组内成员均可解答。为保证PPT成果展示具有一定的深度和广度，要求人均参考文献不少于十篇，汇报时间控制在20～25分钟，沟通交流环节5～10分钟。为提高学生的课堂参与度，选派学生代表对PPT汇报进行评分，积极交流学生的表现，并以此为依据纳入平时成绩。授课教师则作为评分细则的制定者和评委之一，指导学生代表完成PPT成果汇报的成绩评定，并根据学生评分情况，适当调整学生评分和教师评分的比重。

在课程结束后，各组学生将学习和调研情况撰写成研究学习报告，并列出小组成员的贡献比例。报告格式严格按照指定论文模板格式，使研究生提前熟悉科技论文写作体例和规范。教师根据学生的平时表现、PPT成果展示和研究报告的贡献核算最终成绩。

（四）改革成效

通过课程改革，实现了以学生为中心、教师为主導的教学新模式。研究生在掌握集成器件所需的专业基础知识外，可根据自己的兴趣进行探索，训练了学生发现问题和解决问题的思维，提高了自主学习的积极性和课程建设的参与度，增强了研究生学习的成就感与获得感。此外，通过PPT成果汇报和研究报告撰写，培养了研究生学术交流和科技论文写作能力，也丰富了“现代半导体器件物理”的教学内容，实现了教学相长和师生共同进步。

结语

“现代半导体器件物理”课程教学改革的目标是探索适合新形势下研究生人才培养的新范式。本文从课程内容建设、教学模式革新和评价方式转变等方面进行了有益的探索，形成了以学生为中心、教师为主导的教学新模式。通过引入最新研究成果、翻转课堂和多元考评体系等方式，不仅促使研究生把握集成电路技术的发展方向，而且培养了其发现、解决问题的思维和学术交流能力，为其适应变化以至引领未来技术发展方向提供必要的专业知识支撑。

参考文献

[1]教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见[A/OL].（2016-05-06）[2021-06-14].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201606/t20160607_248468.html.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]施敏.现代半导体器件物理[M].北京：科学出版社，2001：168-175.

[4]王科平，杨艺，李玉东.新工科背景下“模式识别”课程改革与探索[J].电气电子教学学报，2020，42（3）：52-56.

[5]常胜.后摩尔时代研究型微电子人才培养思考[J].教育教学论坛，2019（3）：214-216.

[6]孙玲，黎明，吴华强，等.后摩尔时代的微电子研究前沿与发展趋势[J].中国科学基金，2020，34（5）：652-659.

Reform and Exploration of Modern Semiconductor Device Physics Course

XIE Sheng1，2， XU Jiang-tao1，2， HAN Xu1， ZHANG Shan1， LAN Kui-bo1，2

（School of Microelectronics， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology， Tianjin 300072， China）

Abstract： As microelectronic technology steps into post-Moore era， the postgraduate students majoring in integrated circuit need not only to master the current silicon-based microelectronics technology， but also to have the ability to cope with the future technical innovations. As the advanced course of Fundamental of Microelectronic Devices， Modern Semiconductor Device Physics is one of the core courses for graduate students majoring in integrated circuits， and the knowledge of device physics directly affects students semiconductor device analysis ability and IC design ability. This course reform is guided by the student-centered and output-oriented concepts， and a modular knowledge map is constructed by reorganizing the professional knowledge system. The latest research findings and industry new progress are fused properly into the teaching. The innovative thinking of students is trained though the popular teaching modes （e.g. flipped classroom and group discussion） and multi-assessment system， thus improving the learning enthusiasm， initiative and course participation. The reform achievements provide some references for the core course construction and talent cultivation of integrated circuit major.

Key words： course reform; talent cultivation; integrated circuit; microelectronic devices