集成電路教程全文(5篇)

摘要：

微電子器件作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，是學(xué)生學(xué)習(xí)理解后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。為了符合學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的需求，筆者對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，引入TCAD仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能形象直觀的了解器件的制作流程及器件制備過程中相關(guān)參數(shù)對(duì)器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響；帶學(xué)生參觀電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中山分室，了解有機(jī)器件的制備測(cè)試流程。微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入，不僅提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)課程的積極性，也促進(jìn)學(xué)生更好的理解課程的理論教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：綜合性實(shí)驗(yàn)；工藝流程；器件結(jié)構(gòu)；軟件仿真；有機(jī)器件

引言

微電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的課程目的是讓電子與科學(xué)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)半導(dǎo)體器件物理與工藝的理解，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，深入理解半導(dǎo)體材料的物理特性，器件制備的工藝步驟，工藝條件對(duì)器件結(jié)構(gòu)性能的影響，器件結(jié)構(gòu)對(duì)器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)課程的開展可以有效提高學(xué)生對(duì)微電子器件理論課程的學(xué)習(xí)理解，為設(shè)計(jì)具有特定功能的器件和電路準(zhǔn)備條件。學(xué)院目前傳統(tǒng)的微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，不利于開展綜合型實(shí)驗(yàn)，也不利于學(xué)生更深入的學(xué)習(xí)理解課程內(nèi)容。因此，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革是極具意義的。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)改革

微電子學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)授課學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，共有10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菐椭鷮W(xué)生進(jìn)一步掌握半導(dǎo)體材料的壽命、薄膜厚度的測(cè)試方法、測(cè)試器件的電流電壓特性、溫度特性、測(cè)量器件的開關(guān)時(shí)間、特征頻率等。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生深入理解理論課程有一定作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)置基本以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)難度有限，不利于學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，另一方面，由于儀器設(shè)備數(shù)量限制，每臺(tái)儀器有4-5個(gè)學(xué)生循環(huán)使用，學(xué)生不能充分利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。因此，筆者經(jīng)過反復(fù)教學(xué)嘗試，提出了如下改革方案，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依據(jù)課程的相關(guān)性調(diào)整為8個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)縮短到2個(gè)學(xué)時(shí)。為了解決儀器數(shù)量不足，每次實(shí)驗(yàn)課同時(shí)開設(shè)2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這樣每臺(tái)儀器人數(shù)可以控制在2人左右。一次課講解2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)講解時(shí)間太長(zhǎng)，學(xué)生容易遺忘，教師需要反復(fù)講解，沒有太多時(shí)間給學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)過程中遇到的疑難問題。為了解決這一問題，筆者對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原理及操作的講解錄制成微視頻，上傳至學(xué)院數(shù)字化平臺(tái)供學(xué)生下載預(yù)習(xí)，上課的時(shí)候利用多媒體循環(huán)播放，這樣學(xué)生就可以根據(jù)視頻教學(xué)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，筆者也有足夠的時(shí)間為學(xué)生解答實(shí)驗(yàn)過程中的疑難問題。教學(xué)方式的改革不僅取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，也大大縮短了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，作者可以利用剩下的24學(xué)時(shí)開設(shè)TCAD仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

摘要：針對(duì)常規(guī)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的元器件參數(shù)固定、被動(dòng)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐能力培養(yǎng)不足等問題，研發(fā)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成了“以學(xué)生為中心”、層次化的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，該平臺(tái)便于學(xué)生更好地完成個(gè)性化、探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：模塊化；電路實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

隨著電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的不斷深入，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。為解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中元器件參數(shù)固定、內(nèi)容單一、被動(dòng)實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐能力不足、缺乏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放的環(huán)境等問題[1-2]，設(shè)計(jì)開發(fā)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)按照資源共享、功能集約的原則，將目前大部分高校普遍使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱中的元器件分離出來，制作成分立的元器件模塊，讓學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)選取合適的模塊，建構(gòu)個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)電路來完成實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)自2017年秋季學(xué)期開始使用至今，獲得了令人滿意的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)滿足新時(shí)代、新形勢(shì)下對(duì)建設(shè)一流課程的要求，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”、學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動(dòng)的教育理念，可以有效地幫助學(xué)生在當(dāng)前已有的全開放自主學(xué)習(xí)環(huán)境下，更好地完成個(gè)性化、探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)。基于該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)改革，完善了課程內(nèi)容的高階性和創(chuàng)新性，提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新能力，保證了電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量[3-4]。

