漢 晶 郭 福

北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124

晶體管的發(fā)明距今已有70年，它帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，并引發(fā)了計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的巨大進(jìn)步。目前，從大型計算機(jī)到小型計算機(jī)再到聯(lián)網(wǎng)個人機(jī)，都在向隨時隨地聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜移動設(shè)備進(jìn)展；將來，先進(jìn)的車內(nèi)連接產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)、高速移動通訊設(shè)備、人工智能等，都會在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中占有一席之地。中國的參與模式正在由“中國制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊鴦?chuàng)造”。電子封裝技術(shù)與材料課程授課對象為已具備一定專業(yè)基礎(chǔ)知識的材料加工模塊大四學(xué)生，授課時間為每學(xué)年秋季學(xué)期，采用雙語教學(xué)的授課方式，開設(shè)時間已長達(dá)七年之久。2017年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中長期青年發(fā)展規(guī)劃(2016-2025年)》指出：“青年興則國家興，青年強(qiáng)則國家強(qiáng)。”進(jìn)入新時代，課程的發(fā)展方式也應(yīng)順應(yīng)時代的要求，堅持進(jìn)行素質(zhì)教育，提高教育質(zhì)量，促進(jìn)人的全面發(fā)展，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

同時，我國近些年在深化教育領(lǐng)域綜合改革方面取得了顯著成果，黨的十八大提出“推動高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”，黨的十九大報告中，習(xí)近平總書記明確要求“實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”。這就要求高校的教育工作者不斷在實踐的過程中總結(jié)經(jīng)驗，改進(jìn)教學(xué)方式。而探究性教學(xué)是一種教師啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的方式[1]，由美國施瓦布教授提出，探究的基本內(nèi)容是所用教材使學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)或自由討論、以外圍世界和實際生活作為參照、結(jié)合試錯活動、理論聯(lián)系實際分析解決問題。可見，這一過程充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，教師則充分發(fā)揮了主導(dǎo)作用[2]。在2017～2018學(xué)年第一學(xué)期電子封裝技術(shù)與材料教學(xué)實踐過程中，開展了探究性教學(xué)，將先進(jìn)的教育理念應(yīng)用于課堂和教學(xué)活動中。

1 設(shè)定問題情境 激發(fā)學(xué)生自主探究的欲望

在授課初始階段，介紹課程框架，使學(xué)生明確課程的整體思路，課程主要包括兩部分，第一部分為半導(dǎo)體和集成電路材料，第二部分為微電子封裝技術(shù)和封裝材料。首先使學(xué)生明確，無論是集成電路部分還是電子封裝技術(shù)部分都是從材料的角度出發(fā)，屬于入門級別，沒有復(fù)雜的推導(dǎo)和計算。

課程由“最偉大的材料事件”展開，在2006年，美國的金屬雜志動員了全世界著名的材料科學(xué)家評價人類歷史上最偉大的材料事件，評出100項最偉大的材料事件，其中，威廉·肖克利、約翰·巴丁、沃特·布拉頓1948年于貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，在最偉大的材料事件中排名第三，“成為所有現(xiàn)代電子學(xué)的基石和微芯片與計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)”，晶體管被稱為“人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明”，這3位發(fā)明人還因此獲得1956年的諾貝爾物理學(xué)獎，其中約翰·巴丁由于超導(dǎo)理論的研究還獲得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎，而威廉·肖克利更是被稱為“晶體管之父”。此時，教師提出問題情境：晶體管的發(fā)明人其實有3位，為什么只有威廉·肖克利被稱為“晶體管之父”？引導(dǎo)學(xué)生思考，隨后做出解答：這是由于威廉·肖克利嘗試把晶體管產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，并創(chuàng)立了硅谷歷史上第一家科技公司，被稱為“硅谷之父”。在課程伊始提出的這一問題，使學(xué)生學(xué)習(xí)到集成電路和電子封裝專業(yè)知識的同時，認(rèn)識到理論聯(lián)系實際的重要性。

在發(fā)展歷程方面，集成電路發(fā)展經(jīng)歷了真空管、雙極性型晶體管、場效應(yīng)管、鰭式場效應(yīng)管4個主要階段，而電子封裝技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了引腳插入、表面貼裝、球柵陣列、系統(tǒng)封裝4個主要階段。此時，教師提出問題情境：為什么芯片會出現(xiàn)上述4個發(fā)展階段？為什么三極管或者存儲器的集成度會按照“摩爾定律”飛速向前發(fā)展？為什么電子封裝會出現(xiàn)上述4個發(fā)展階段？引導(dǎo)學(xué)生自主思考，在后續(xù)的授課過程中，使學(xué)生認(rèn)識到上述問題最根本的原因在于大公司對經(jīng)濟(jì)效益的追逐。此外，技術(shù)創(chuàng)新是不斷的，新技術(shù)和新材料會不斷實現(xiàn)“摩爾定律”預(yù)測的技術(shù)進(jìn)步。

學(xué)生是探究式課堂的主體，教師要擅于提出合適的問題情境，主導(dǎo)課堂教學(xué)，引發(fā)學(xué)生獨立思考，并且鼓勵學(xué)生自主思考，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對設(shè)立的問題，在課堂上或者授課過程中予以解答，豐富學(xué)生對問題的理解，讓學(xué)生的思維更發(fā)散，想象力更豐富，更加重視知識的理解和應(yīng)用。隨著問題的不斷提出和不斷解決，學(xué)生體會到分析解決問題的樂趣，樹立了學(xué)習(xí)的信心，綜合素質(zhì)得到了提高。

