“微機電與微制造”課程多元化教學探索

劉 梅 王志明

(上海大學 機電工程與自動化學院, 上海 200444)

在傳感器領域,我國占據100%的低端傳感器市場,中高端市場超過60%被愛默生、西門子等外國巨頭占據。80%的傳感器芯片依賴國外[1]。而微機電系統MEMS與微系統技術是傳感器芯片的核心技術,特別是現代智能傳感器中的芯片設計制造技術是構筑未來智能社會的基礎,也是工業基礎支撐體系、各類裝備/產品的關鍵,亟待我國技術人員去突破,去創新。

在此背景下,很多高等院校如清華大學、復旦大學等,在21世紀初就開設了適合高年級本科生或研究生學習的MEMS課程[2-4],上海大學也不例外,面向國家重大需求,分別在2017年和2019年開設了面向研究生的“微機電系統(MEMS)”課程和面向本科生的“微機電與微制造”課程。

依據全國教育大會精神和“教育部關于加快建設高水平本科教育,全面提高人才培養能力的意見”,推動課堂教學革命。秉承“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體育人理念,針對“微機電與微制造”課程涉及面廣、內容多、理解難、實驗條件高、考核單一等問題,筆者經過三年的教學改革實踐,初步探索出了一條符合本校實際情況的課程教學、實驗和考核新模式,為達到既定的課程目標奠定了基礎。

1 合理化、思政化,教學手段多樣化

“微機電與微制造”課程是典型的微機電和微電子結合的課程,緊靠數學、物理、化學、力學、生物等基礎學科,涉及的內容多,實踐性強,知識面廣,同時要兼顧課程思政。如果教學內容組織和課程實驗安排不好,就會顧此失彼,避重就輕,無法達到課程目標要求。為此,本課程在教學過程中進行了如下的教學探索。

1.1 合理安排教學課時,點面結合,突出重點

“微機電與微制造”課程的架構如圖1所示,涉及的關鍵技術包括微機電系統設計與仿真、微細制造、微機電系統集成和封裝,其中微細制造是其基礎和核心。

圖1 課程架構和具體教學方式[5]

該課程的教學時間是32學時,由于課程內容涉及微流體力學、材料科學、擴散理論、有限元等知識,又由于上海大學施行三學期制,每學期十周的課程教學時間,在安排教學內容時,必須點面結合——內容全面,重點突出?？紤]到機械類專業學生的基礎,重點講授微機電系統基礎知識、微細制造技術等內容,其它作面上概要介紹。如講授MEMS器件的力學特性、器件設計的物理模型時,對材料力學基礎知識作全面回顧介紹,重點以最典型的懸臂梁結構作為例子,詳細講述其工作原理、建模、網格化和結果分析等。而在講解微流控芯片、微納3D打印、納米技術的時候,都是面上介紹。課程內容安排如表1所示。

1.2 多手段融合,提升學生解決問題的能力

針對課程涵蓋內容多、學生層次多樣的情況,采用多種教學方法。

基礎性的內容采用教師講解+網上慕課輔助的方式,既吸收公開課授課中的優點又結合本校實際情況。慕課如清華大學公開課“MEMS與微系統”中傳感器的敏感機理、光刻與體微加工技術等;

對于工藝、原理、應用等內容,采用教師講解+視頻動畫結合方式,直觀易懂;視頻如B站上的半導體制造工藝-硅片的生產過程;

難懂部分采用引導型教學方法,教師提供一個書面的以提問形式出現的任務,其中引導問題和引導句包含了完成任務的所需的所有信息;然后組織學生思考探討,并針對完成任務所提出的解決方案進行討論、分析,培養學生發現問題、解決問題的能力。如提高光刻精度,需要克服哪些壁壘;如何利用各種驅動原理設計一個微納顆粒夾持器等。

簡易知識點、最新研究成果則采用任務驅動教學法,讓學生以專題作業的形式完成,促使學生檢索相關數據庫,查閱文獻資料;基礎知識講完后,采用案例式教學,使學生對微機電系統與微制造有整體概念,提高其解決實際工程問題能力。

綜合的內容采用案例教學法,系統地從工作原理、結構設計、模態分析、工藝設計、版圖設計、工藝實現情況測試、器件封裝、性能測試和可靠性分析等環節講述常見MEMS產品的加工過程,將實踐教學融入課堂教學,培養學生解決實際問題能力。