1模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研制的必要性

電路實(shí)驗(yàn)課程作為電類專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是電類專業(yè)培養(yǎng)方案中一門重要的必修課程。原有的實(shí)驗(yàn)方式通常是基于定制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或元器件固定的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式將大部分實(shí)驗(yàn)元器件隱藏到了面板內(nèi)部，存在如下問題。一是學(xué)生對(duì)實(shí)際工程中的元器件和測(cè)量設(shè)備缺乏直觀認(rèn)識(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。二是元件配置基本固定，開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)必須制作新的實(shí)驗(yàn)箱，需要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)。三是由于元器件之間不通用，導(dǎo)致開放實(shí)驗(yàn)室的使用效率和安全性降低。大部分學(xué)生無法完成自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?；谏鲜鰡栴}，設(shè)計(jì)了模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。第一，搭接電路全部為分立元器件的模塊，元器件全部裸露，接線直觀、清晰、方便，使學(xué)生進(jìn)行開放自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)由漫無邊際變得具有現(xiàn)實(shí)可行性。達(dá)到了每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、每名學(xué)生都能自主實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。第二，元器件參數(shù)覆蓋范圍全面。在其設(shè)計(jì)中，充分考慮元器件模塊之間的通用性，使得一些復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中引入。同時(shí)，考慮了模塊之間連接的安全性，采用帶護(hù)套的連接插孔和導(dǎo)線，經(jīng)濟(jì)耐用，接觸良好，全方位助力學(xué)生完成自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。第三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理更加科學(xué)、規(guī)范、合理，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)更新只需在已有模塊的基礎(chǔ)上增添一個(gè)或幾個(gè)模塊，可以節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

2模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成和功能

模塊化電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含56種模塊和多功能電路連接底板，如圖1所示。模塊主要包括基本電路模塊、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱模塊(也稱黑箱模塊)、高電壓實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。這些模塊既能在交、直流電路使用，也可在高、低壓電路通用。

摘要：論述了X射線的發(fā)現(xiàn)，不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大發(fā)現(xiàn)；半導(dǎo)體的發(fā)明，使微電子產(chǎn)業(yè)稱雄20世紀(jì)，并促進(jìn)信息技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)；原子能理論的提出，使原子能逐步取代石化能源，給人類提供巨大的清潔能源；激光理論的提出及激光器的發(fā)明，使激光在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、通信、軍事上得到廣泛應(yīng)用；藍(lán)光LED的發(fā)明，將點(diǎn)亮整個(gè)21世紀(jì).事實(shí)告訴我們，是物理學(xué)推動(dòng)科技創(chuàng)新，由此得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.昭示人們，高校作為培養(yǎng)人才的場(chǎng)所，理工科要重視大學(xué)物理課程.

關(guān)鍵詞：X射線；半導(dǎo)體；原子能；激光；藍(lán)光LED；科技創(chuàng)新；大學(xué)物理

1引言

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用以及最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[1-3]，其內(nèi)容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ).縱觀物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)：其蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識(shí)的形成，同時(shí)，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會(huì)帶動(dòng)人類社會(huì)的科技創(chuàng)新和科技發(fā)展.正因如此，大學(xué)物理成為了高等學(xué)校理、工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程.按照教育部頒發(fā)的相關(guān)文件要求[4-5]，大學(xué)物理課程最低學(xué)時(shí)數(shù)為126學(xué)時(shí)，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時(shí)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)最低學(xué)時(shí)數(shù)為54學(xué)時(shí)，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時(shí).然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴(yán)格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開設(shè)大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程.他們往往打著“寬口徑、應(yīng)用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，如今，大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程的總學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)際僅為32-96學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時(shí)）.試問這么少的課時(shí)怎么講豐富、深?yuàn)W的大學(xué)物理？怎么能夠真正發(fā)揮出大學(xué)物理的作用？于是有的院、系要求只講力學(xué)，有的要求只講熱學(xué)，有的則要求只講電磁學(xué)，…面對(duì)這種情況，大學(xué)物理的授課教師在無奈狀態(tài)下講授大學(xué)物理.從《大學(xué)物理課程報(bào)告論壇》上獲悉，這不是個(gè)別學(xué)校的做法，在全國具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個(gè)完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可.這種以消減教學(xué)內(nèi)容為代價(jià)，解決課時(shí)不足的做法，就如同削足適履，是對(duì)教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識(shí)落后的一種體現(xiàn).本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，只論及物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對(duì)大學(xué)物理課程重要性的認(rèn)識(shí).

