1.必要性及先进性

随着社会信息化变革与发展，云计算、物联网、大数据等产业快速发展并带来市场对存储器需求量大幅增加。仅2017年上半年，中国集成电路产业销售额达2201.3亿元，同比增长19.18%，其中存储器芯片销售增长最快，达到50.5%。但目前我国芯片基础薄弱、大量依靠进口，在信息化不断加深的今天，实现芯片自主创新与发展迫在眉睫。然而相对于市场需求井喷式增长，具有高水平和良好创新能力的专业技术人员数量却难以达到市场需求期望。

造成这一问题的原因有二：

一是芯片制造环境要求严苛、设备昂贵、步骤繁琐、耗时长。以美国Micron Technology记忆存储芯片的制造为例，芯片制造厂房需要比手术室干净100倍，每个芯片的制作要经过至少800道工序，不间断工作的前提下也至少需要一个月才能完成一枚芯片的制作，而作为制作过程的关键设备的光刻机就高达几亿元人民币。这些问题使得芯片制作实践教学难以在高校内进行实施与推广，学生们只能通过理论进行学习，对繁复的工艺过程和相关理论难以做到充分理解，到相关企业就职后还需要再次培训。

二是芯片器件的发展离不开材料性能与器件制备技术的两方面的突破。从事芯片行业的人员中，材料专业的学生对材料的组成、结构、工艺制备对性能的影响规律清楚，但不了解器件生产过程中会遇到哪些实际问题；而电子专业的学生对器件的制造工艺十分熟悉，确缺少材料方面的知识。由于缺少对材料和器件两方面全面、深入的认识，我国在芯片自主设计、研发方面一直无法得到突破。因此，培养高水平复合型的创新性人才是芯片行业后续发展的必然需求。

材物、材科和新能源专业致力为社会培养、输送能够在信息功能材料与技术、光电材料与技术、光纤传感材料与技术和纳米材料与技术等领域从事新材料设计和研制、材料性能改进与应用、器件设计与研制、生产与运营管理等工作的复合型人才，毕业生多在相关领域就职或进行深入学习。芯片制造过程中所涉及的相关材料制造技术、工艺过程、改性知识与器件组装技术在太阳能电池的制备、智能传感器件等上述的诸多领域中均有涉及，具有广泛的适用性与很好的启发性。随着人类社会智能化、科技化发展，芯片发展情况成为制约社会进步，甚至是大国间发展、较量的核心技术。而对芯片材料、技术的理解与掌握是芯片不断发展、创新的关键，相关课程的学习对学生未来科研及职业发展具有深远意义。

本项目针对高校缺少芯片制作相关实践教学的痛点，以典型性的CMOS存储器件的生产过程为基本内容，选取具有代表性的光刻与刻蚀工艺、离子注入工艺作为项目教学与考核的重点内容，从材料专业的角度出发，针材料专业特点附以相关材料组成、结构、缺陷、制备工艺与性能之间联系，材料改性及仪器设备知识进行教学。通过模拟芯片实际生产环境以及生产操作过程，与用户进行良好互动，解决芯片制作过程中耗资大、占地广、周期长、危险性高等问题，便于芯片相关工艺技术的推行、推广。该项目的建立有望为社会培养、输送高水平人才打下坚实基础，它的实施、推广十分必要。

2.实验方案设计思路

实验方案设计思路：需求推动项目建设，教学内容多层次划分，提升实验教学效果。

本项目建设方案设计过程中，注重结合芯片制造业的发展需要，结合我国社会对半导体芯片制造技术人才的大量需求，结合芯片制造业的实际生产过程，结合《半导体物理与器件》、《新能源材料与器件制备技术》、《光电子材料及应用》、《电子材料与元器件》等理论课程的相关内容，以行业、社会和教学需求作推动，填补目前半导体加工相关实验实践课程的空缺。

此外，建立以学生为中心的教学模式，根据不同专业、不同层次、不同课程学生自身特色与学习需求，设计多形式、多层次的教学内容供学生选择，提高教学针对性及学生学习效率。通过理论学习、芯片工厂虚拟仿真漫游、光刻与刻蚀实验、离子注入实验及扩展材料的学习，使学生掌握芯片行业发展背景、芯片加工流程与工艺、关键设备原理与构造。利用现代信息技术，依托虚拟仿真实验教学手段，综合运用多媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、数字化、智能化技术手段，提高实验教学项目的吸引力和学生学习兴趣，为培养具有良好专业技能和专业素养的高水平创新型人才打下良好基础。

3.教学方式方法

教学方式方法：学生为主，教师为辅。以学生为中心，自主按需学习相关内容。

改变传统实践教学中教师为主导的“讲授式”教学方式，构建以学生为中心，自主实践为基础的新型实践教学模式。学生可根据专业特色、自身兴趣和知识掌握情况自主选择学习内容。依托网络平台的便利性，学生可在课后自主选择时间、地点登陆虚拟仿真实验平台进行实验操作。在此过程中，教师仅起到辅助监督、答疑的作用。实验模块中，学生可灵活调用相关理论知识教学内容，多次重复温习直至完全掌握，给予学生充分的学习自由，激励学生自主学习。使学生能在实践的基础上差缺补漏，通过理论与实践结合，充分理解、消化学习内容，有效提升实验教学效果。

4.评价体系

评价体系：多方位考核教学效果，构建合理性评价分析体系。

建设预习在前、实践为主、以考促学、综合评价的五位一体虚拟仿真实验教学考核评价体系。最终成绩构成根据虚拟仿真实验项目学习的各个阶段，有针对性地对课前预习、自主实践、结果与讨论、理论知识在线考核进行考核、计分，确保考核体系的公正性和准确性，真实反映学生学习全过程的学习成效。在实验中，根据实验特点及关键知识点设计评价标准；根据重点知识内容建立题库，内容涵盖客观题及思考题等，以适应不同层次学生进行知识考核。对考试数据进行留存，以方便后续教学情况和理性分析。此外，建立反馈机制，吸纳学生对虚拟仿真实验项目的各方面建议、评价，为指导教师准确把握考核标准提供依据，不断完善考核方式及内容。

5.理论教学的应用

理论教学的应用：完善现有教学方式，理论与实际结合。

材料科学与工程学院经典理论课《半导体物理与器件》、《新能源材料与器件制备技术》、《光电子材料及应用》、《电子材料与元器件》中，均涉及大量半导体制备工艺与技术。在传统的教学中，教学手段相对单一，教学内容的展示不够直观，加之相关行业设备复杂、实践教学成本高，学生缺乏实践经验，对知识理解困难，难以激发学习热情。建设CMOS芯片制造工艺虚拟仿真实验，能够有效弥补传统教学手段的不足，将传统教学手段中只能运用语言、文字、图片进行说明的工艺流程和设备结构运用现代信息技术直观地展现出来，帮助学生更加准确的理解理论知识的真正含义。本项目从材料专业的角度出发，在芯片制作工艺的基础上针对芯片制作过程中相关制备工艺与性能之间的联系与特点启发学生进行思考，辅以材料改性及仪器设备知识的相关教学，使用户能够从更全面的角度了解所学知识，提高综合素质、专业能力与创新能力。