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，筆者對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進行了改革，引入TCAD仿真軟件進行實驗教學(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實驗中山分室，了解有機器件的制備測試流程。微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入，不僅提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)課程的積極性，也促進學(xué)生更好的理解課程的理論教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：綜合性實驗；工藝流程；器件結(jié)構(gòu)；軟件仿真；有機器件

引言

微電子學(xué)綜合實驗的課程目的是讓電子與科學(xué)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生通過實驗加深對半導(dǎo)體器件物理與工藝的理解，通過實驗教學(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，工藝條件對器件結(jié)構(gòu)性能的影響，器件結(jié)構(gòu)對器件電學(xué)，光學(xué)性能的影響。實驗課程的開展可以有效提高學(xué)生對微電子器件理論課程的學(xué)習(xí)理解，為設(shè)計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)實驗課程設(shè)置以驗證性實驗為主，實驗簡單，實驗設(shè)備少，不利于開展綜合型實驗，也不利于學(xué)生更深入的學(xué)習(xí)理解課程內(nèi)容。因此，對傳統(tǒng)的實驗項目進行改革是極具意義的。

一、傳統(tǒng)實驗項目及學(xué)時改革

微電子學(xué)綜合實驗授課學(xué)時40學(xué)時，共有10個實驗項目。傳統(tǒng)實驗?zāi)康氖菐椭鷮W(xué)生進一步掌握半導(dǎo)體材料的壽命、薄膜厚度的測試方法、測試器件的電流電壓特性、溫度特性、測量器件的開關(guān)時間、特征頻率等。傳統(tǒng)實驗教學(xué)對學(xué)生深入理解理論課程有一定作用，實驗設(shè)置基本以驗證性實驗為主，實驗難度有限，不利于學(xué)生綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，另一方面，由于儀器設(shè)備數(shù)量限制，每臺儀器有4-5個學(xué)生循環(huán)使用，學(xué)生不能充分利用實驗學(xué)時。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)實驗項目依據(jù)課程的相關(guān)性調(diào)整為8個項目，每個實驗項目學(xué)時縮短到2個學(xué)時。為了解決儀器數(shù)量不足，每次實驗課同時開設(shè)2個實驗項目，這樣每臺儀器人數(shù)可以控制在2人左右。一次課講解2個實驗項目，實驗講解時間太長，學(xué)生容易遺忘，教師需要反復(fù)講解，沒有太多時間給學(xué)生處理實驗過程中遇到的疑難問題。為了解決這一問題，筆者對每個實驗項目原理及操作的講解錄制成微視頻，上傳至學(xué)院數(shù)字化平臺供學(xué)生下載預(yù)習(xí)，上課的時候利用多媒體循環(huán)播放，這樣學(xué)生就可以根據(jù)視頻教學(xué)完成實驗內(nèi)容，筆者也有足夠的時間為學(xué)生解答實驗過程中的疑難問題。教學(xué)方式的改革不僅取得了良好的實驗效果，也大大縮短了實驗學(xué)時，作者可以利用剩下的24學(xué)時開設(shè)TCAD仿真實驗項目。

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

關(guān)鍵詞：模塊化；電路實驗；實驗平臺；自主設(shè)計實驗

隨著電路實驗教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的不斷深入，對學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。為解決常規(guī)實驗教學(xué)模式中元器件參數(shù)固定、內(nèi)容單一、被動實驗、工程實踐能力不足、缺乏實驗內(nèi)容開放的環(huán)境等問題[1-2]，設(shè)計開發(fā)了模塊化電路實驗教學(xué)平臺。該平臺按照資源共享、功能集約的原則，將目前大部分高校普遍使用的實驗臺、實驗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)計選取合適的模塊，建構(gòu)個性化的實驗電路來完成實驗。該平臺自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。實踐表明，模塊化電路實驗教學(xué)平臺的建設(shè)滿足新時代、新形勢下對建設(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，更好地完成個性化、探究性實驗任務(wù)?；谠撈脚_的實驗改革，完善了課程內(nèi)容的高階性和創(chuàng)新性，提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識和創(chuàng)新能力，保證了電路實驗課程的教學(xué)質(zhì)量[3-4]。