2物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉

且不說力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；且不說庫倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創(chuàng)立的電磁學(xué)的發(fā)展，以電動(dòng)機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實(shí)現(xiàn)了電氣化.這兩次工業(yè)革命沒有發(fā)生在中國，使中國近代落后了.本文著重論述近代物理學(xué)的發(fā)展對(duì)科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)作用，從而得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.1895年，威廉•倫琴（WilhelmR魻ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線，這種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強(qiáng)，由于當(dāng)時(shí)不知道它是什么，故取名X射線.直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點(diǎn)陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長(zhǎng)為10-10m的數(shù)量級(jí)[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他發(fā)現(xiàn)的X射線開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，利用X光機(jī)探測(cè)骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測(cè)腸道梗塞.CT成像也是利用X射線成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現(xiàn)圖像，它可以清楚地展示被檢測(cè)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確確定病變位置.當(dāng)今，各醫(yī)院都設(shè)置放射科，X射線在醫(yī)學(xué)上得到充分利用.X射線的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn).1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•勞侖斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d為晶格常數(shù)，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長(zhǎng).布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)立了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)今，X射線衍射儀不僅在物理學(xué)研究，而且在化學(xué)、生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)、材料等學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數(shù)高等學(xué)校都有X射線衍射儀，它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的必備儀器.1907年，威廉•湯姆孫（W•Thomson）發(fā)現(xiàn)電子，電子質(zhì)量me=9.11×10-31kg，電子荷電e=-1.602×10-19C.電子的荷電性引發(fā)了20世紀(jì)產(chǎn)生革命.1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導(dǎo)體材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ge晶體具有放大作用，發(fā)明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發(fā)展.1958年，美國的工程師基爾比制成第一批集成電路.1971年，英特爾公司的霍夫把計(jì)算機(jī)的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個(gè)微處理器.80年代末，芯片上集成的元件數(shù)已突破1000萬大關(guān).微電子技術(shù)改變了人類生活，微電子技術(shù)稱雄20世紀(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄.到各個(gè)工業(yè)區(qū)看看，發(fā)現(xiàn)電子廠比比皆是，這真是小小電子轉(zhuǎn)動(dòng)了整個(gè)地球??！電子不僅具有荷電性，還具有荷磁性.

1925年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假說，每個(gè)電子都具有自旋角動(dòng)量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個(gè)數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個(gè)電子的磁矩為MSz=芎μB(μB為玻爾磁子）[7].電子的荷磁性沉睡了半個(gè)多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾•費(fèi)爾（AlberFert）和彼得•格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化呈顯著改變，其機(jī)理是相臨鐵磁層間通過非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場(chǎng)時(shí)電阻率大，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對(duì)電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運(yùn)，提出巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance,GMR），磁電阻MR定義MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)為零場(chǎng)下的電阻率，ρ(H)為加場(chǎng)下的電阻率[8].GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強(qiáng)烈關(guān)注，1994年IBM公司依據(jù)巨磁電阻效應(yīng)原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻MR只有1%-2%，而新型讀出磁頭的MR約50%，將磁盤記錄密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現(xiàn)筆記本電腦、MP3等，GMR效應(yīng)在磁傳感器、數(shù)控機(jī)庫、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等方面得到廣泛應(yīng)用.阿爾貝?費(fèi)爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達(dá)105%，稱為龐磁電阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲(chǔ)、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)科研人員的極大關(guān)注[10-12].然而，CMR效應(yīng)還沒有得到實(shí)際應(yīng)用，原因是要實(shí)現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級(jí)的外磁場(chǎng)，問題出在CMR產(chǎn)生的物理機(jī)制還沒有真正弄清楚.1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個(gè)粒子來說，如果由于自身內(nèi)部的過程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)地減小.”提出著名的質(zhì)能關(guān)系式△E=△m莓C2式中△m.表示經(jīng)過反應(yīng)后粒子的總靜質(zhì)量的減小，△E表示核反應(yīng)釋放的能量.愛因斯坦又提出實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來驗(yàn)證這個(gè)理論，不是不可能成功的.”按照愛因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)重原子核裂變.核裂變首先被用于戰(zhàn)爭(zhēng)，1945年8月6日和9日，美國對(duì)日本的廣島和長(zhǎng)崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布無條件投降.后來原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發(fā)電站投入運(yùn)行.2009年，美國有104座核電站，核電站發(fā)電量占本國發(fā)電總量的20%，法國有59臺(tái)機(jī)組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國運(yùn)行的核電站有23座，在建核電站有26座，產(chǎn)能為21.4千兆瓦，核電站發(fā)電量占我國發(fā)電總量不足3%，所以我國提出大力發(fā)展核電，制定了到2020年核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到58千兆瓦的目標(biāo).核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機(jī).利用海水中的氘和氚發(fā)生核聚變可以產(chǎn)生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量.那時(shí)，能源危機(jī)徹底解除.