1.3 利用多方資源,合理安排實驗環節

由于本課程內容新穎,傳統的實驗滿足不了本課程的實驗要求,為了解決這一矛盾,采用傳統實驗和虛擬實驗相結合的方式。本課程采用的虛擬實驗如下:

(1)為了解決學校沒有超凈間實驗室的問題,課程采用高等學校機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺的光刻工藝虛擬仿真實驗(http://vrlab-mech.com/rest/enterItem)。在進入虛擬實驗室前,利用瑞士聯邦理工學院公開課——“微納加工”,介紹超凈間,然后根據虛擬平臺的課前指導、預習,學生虛擬進入超凈間,進行清洗、前烘、冷卻、涂膠、曝光、顯影、檢測等一系列操作,學生分組完成實驗,分別提交報告,單獨考核。通過該虛擬實驗,學生掌握光刻工藝中涂膠、曝光、刻蝕等工作原理,了解所學的光學、精密機械及控制等在微加工中的應用;了解光刻工藝的主要影響因素及機理。使學生雖不能實地進入超凈間進行操作,仍能感同身受[6-8]。

(2)利用COMSOL設計加速度傳感器傳感模塊,仿真其工作原理[9-10]。學生需自行設計傳感模塊,仿真其對加速度/力信號的敏感,并畫相應版圖、提交實驗報告。通過這些內容,學生既可回顧“傳感檢測與信息處理”中的傳感器知識,又能將其用于實際問題的分析和解決。

不知過了多久，有人走到她面前站定。她抬眼，看見拎著一袋水果的方澤。對方不友好的神色一覽無余，譏諷道：“你居然有臉來?！彼_實沒臉，恨不得面前就有一條可以鉆的地縫。

1.4 課程思政,潤物無聲

以光刻機、芯片等卡脖子關鍵技術為例,激發學生的愛國情懷,啟發學生從工科的角度來考慮國家需要什么、社會需要什么,給學生努力的方向,培養學生的工程素養。以光刻機為例,可以培養學生的:

(1)責任感與奮斗目標:芯片產業鏈可劃分為設計、制造、封裝測試三部分。經過一二十年的不斷追趕,我國在芯片設計與封裝測試領域,并沒有落后太多。但大陸本土的芯片制造企業與如今最先進的芯片制造商相比還存在明顯代際差距——芯片制造企業至少落后3～5年,工藝制程落后大約3代。目前國內芯片產業中,要突破的最為關鍵的是光刻機。世界范圍內,掌握頂尖光刻機技術的是荷蘭ASML公司(阿斯麥)[11]。高端光刻設備制造已被列入“卡脖子”清單和國家重點支持的高新技術領域。我國的目標是:在2025年實現70%芯片自主率,高端光刻機三年左右可以自主,高端芯片技術問題五年左右將解決。每位學生都可能投身相關領域,為這個目標添磚加瓦。

(2)自信心:上面目標是完全可能實現的。國外專家也承認,某項技術對中國封鎖3年以上,中國人自己就會掌握這項技術。上世紀70年代左右,清華大學徐端頤團隊一切從零開始,于1971年研制出中國第一臺光刻機和分步重復照相機,并投入規模生產,供應全國半導體行業使用。1980年,該團隊完成了國內第一臺“自動對準分步投影光刻機”的研制,加工最細線寬為0.8 μm,填補了國內技術空白——這是中國的第二代光刻機。后來又研發了更為先進的“自動對準分步投影光刻機”。之后,國際“巴黎統籌委員會”便宣布:取消對華出口投影光刻機的禁運令[12]。這說明通過我們自己的努力,打破國際封鎖是必然的。

(3)工匠精神:ASML一臺光刻機包含了10萬個零部件,需要40個標準集裝箱才能裝下,涉及上游5000多家供應商,比如德國的光學設備與超精密儀器,美國的計量設備與光源等。研發這樣龐大復雜的光刻機,必然少不了工匠精神——敬業、審慎、精益求精和創新。

(4)天生我材必有用的堅持精神:徐端頤團隊離開了光刻機研發領域后,又成為中國光盤研究領域的主要奠基人之一。此次疫情中,微加工的微流控芯片檢測也大顯身手(南京大學研發出全集成碟式微流控芯片,實現新冠病毒即時檢測)。