1模塊化電路實驗教學(xué)平臺研制的必要性

電路實驗課程作為電類專業(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。原有的實驗方式通常是基于定制的實驗臺或元器件固定的實驗箱進行實驗，這種實驗方式將大部分實驗元器件隱藏到了面板內(nèi)部，存在如下問題。一是學(xué)生對實際工程中的元器件和測量設(shè)備缺乏直觀認識，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和實際動手能力。二是元件配置基本固定，開設(shè)新的實驗必須制作新的實驗箱，需要花費大量經(jīng)費。三是由于元器件之間不通用，導(dǎo)致開放實驗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)計創(chuàng)新性實驗?；谏鲜鰡栴}，設(shè)計了模塊化電路實驗教學(xué)平臺，它具有以下幾個突出特點。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)生進行開放自主設(shè)計實驗時由漫無邊際變得具有現(xiàn)實可行性。達到了每個實驗項目都可以進行創(chuàng)新設(shè)計、每名學(xué)生都能自主實驗的目標(biāo)。第二，元器件參數(shù)覆蓋范圍全面。在其設(shè)計中，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)計型實驗內(nèi)容可在基礎(chǔ)實驗課程中引入。同時，考慮了模塊之間連接的安全性，采用帶護套的連接插孔和導(dǎo)線，經(jīng)濟耐用，接觸良好，全方位助力學(xué)生完成自主設(shè)計實驗。第三，實驗教學(xué)資源的管理更加科學(xué)、規(guī)范、合理，后續(xù)的實驗更新只需在已有模塊的基礎(chǔ)上增添一個或幾個模塊，可以節(jié)省大量實驗經(jīng)費。

2模塊化電路實驗教學(xué)平臺的構(gòu)成和功能

模塊化電路實驗教學(xué)平臺包含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)計實驗箱模塊(也稱黑箱模塊)、高電壓實驗?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)，并促進信息技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)是計算機硬件的基礎(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；藍光LED的發(fā)明，將點亮整個21世紀(jì).事實告訴我們，是物理學(xué)推動科技創(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動規(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)：其蘊含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識的形成，同時，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會帶動人類社會的科技創(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)時數(shù)為126學(xué)時，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時；大學(xué)物理實驗最低學(xué)時數(shù)為54學(xué)時，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時.然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開設(shè)大學(xué)物理及其實驗課程.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)物理實驗課程的學(xué)時，如今，大學(xué)物理及其實驗課程的總學(xué)時數(shù)實際僅為32-96學(xué)時，遠遠低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時）.試問這么少的課時怎么講豐富、深奧的大學(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)物理課程報告論壇》上獲悉，這不是個別學(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，解決課時不足的做法，就如同削足適履，是對教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現(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大學(xué)物理課程重要性的認識.

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，以蒸汽機為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實現(xiàn)了機械化；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，以電動機為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實現(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)展對科學(xué)技術(shù)的巨大推動作用，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、磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強，由于當(dāng)時不知道它是什么，故取名X射線.直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長為10-10m的數(shù)量級[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎，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光機探測骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測腸道梗塞.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.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.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，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算機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)，進入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄.到各個工業(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)動了整個地球啊！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，每個電子都具有自旋角動量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個電子的磁矩為MSz=芎μB(μB為玻爾磁子）[7].電子的荷磁性沉睡了半個多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾•費爾（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，不加磁場時電阻率大，當(dāng)外加磁場時，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運，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)為零場下的電阻率，ρ(H)為加場下的電阻率[8].GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強烈關(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?費爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達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、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)還沒有得到實際應(yīng)用，原因是要實現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級的外磁場，問題出在CMR產(chǎn)生的物理機制還沒有真正弄清楚.1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個粒子來說，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）來驗證這個理論，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，1945年8月6日和9日，美國對日本的廣島和長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臺機組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國運行的核電站有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年核電裝機總?cè)萘窟_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.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，能源危機徹底解除.

【摘要】《計算機應(yīng)用》課程是我校針對?？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，才能真正把握整個教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量。本文圍繞《計算機應(yīng)用》課程的四大實施要素，對該課程的教學(xué)思路進行了深入的分析。‘’‘’

【關(guān)鍵字】計算機應(yīng)用；教學(xué)思路；教學(xué)指導(dǎo)

作為教學(xué)實施的主導(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)對象、具體教學(xué)過程的情況變化而進行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)、實現(xiàn)不同的人才培養(yǎng)需求。本文針對《計算機應(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)等多個方面，詳細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