高等工程教育作為培養(yǎng)工程科技人才的重要環(huán)節(jié)，與國家和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)[1-2]。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國制造2025”的進(jìn)程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識(shí)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為國內(nèi)高等教育領(lǐng)域最重要的任務(wù)[3]。為推動(dòng)工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應(yīng)國家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國際競(jìng)爭(zhēng)的新形勢(shì)，我國2016年加入了《華盛頓協(xié)議》[4-5]，2017年提出了“新工科”建設(shè)的思路[6-11]，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，注重教育成果產(chǎn)出及持續(xù)改進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)施以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學(xué)生在工程實(shí)踐活動(dòng)中綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟蒙環(huán)節(jié)，是工程教育中不可或缺的組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在一定的實(shí)驗(yàn)資源支撐下，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，通過讓學(xué)生循環(huán)往復(fù)地學(xué)習(xí)、模仿和積累，訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能的過程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源平臺(tái)支撐和過程管理三位一體的協(xié)調(diào)運(yùn)作[13]。教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》要求“深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進(jìn)行著諸多有益的探索[14-15]。為了適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新要求，依托我校省級(jí)和部級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心并聯(lián)合我校國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在原有工作基礎(chǔ)之上[16-18]，以“計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)”課程急需的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為指向，依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，逐步形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享、運(yùn)行有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目新體系，為培養(yǎng)具有扎實(shí)信息基礎(chǔ)知識(shí)、強(qiáng)烈工程創(chuàng)新意識(shí)、較強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的計(jì)算機(jī)類專業(yè)創(chuàng)新型人才提供有力保障。