2 多元化的課程考核方式

“微機電與微制造”課程不僅要讓學生接觸新知識,更重要的是培養其解決問題的能力,激發其探究和求知欲,使其保持終身學習的欲望和能力,樹立為國家為人民奮斗的專業使命感和擔當[13-14]。同樣,考核方式也要不斷改進,課程可采取卷面考試、實驗操作、課堂表現、師生互動、課堂報告等不同考核方法,根據考核內容將知識掌握情況和解決問題的能力等納入考評,形成多元化的評價內容,實現了形成性評價和終結性評價的有機結合。

(1)加強對學習過程的考核。課程考核要著力檢驗學生的創新思想和分析解決問題的能力,應綜合評價學生在整個課程學習過程的表現。平時成績占期末總成績的30%,其中,課堂表現占比6%、課堂報告12%、課程實驗12%(總占比30%)。平時成績充分考慮不同能力的學生在課程學習過程中的多元表現,得出一個綜合分。這種過程評價模式,促使學生在平時的課程學習中更加積極、投入。

(2)重視課程總結、調查的作用。期末考核成績占期末總成績的70%,采用課堂閉卷考試和課程論文相結合的方式進行。其中,閉卷考試占比56%,課程論文占比14%(總占比70%)。期末閉卷考試主要考核課程要重點掌握的理論知識點及依據知識點解決局部問題的能力。課程論文的主要內容是設計一個智能傳感器模塊,提升學生運用所學的知識系統性解決實際問題的能力,同時激發創新熱情和愛國情懷。

在課程考核的同時,學生的學習反饋是必不可少的,每次課程結束后,通過學校的網上教學平臺發布調查問卷,收集學生對本課程的自評、對教師的評價及課程存在的問題。這部分不做考核內容,只作為教師改進教學方法及手段、提高教學質量的參考依據。

3 教學思考

經過三年的實踐和探索,對“微機電與微制造”課程的教學有如下思考:

(1)上好一門課,教師必須對課程內容及背景知識有透徹的了解。教學上游刃有余的重要途徑之一是參加相關科研活動,以科研促教學。同時,還應加強教育理論、教學方法的學習,提高教學水平。在研究生課程“微機電系統”教學中,研究生搜集的資料也十分有益,可謂“教學相長”。

(2)學生的學習積極性和創造性需自由釋放。在每年的課程論文的評閱中,每每都有驚喜,在設計智能傳感器的模塊中,發現很多新穎的設計和制作方法。2021屆有學生設計了一個壓力智能傳感器模塊,基于IEEE1451.2 標準,實現與現場總線網絡適配器無縫連接,有傳感器廠家對此產生濃厚興趣。還有位學生設計了基于MPXY8300智能傳感器的輪胎壓力監測模塊和基于MC33596接收機的接收模塊,可隨時測定每個輪胎內部的實際溫度和瞬時壓力,確定故障輪胎并實時發出警示,有效避免爆胎事故的發生,給相關汽車零部件廠提供了可行的思路。教師可從學生的課堂報告、課程論文中及時捕捉到創新的信息,給予高分鼓勵,形成創新氛圍。循環往復,學生的學習積極性和創造性得到釋放,解決問題和創新的能力得到極大提高。

(3)學生現狀:有很好的自學能力,有意愿創新,對國際上學科新形勢和新發展也很關心,思路也非?；钴S。但由于考研或其他補課壓力,課堂稍微松懈,一部分學生就走神。課后既不能不占學生時間,也不能占太多時間,所以課上必須下功夫牢牢抓住這些學生的注意力。此外本課適合小班教學。

4 結語

探討了“微機電與微制造”課程的內容安排、教學方法和考核方式。在課程內容組織方面,做到以點帶面、重點突出,貼合課程目標。在教學方法上,采用案例法、引導法、任務驅動法等多種方法,結合工程實際問題,強化基礎知識的學習和提升學生解決問題的能力。教學過程中充分利用網絡資源、國際化資源,輔助學生學習理論知識和掌握實踐方法。平時引導學生開展調研工作,在強化知識的同時,激發他們的愛國熱情。這些方法的運用,有效提升學生的融會貫通、工程實踐和創新能力。經過三年教學實踐探索出的課程教學、實驗和考核新模式,可為其他兄弟院校的本課程教學提供借鑒。