《計算機應(yīng)用》課程是面向我校計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)專科層次學(xué)生的一門職業(yè)素質(zhì)必修課，是培養(yǎng)信息時代高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)性課程。該課程的任務(wù)是使學(xué)生具有信息社會背景在所必須的信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識，使用計算機和網(wǎng)絡(luò)的基本知識，充分認識現(xiàn)代化信息技術(shù)對社會經(jīng)濟發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進步以及社會整體環(huán)境的深遠影響。在學(xué)習(xí)本課程后，學(xué)生能主動并積極地提高自身的信息素養(yǎng)；能掌握使用計算機進行信息的獲取、加工、傳播和應(yīng)用的能力；能適應(yīng)信息社會的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為今后的主動學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)和適應(yīng)信息化工作環(huán)境奠定一個扎實的基礎(chǔ)。

1.2教學(xué)目標(biāo)

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)動發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國制造2025”的進程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(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)展需要和國際競爭的新形勢，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)改進人才培養(yǎng)質(zhì)量，實施以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學(xué)生在工程實踐活動中綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。實驗教學(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。實驗教學(xué)是在一定的實驗資源支撐下，以實驗項目為載體，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)生掌握實驗技能的過程。實驗教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源平臺支撐和過程管理三位一體的協(xié)調(diào)運作[13]。教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》要求“深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進行著諸多有益的探索[14-15]。為了適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實驗教學(xué)改革的新要求，依托我校省級和部級計算機實驗教學(xué)示范中心并聯(lián)合我校國家級電工電子實驗教學(xué)中心，在原有工作基礎(chǔ)之上[16-18]，以“計算機邏輯設(shè)計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學(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、系列化虛擬仿真實驗教學(xué)項目以及虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實驗教學(xué)的時間和空間，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化實驗教學(xué)新模式，逐步形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享、運行有效的實驗教學(xué)項目新體系，為培養(yǎng)具有扎實信息基礎(chǔ)知識、強烈工程創(chuàng)新意識、較強實踐動手能力和創(chuàng)新能力的計算機類專業(yè)創(chuàng)新型人才提供有力保障。

1教學(xué)體系構(gòu)建

實驗教學(xué)示范中心堅持課程建設(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)與實驗教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與真實實驗相結(jié)合的原則，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系，如圖1所示。“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系包括：1個目標(biāo)——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)；2個融合——通過第一課堂和第二課堂之間知識互補、機制互動的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質(zhì)教育資源；3個集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實驗課程和特色拓展實踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學(xué)習(xí)和設(shè)計、再到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和綜合設(shè)計的全過程教學(xué)；4個導(dǎo)向——引導(dǎo)學(xué)生通過研發(fā)或設(shè)計成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學(xué)情操和績效責(zé)任等能力和素質(zhì)；5個模式——通過探究式演示、觀察和驗證、反設(shè)計推論、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓(xùn)練5種自主學(xué)習(xí)模式，完成知識學(xué)習(xí)、運用和能力訓(xùn)練；6個能力——培養(yǎng)學(xué)生的工程知識運用、方案設(shè)計開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會分析（工程中的社會因素及工程對社會的影響分析）、團隊溝通表達、項目工程管理6個方面工程實踐和創(chuàng)新能力。依托省部級實驗教學(xué)示范中心打造高起點教學(xué)平臺，在教材建設(shè)、設(shè)備研發(fā)、項目開發(fā)、考核評價方面，開發(fā)高水平、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)共享教學(xué)資源，保證虛擬仿真實驗教學(xué)體系高質(zhì)量、高效率的運行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項目管理方面能夠?qū)崿F(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2教學(xué)資源平臺設(shè)計