1教學(xué)體系構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心堅(jiān)持課程建設(shè)與人才培養(yǎng)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的原則，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示?！?23456”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括：1個(gè)目標(biāo)——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)；2個(gè)融合——通過第一課堂和第二課堂之間知識(shí)互補(bǔ)、機(jī)制互動(dòng)的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質(zhì)教育資源；3個(gè)集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實(shí)驗(yàn)課程和特色拓展實(shí)踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)、再到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和綜合設(shè)計(jì)的全過程教學(xué)；4個(gè)導(dǎo)向——引導(dǎo)學(xué)生通過研發(fā)或設(shè)計(jì)成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學(xué)情操和績(jī)效責(zé)任等能力和素質(zhì)；5個(gè)模式——通過探究式演示、觀察和驗(yàn)證、反設(shè)計(jì)推論、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練5種自主學(xué)習(xí)模式，完成知識(shí)學(xué)習(xí)、運(yùn)用和能力訓(xùn)練；6個(gè)能力——培養(yǎng)學(xué)生的工程知識(shí)運(yùn)用、方案設(shè)計(jì)開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會(huì)分析（工程中的社會(huì)因素及工程對(duì)社會(huì)的影響分析）、團(tuán)隊(duì)溝通表達(dá)、項(xiàng)目工程管理6個(gè)方面工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。依托省部級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心打造高起點(diǎn)教學(xué)平臺(tái)，在教材建設(shè)、設(shè)備研發(fā)、項(xiàng)目開發(fā)、考核評(píng)價(jià)方面，開發(fā)高水平、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)共享教學(xué)資源，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系高質(zhì)量、高效率的運(yùn)行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項(xiàng)目管理方面能夠?qū)崿F(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2教學(xué)資源平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原則。堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設(shè)計(jì)原則，以解決復(fù)雜工程問題為主線，引導(dǎo)科學(xué)思維為目的，把理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能以及創(chuàng)新意識(shí)融入到“計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)”課程的理論學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，既要體現(xiàn)知識(shí)的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質(zhì)培養(yǎng)，遵循認(rèn)識(shí)→理解→消化→實(shí)踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進(jìn)認(rèn)知流程。學(xué)生可根據(jù)已有的知識(shí)、技能、愛好以及工程創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實(shí)踐。通過以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵(lì)自主科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身探究能力特長(zhǎng)，創(chuàng)造性地解決教師提出的復(fù)雜工程問題。2.2技術(shù)架構(gòu)。計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）包括理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、輔助功能和系統(tǒng)管理4個(gè)部分，如圖2所示。平臺(tái)基于Web技術(shù)構(gòu)建，采用B/S架構(gòu).Net框架開發(fā)，插件為Multisim，選擇SQLServer作為服務(wù)器后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，托管校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳思瓤梢栽谛?nèi)通過校園網(wǎng)直接訪問仿真平臺(tái)，也可以在校外通過Internet訪問，支持500個(gè)并發(fā)用戶。平臺(tái)基于全局的實(shí)踐教學(xué)觀設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，注重學(xué)生設(shè)計(jì)的規(guī)范性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，注重電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測(cè)試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗(yàn)證；在學(xué)習(xí)中，注重對(duì)學(xué)生引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、吸收、拓展和提升。2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化教學(xué)內(nèi)容為指向，將復(fù)雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。深入融合教研成果，依托信息技術(shù)，研發(fā)數(shù)量眾多、內(nèi)容豐富、類型齊全的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與企業(yè)的真實(shí)案例和實(shí)用技術(shù)相當(dāng)，提供工程氛圍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，具有模塊化、層次化、多元化、系列化特色，引導(dǎo)學(xué)生探索工程創(chuàng)新項(xiàng)目研發(fā)過程，掌握科學(xué)研究基本方法，強(qiáng)調(diào)人人都能成功，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生由被動(dòng)式學(xué)習(xí)變成主動(dòng)式學(xué)習(xí)，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。（1）邏輯測(cè)試實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計(jì)數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測(cè)試，相比實(shí)物操作，可達(dá)到事半功倍的效果。（2）數(shù)字單元實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生熟練使用邏輯門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、電路圖繪制、仿真分析以及調(diào)試等全過程，具備分析和解決一般性工程問題的能力，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。（3）數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生熟練掌握常用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字式控制器、數(shù)字式電子儀器、接口與數(shù)據(jù)通信等系列工程項(xiàng)目所涉及的學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析、設(shè)計(jì)修改、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制作、設(shè)計(jì)總結(jié)等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術(shù)知識(shí)構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識(shí)，能夠應(yīng)用數(shù)字邏輯技術(shù)的基本原理對(duì)工程復(fù)雜問題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，熟悉和掌握科學(xué)研究的基本過程及方法。2.4教材編寫。為了拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度，編寫與課程相關(guān)的工程教育系列教材，如《數(shù)字邏輯與仿真設(shè)計(jì)》《數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與指導(dǎo)》《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程》等。新教材具有可讀性、實(shí)用性和技術(shù)性，讓學(xué)生感到學(xué)有所值、學(xué)有所用，無論是在課堂上學(xué)習(xí)，還是在課外自學(xué)，都能在一定程度上幫助學(xué)生學(xué)習(xí)掌握工程基本要素、工程技術(shù)設(shè)計(jì)方法和分析方法。2.5服務(wù)方式。（1）在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面為學(xué)生全面開放?；?dòng)可視化操作貫穿于全過程中，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、自主創(chuàng)新。（2）為課堂教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、學(xué)術(shù)交流提供有力支持。（3）讓其他高校學(xué)生和社會(huì)上的學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。（4）為各種競(jìng)賽培訓(xùn)、個(gè)性化培養(yǎng)提供便利，打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3運(yùn)行機(jī)制

