摘 要：本文针对我国集成电路科学与工程交叉学科建设,面向首批设立一级学科学位点的19所高校开展多案例研 究,旨在深入剖析集成电路领域自主培养卓越工程师的整体建设目标、教学设计逻辑和组织运行制度。结果显示,支撑 全产业链协同创新的集成性学科建设目标、行动学习和真实性学习有机结合的整合式教学过程、一体化制度创新和科产 教融合创新生态,在人才培养过程中发挥了重要作用。本研究认为,提升关键核心技术领域人才自主培养质量,亟需重 构集成性工程课程体系、嵌入真实性工程学习场景和打造全链条式育人生态。

关键词：系统工程观 自主培养 卓越工程师 集成电路科学与工程

现代工程正朝着综合集成的“系统工程”方向 发展,呈现工程技术交叉渗透、软硬件多要素协 同、经济社会影响广泛等特征,呼唤掌握复合型专 业知识结构和复杂问题解决能力的新一代工程科 技人才。作为一门多领域交叉、高技术密集的新 型学科,集成电路科学与工程涵盖设计、制造、封 装、测试等多环节,具有“系统工程”的显著特征。 2021年,集成电路科学与工程正式成为交叉学科 门类下辖一级学科,同年,19所高校获首批学 位授权点,大幅加速了我国集成电路人才培养进 程。然而,许多高校人才培养路径尚未实现“系统工程”转型,具体表现为:教学环节与生产流程分 离、教学内容复合交叉性不足、工程实践环境难以 映射真实工业场景等问题。[2,3]为适应现代工程发展态势,本研究以集成电路科学与工程学科为例, 在综合考察典型高校人才培养模式的基础上,归纳总结我国卓越工程师自主培养路径。

一、系统工程视角下的集成电路科学与工程学科建设

钱学森系统工程思想要求以整体、系统、组合、实践、改造的视角看待大规模复杂工程。[4]集 成电路科学与工程学科既强调工艺流程的系统集 成和整体串联,又重视科学理论与工程实践的交叉融汇,具有典型的复杂系统特征,因此从系统工程视角分析有助于更全面地理解交叉学科建设及其育人逻辑。对照系统工程核心观点[5],该学科 建设正面临以下挑战(见图1)。

整体论与还原论辩证统一。系统工程观点认 为工程是高度集成的复杂系统,涉及制造技术的 有序集成、多学科知识的交叉复合。工程的整体 逻辑要求教育须秉承集成化教育理念,培养具备 复合型知识结构、系统思维能力、整体组织能力的“系统工程师”。学科交叉应秉承整体论与还原论 相统一的原则,不能以某一领域知识体系为依归。[6]集成电路人才培养方案在课程体系的贯通性、知识体系的整体性、学习内容的衔接性等方面仍存在“还原性有余,整体性不足”的问题。例如 大多数院校集成电路设计、制造等教学体系设置 不系统,集成电路设计实验流程不完整[7],学生难 以体验“设计-制造-封装-测试”的成套工艺流程和 全链条综合实践,无法建立生产单元与系统工程间的有机联系。

理论指导与实践应用辩证统一。系统工程服 从系统观念的宏观理论指导,并最终指向客观世界改造。[8]基于此,在高等教育领域应重视系统工 程教育,开展“真刀实枪”的生产实践和价值创造。[9]然而,由于现场实习成本高昂,许多高校无力构建真实实践载体,导致集成电路人才培养通 常以基础理论、概念理解和抽象化产品设计为主,“只仿真验证不流片”“只研究不应用”的“虚假”实 践现象普遍存在。情境化教学和现场实践操作远 远不足。[10]

二、研究设计

(一)案例选择和资料收集

本研究以首批授予集成电路科学与工程学科学位点的19所高校为研究对象,这些学校定位合理、前期基础扎实、育人模式创新,满足典型性案例选择标准。与此同时,案例广泛分布于东、中、 西部的9个省(市),涵盖“双一流”建设高校、省属 普通高校等多种类型,为案例研究提供了丰富资料。为保证研究的信效度,本研究基于三角验证 法[11],涵盖:① 半结构化访谈。本研究走访了8 家机构,并对专家、学生、教师等共计17名关键人员进行访谈,时长约20小时;② 各高校、学院官 网信息;③ 相关论文及专著;④ 互联网、报纸等主流媒体披露信息等,形成文本资料12万字。 

(二)研究问题和分析框架

本研究采用编码方法开展多案例研究,从价值论、认识论和方法论三个维度出发,从学科建设的核心目标、建设过程、组织保障三个方面,提炼 了19所高校学科建设的关键特征,以期回答:“在 面临关键核心技术卡脖子的战略情境下,我国高 校系统如何自主培养集成电路领域卓越工程师”的问题。

三、我国集成电路科学与工程学科建设的创新路径

(一)核心目标:支撑全产业链的集成性学科 建设与系统工程师自主培养

1.服务集成电路产业的全流程创新

完整的集成电路产业链既包括设计、制造、封 装和测试四大核心产业,还包括EDA软件、材料等分支链条,具有产业链条长、环节复杂的特点。结合各高校关于学科布局、研究方向的阐述发现,首批设立集成电路学位点的19所优势高校正协 同形成面向全产业链的人才培养图谱,为实现集 成电路领域科技自立自强提供战略支撑(见表 1)。其中,清华大学、北京邮电大学、北京航空航 天大学、华南理工大学4所大学依托完整的理工 体系,构建覆盖“设计-制造-封测-整机”的专业全 链条,面向全产业环节培养具备原始创新能力的 高端人才。此外,集成电路设计和制造是当前布 局的重点,充分体现了后摩尔时代加快布局可制 造设计技术(DTCO),实现“制造服务设计,设计 依靠制造”的“设计制造一体化”发展趋势。