2.1設(shè)計原則。堅持以學(xué)生為中心、以實踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設(shè)計原則，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、實驗技能以及創(chuàng)新意識融入到“計算機邏輯設(shè)計綜合實驗”課程的理論學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐教學(xué)當(dāng)中，既要體現(xiàn)知識的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質(zhì)培養(yǎng)，遵循認識→理解→消化→實踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進認知流程。學(xué)生可根據(jù)已有的知識、技能、愛好以及工程創(chuàng)新意識進行理論知識學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐。通過以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵自主科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身探究能力特長，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)。計算機邏輯設(shè)計虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺（以下簡稱“平臺”）包括理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實驗、輔助功能和系統(tǒng)管理4個部分，如圖2所示。平臺基于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，也可以在校外通過Internet訪問，支持500個并發(fā)用戶。平臺基于全局的實踐教學(xué)觀設(shè)計。在設(shè)計中，注重學(xué)生設(shè)計的規(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；在測試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗證；在學(xué)習(xí)中，注重對學(xué)生引導(dǎo)，加強學(xué)生對知識的理解、吸收、拓展和提升。2.3虛擬仿真實驗項目。以急需的實驗教學(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驗項目。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驗項目，與企業(yè)的真實案例和實用技術(shù)相當(dāng)，提供工程氛圍的實驗教學(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)新項目研發(fā)過程，掌握科學(xué)研究基本方法，強調(diào)人人都能成功，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力，使學(xué)生由被動式學(xué)習(xí)變成主動式學(xué)習(xí)，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。（1）邏輯測試實驗。讓學(xué)生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測試，相比實物操作，可達到事半功倍的效果。（2）數(shù)字單元實驗。讓學(xué)生熟練使用邏輯門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進行簡單應(yīng)用電路的設(shè)計、理論計算、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)成實事求是的科學(xué)作風(fēng)和認真嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。（3）數(shù)字系統(tǒng)實驗。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)通信等系列工程項目所涉及的學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析、設(shè)計修改、實驗樣機制作、設(shè)計總結(jié)等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術(shù)知識構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識，能夠應(yīng)用數(shù)字邏輯技術(shù)的基本原理對工程復(fù)雜問題進行分析和設(shè)計，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》《數(shù)字系統(tǒng)實驗設(shè)計與指導(dǎo)》《數(shù)字電路實驗與實踐教程》等。新教材具有可讀性、實用性和技術(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)計方法和分析方法。2.5服務(wù)方式。（1）在實驗的時間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面為學(xué)生全面開放?；涌梢暬僮髫灤┯谌^程中，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主實踐、自主創(chuàng)新。（2）為課堂教學(xué)、遠程教學(xué)、學(xué)術(shù)交流提供有力支持。（3）讓其他高校學(xué)生和社會上的學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)機會。（4）為各種競賽培訓(xùn)、個性化培養(yǎng)提供便利，打下堅實基礎(chǔ)。

3運行機制

平臺提供的虛擬實驗環(huán)境近乎真實情境，與實際工作相似，能夠激發(fā)學(xué)生實驗興趣和學(xué)習(xí)動力。學(xué)生能夠親自動手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計、邊實踐，完全沉浸在現(xiàn)實的學(xué)習(xí)、工作情境中。虛擬仿真實驗教學(xué)整體實施過程包括實驗準(zhǔn)備、實驗仿真、實驗總結(jié)和自我評價4個階段，經(jīng)過21個具體環(huán)節(jié)和步驟。3.1實驗準(zhǔn)備階段。（1）實驗需求分析：通過在線教材或者互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)，查閱與實驗題目相關(guān)的背景資料，進行理論知識、實踐技能等方面準(zhǔn)備。（2）方案設(shè)計與論證：學(xué)習(xí)教材的相關(guān)內(nèi)容，還可以查閱其他設(shè)計方案資料。（3）技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計：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，進行公式推導(dǎo)及理論計算。（6）實驗設(shè)計報告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術(shù)資料，完成實驗設(shè)計報告編寫工作。3.2實驗仿真階段。（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進入虛擬仿真實驗環(huán)境。（8）電路檢查：按照設(shè)計報告或教材，嚴格仔細檢查電路及線路連接。（9）儀器仿真數(shù)據(jù)測量：參照教材，選擇合適的測試點，接入相應(yīng)的儀器儀表，儀器參數(shù)設(shè)置，運行電路，觀察測試點波形和狀態(tài)變化，記錄測量數(shù)據(jù)。（10）實驗分析：對實驗數(shù)據(jù)、波形、曲線進行認真仔細分析、研究，判斷設(shè)計的合理性、正確性以及存在的問題等。（11）設(shè)計修改：以達到電路性能指標(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，并為進一步設(shè)計提供便利。3.3實驗總結(jié)階段。（13）實驗過程描述：主要包括設(shè)計方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。（14）實驗數(shù)據(jù)整理：整理實驗數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實驗數(shù)據(jù)表格規(guī)范，波形、曲線圖清晰、全面，且大小適中。（15）實驗結(jié)論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設(shè)計的技術(shù)性、改進性、創(chuàng)新性等。（16）技術(shù)討論：圍繞實驗過程、改進性、建議等展開討論。（17）實驗收獲：闡述宏觀知識、技能等方面的收獲、水平和提高。（18）實驗情況報告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術(shù)資料，完成實驗情況報告編寫工作。實驗報告=實驗設(shè)計報告+實驗情況報告。3.4自我評價階段。（19）實驗報告成績：參照實驗報告評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（20）實驗操作成績：參照實際操作評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（21）實驗成績：實驗報告分值100分，實驗操作分值100分。實驗總分=報告分數(shù)×40%+操作分數(shù)×60%。成績等級：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。