平臺(tái)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境近乎真實(shí)情境，與實(shí)際工作相似，能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。學(xué)生能夠親自動(dòng)手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計(jì)、邊實(shí)踐，完全沉浸在現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)、工作情境中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體實(shí)施過程包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和自我評(píng)價(jià)4個(gè)階段，經(jīng)過21個(gè)具體環(huán)節(jié)和步驟。3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。（1）實(shí)驗(yàn)需求分析：通過在線教材或者互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)，查閱與實(shí)驗(yàn)題目相關(guān)的背景資料，進(jìn)行理論知識(shí)、實(shí)踐技能等方面準(zhǔn)備。（2）方案設(shè)計(jì)與論證：學(xué)習(xí)教材的相關(guān)內(nèi)容，還可以查閱其他設(shè)計(jì)方案資料。（3）技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計(jì)：選用教材中給出的數(shù)據(jù)，還可以自行調(diào)整數(shù)據(jù)。（4）電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理由：按照教材中指定的去做，還可發(fā)揮自身創(chuàng)造力。（5）理論推導(dǎo)：按照教材指定步驟，進(jìn)行公式推導(dǎo)及理論計(jì)算。（6）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術(shù)資料，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告編寫工作。3.2實(shí)驗(yàn)仿真階段。（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。（8）電路檢查：按照設(shè)計(jì)報(bào)告或教材，嚴(yán)格仔細(xì)檢查電路及線路連接。（9）儀器仿真數(shù)據(jù)測(cè)量：參照教材，選擇合適的測(cè)試點(diǎn)，接入相應(yīng)的儀器儀表，儀器參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行電路，觀察測(cè)試點(diǎn)波形和狀態(tài)變化，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。（10）實(shí)驗(yàn)分析：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形、曲線進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)分析、研究，判斷設(shè)計(jì)的合理性、正確性以及存在的問題等。（11）設(shè)計(jì)修改：以達(dá)到電路性能指標(biāo)要求為目的，或適當(dāng)提高技術(shù)性能參數(shù)。（12）電路布局調(diào)整與子模塊電路生成：規(guī)范或完善電路設(shè)計(jì)，并為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供便利。3.3實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段。（13）實(shí)驗(yàn)過程描述：主要包括設(shè)計(jì)方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。（14）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理：整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格規(guī)范，波形、曲線圖清晰、全面，且大小適中。（15）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設(shè)計(jì)的技術(shù)性、改進(jìn)性、創(chuàng)新性等。（16）技術(shù)討論：圍繞實(shí)驗(yàn)過程、改進(jìn)性、建議等展開討論。（17）實(shí)驗(yàn)收獲：闡述宏觀知識(shí)、技能等方面的收獲、水平和提高。（18）實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術(shù)資料，完成實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告編寫工作。實(shí)驗(yàn)報(bào)告=實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告+實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告。3.4自我評(píng)價(jià)階段。（19）實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)：參照實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（20）實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)：參照實(shí)際操作評(píng)分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（21）實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)報(bào)告分值100分，實(shí)驗(yàn)操作分值100分。實(shí)驗(yàn)總分=報(bào)告分?jǐn)?shù)×40%+操作分?jǐn)?shù)×60%。成績(jī)等級(jí)：90~100分為優(yōu)秀，80~89分為良好，70~79分為中等，70~69分為及格。

【摘要】《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》課程是我校針對(duì)?？茖哟螌W(xué)生開設(shè)的一門職業(yè)素質(zhì)必修課，理清其教學(xué)思路，才能真正把握整個(gè)教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量。本文圍繞《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》課程的四大實(shí)施要素，對(duì)該課程的教學(xué)思路進(jìn)行了深入的分析?！?/p>

【關(guān)鍵字】計(jì)算機(jī)應(yīng)用；教學(xué)思路；教學(xué)指導(dǎo)

作為教學(xué)實(shí)施的主導(dǎo)者，每位教師都應(yīng)該在教學(xué)開展前理清一條清晰的、有效的教學(xué)思路，才能在一門課程的教學(xué)過程中把握方向，從而獲得一定的教學(xué)效果。另外，一門課程的教學(xué)思路不應(yīng)該是固定而不能變化的，要能夠因教學(xué)對(duì)象、具體教學(xué)過程的情況變化而進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)不同的人才培養(yǎng)需求。本文針對(duì)《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》課程，從課程定位、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教材、教學(xué)參考資料、教學(xué)方法與手段、學(xué)生學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)等多個(gè)方面，詳細(xì)論述了這門課程的教學(xué)思路。

1課程定位和教學(xué)內(nèi)容

1.1課程定位

《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》課程是面向我校計(jì)算機(jī)專業(yè)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)?？茖哟螌W(xué)生的一門職業(yè)素質(zhì)必修課，是培養(yǎng)信息時(shí)代高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)性課程。該課程的任務(wù)是使學(xué)生具有信息社會(huì)背景在所必須的信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，使用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)代化信息技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步以及社會(huì)整體環(huán)境的深遠(yuǎn)影響。在學(xué)習(xí)本課程后，學(xué)生能主動(dòng)并積極地提高自身的信息素養(yǎng)；能掌握使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的獲取、加工、傳播和應(yīng)用的能力；能適應(yīng)信息社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為今后的主動(dòng)學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)和適應(yīng)信息化工作環(huán)境奠定一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2教學(xué)目標(biāo)