2 結(jié)合前沿學(xué)科 發(fā)掘?qū)W生探究潛能

教師充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，使學(xué)生明確電子封裝技術(shù)與材料和前沿學(xué)科的緊密聯(lián)系。毫無疑問，晶體管的發(fā)明對人類文明的革新程度前所未有，半導(dǎo)體或者說電子和微電子使人類的生活質(zhì)量大幅提高，工作能力大幅提高，醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)日趨全球化。此外，教師指出目前半導(dǎo)體取得的成就，僅僅是其對社會貢獻(xiàn)的開始，在未來，高速移動通信技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、無人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等勢不可擋的新科技都與電子封裝技術(shù)與材料密切相關(guān)。

在即將到來的高速移動互聯(lián)網(wǎng)時代，一切都將由物聯(lián)網(wǎng)連接并虛擬化。機(jī)器人的發(fā)展趨勢是更為普及、更為靈活、體積更小、使用更方便，機(jī)器人的眼球要能夠靈活轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)要靈活，離不開撓性印制電路板的應(yīng)用，因此，撓性印制電路板的用量會越來越多，它具有剛性印制電路板不可比擬的優(yōu)點。

在人工智能領(lǐng)域，教師則以“好奇號”和“火星2020”探測器進(jìn)行對比分析?！昂闷嫣枴币呀?jīng)在火星工作了五年，解答了諸多有關(guān)火星的基本問題，到2020年，它的繼任者“火星2020”探測器取代它的時候，它將在火星工作滿8年，而要搜索微生物本身存在的跡象則必須應(yīng)用到人工智能，也就是說，“火星2020”將擁有更多的自主權(quán)，不用浪費大量時間等待指令，它能做得更多，也能做得更好。所謂的人工智能是讓探測器自主進(jìn)行判斷，而人工智能領(lǐng)域則離不開先進(jìn)電子封裝技術(shù)與材料。

孔子說過： “知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！苯處熗ㄟ^在課堂上設(shè)立與前沿科技相結(jié)合的問題情境，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂上的“抬頭率”，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電子封裝材料與技術(shù)相關(guān)專業(yè)知識的同時，充分認(rèn)識到其重要性、實用性和先進(jìn)性，讓學(xué)生能夠通過自主學(xué)習(xí)和獨立思考發(fā)現(xiàn)通過工程可以改變世界，由此激發(fā)投身半導(dǎo)體行業(yè)的信心和決心。

3 注重實驗教學(xué) 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行動覺學(xué)習(xí)

如今，觀察和試錯已經(jīng)成為科學(xué)研究進(jìn)步的必由之路。與電子封裝技術(shù)與材料課程配套實驗背后的主要理念是動覺學(xué)習(xí)，通過親手焊接U盤，使學(xué)生通過“動手”方式熟悉表面貼裝技術(shù)工藝流程，了解焊膏在表面貼裝中的作用，熟悉各實驗材料、儀器、設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，讓學(xué)生了解U盤在實際生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，初步培養(yǎng)學(xué)生解決問題的綜合能力。實驗教學(xué)是一個很好的途徑，它能夠在引導(dǎo)學(xué)生掌握知識的同時，使學(xué)習(xí)過程變得生動。學(xué)生在焊接完成后可以立即體驗成品的運行，有時候可以進(jìn)行故障的排除，增加親身學(xué)習(xí)的體驗，幫助學(xué)生建立信心，為今后解決更為復(fù)雜的問題打下基礎(chǔ)。此外，動覺學(xué)習(xí)還可以有效引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生把電子封裝作為今后的事業(yè)，通過團(tuán)隊合作的方式，分享知識、經(jīng)驗和想法，有利于學(xué)生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。

4 布置創(chuàng)新性作業(yè) 培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力

通過布置創(chuàng)新性作業(yè)，可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獨立思考，進(jìn)而解決問題。以教師布置的課后作業(yè)為例：硅石是二氧化硅，拉制硅單晶用的石英坩堝也是二氧化硅，讓學(xué)生指出兩者的主要區(qū)別在于材料純度；在講解完化學(xué)氣相沉積的定義后，讓學(xué)生判斷改良西門子法中多晶硅的析出與生長是否屬于化學(xué)氣相沉積；與材料科學(xué)基礎(chǔ)中學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識相結(jié)合，讓學(xué)生在理解固溶體定義的基礎(chǔ)上，判斷摻雜了雜質(zhì)的PN結(jié)是否屬于置換固溶體，并說明判斷依據(jù)。教師設(shè)立了課后探究學(xué)習(xí)的情境，同時也注意把握學(xué)習(xí)難度，然后對學(xué)生的探究結(jié)果做出正確評價，并給予及時反饋，發(fā)掘?qū)W生的潛力，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、分析解決問題的能力，而這些對于技術(shù)創(chuàng)新是至關(guān)重要的。

5 結(jié)語

在電子封裝技術(shù)與材料課程的教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，在要求學(xué)生把握課程整體思路的基礎(chǔ)上，充分認(rèn)識到理論結(jié)合實際的重要性，積極開展實驗教學(xué)，重視實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動覺學(xué)習(xí)能力，并努力將授課內(nèi)容與最前沿的學(xué)科結(jié)合，使學(xué)生明確電子封裝技術(shù)與材料在這些前沿學(xué)科中的應(yīng)用，充分認(rèn)識到電子封裝技術(shù)與材料的實用性和重要性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，在重視學(xué)生掌握了多少專業(yè)知識的同時，更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生用自己的思路去探索問題、解答問題，并且強(qiáng)調(diào)要把這種思路應(yīng)用到今后的生活和工作中。