2.培养宽专融合、知行合一的系统工程师

关键素质的明确是精准定制培养方案的基础。借鉴李欣旖等[12]提出的工程人才学习进阶模型,结合各高校的培养方案阐述,本研究从知识、能力和素养三维,基于“新手-专家”成长进路 综合刻画集成电路人才特质(见图2)。结果显 示,知识维度包括掌握数学、物理等基础理论和知 识;熟悉集成电路工具操作与实践技术;明确产业前沿技术及其发展需求等。特别强调在专业技术 知识与广博数理基础间达成平衡,系统构建“通专 融通”的知识体系。能力维度聚焦问题分析、项目管理、合作沟通等综合实践能力,旨在实现知识体与能力体的高度融合,培养掌握生产技术规程和 工艺标准,能够进行生产组织、技术维护、协调管理的实践型人才。素养维度侧重“价值理性”塑 造,强调工程实践中人格构建,就集成创新能力、背景感知能力、家国情怀与使命感等方面激发系 统交叉、问题导向的工程思维。最终整体性培养宽专交融、知行合一、工具理性与价值理性共构的集成电路领军人才。

(二)建设过程:行动学习和真实性学习有机 结合的整合式教学体系

1.教学体系:联通“通识+专业+实践”的递进式教学体系

集成电路科学与工程学科着力构建真实集成电路生产体验,以基于项目的学习为主线开展教学方法改革,同时以课程设置为暗线组织具体培 养,整体体现“集成性课程、实践性生产、创造性产出”的编排特色。核心是理论学习和专业实践的关系处理,为此高校积极打破以学科为中心的结 构化内容设置,构建贯通认知发展、专业学习和综 合实践的“进阶式”教学体系。其中,认知发展阶段主要涵盖素质类、基础类、认知导论类、基础技能类四大课程类型,旨在通过通专结合的教育,使 学生具备基础知识并初步了解构思、设计、实现、运作的内涵思想,尽早实现工艺信息和电学性能 的综合思考,并借助企业认知参观、前沿知识讲座 等形式,提升学生学习兴趣和专业认同;专业学习 阶段侧重于微电子科学、集成工艺等专业知识的 学习并穿插“片段式”专业实验,引导学生理解工 艺流程的功能要求;综合实践课程以产品生命周 期为牵引,基于真实生产任务,要求学生在特定主题、设计标准及项目预算下,以团队为单位完成依托真实产线的系统实践。上述教学体系编排呈现出项目贯穿、工学交替、育训并举和能力递进的整合性特征,有助于推动学生将所学的碎片化知识抽象、关联、整合并外化为解决复杂问题的工程实践能力。

2.教学内容:学科复合交叉的教学内容设置

集成电路科学与工程学科涉及技术间的复合、技术与管理的交叉、技术与市场的交融,并逆向推动教学内容交叉复合。基于此,各高校积极 遵循整体设计理念,打造覆盖材料级、器件级、电 路级以及系统级的跨学科课程体系,体现在:一是 致力于为学生提供综合性、宽口径的“课程池”。从课程内容看,主张以应用为导向就关联知识进行整体编排,在注重夯实数理基础的同时,就纳米 集成电路器件、半导体材料等新材料、新器件及电路系统开展综合学习,形成贯穿物理层、器件层、系统层的垂直知识链。从课程类型看,依托选课 和学分制度,建立起包括选修课、辅修课、主题课的模块化课程体系,覆盖产业链各环节知识点。 如北京理工大学打造了涵盖材料科学、量子科学 等的前沿交叉课程群,并要求研究生选修数不低 于2门。二是创新“自上而下”的系统性课程设 计。无论是科学原理应用还是工程分析和整体系 统实践,都需要在大系统中开展。基于此,集成电 路课程体系应融合电子工程与计算机科学知识, 加快开设“嵌入式系统原理与设计”等集成系统课 程,提升学生的复杂系统分析和管理能力(见图 3)。

3.教学手段:串联产品全生命周期的项目式

教学手段为突破课堂教学与现场实践相分离的传统教 学范式,各高校主动将生产情境、项目(任务)情境与教学情境有机融合,加快打造融入真实生产情 境、工业问题和生产流程的综合实践项目。采集 资料发现,半数以上学位点在学院官网、媒体报道 中提及项目制教学概念,更有10家单位明文强调 依托项目开展教学改革。项目内容上,学位点试图以“产品全生命周期”体验为主线,打造覆盖工 程设计、工艺制造和生产管理的完整工艺流程体 验,促进产业要素渗透育人全过程,如电子科技大 学、中国科学院大学等均开设“一生一芯”计划,保证学生在进入产业实习前具备一次完整流片经历。实施方式上,允许学生以“问题解决”为内在 脉络,在独立选题、构思设计、方案实施、公开展示等过程中实现从探究到内化的跨越,加快建构富有逻辑性和连续性的知识组群。实施效果上,基 于项目的实践以解决现实问题为驱动、以动态任 务境脉为链接,使得学生能够接触一线生产设备、 与工程技术人员联合作业、实践全套工艺流程,锤 炼管理复杂性的实战能力。此外,以产业需求为 出发点,将工程实际问题、真实案例转化为内容载体,将学习过程与问题解决过程融合,为企业拓展攻关思路提供了宝贵资源。