微电子人才实践能力中的批判性思维培养

［摘 要］ 批判性思维在教育中的应用有广泛的意义和价值。为了应对不断变化的市场需求和技术环境，微电子人才亟待加强批判性思维的培养。以国防科技大学开设的“微电子科学与工程专业设计”课程设计为例，从问题提出、验证方案、优化设计等方面具体介绍了在课堂教学中如何通过教学设计，有意识地加强学生的批判性思维的培养。对批判性思维的培养面临的一些挑战，例如，教师自身能力不足、学生缺乏意识和能力、评估手段不足等展开介绍，并且分析了具体的对策。

［关键词］ 微电子技术；批判性思维；教学设计

［基金项目］ 2022年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“面向微电子人才培养的全流程贯通式实践模式研究”（HNJG-2022-0417）；2021年度国防科技大学教育教学研究课题重点项目“面向集成电路‘全流程’能力培养的微电子本科专业实践环节设计”（U2021204）

［作者简介］ 李 楠（1984—），男，湖南长沙人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，现任国防科技大学微电子科学与工程专业负责人，主要从事集成电路设计研究；陈长林（1986—），男，山东泰安人，博士，国防科技大学电子科学学院副研究员，主要从事智能计算芯片技术研究和集成电路设计研究；刘 森（1988—），男，河南南阳人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，主要从事微电子科学与工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）29-0037-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

批判性思维被普遍认为是21世纪重要的核心素养之一。批判性思维是指在思考过程中能够对自己和他人的观点、理由、证据及结论等进行有效的评估、分析、质疑和改进的一种思维方式。批判性思维可以帮助学生避免盲从、偏见及误解等思维误区，提高思考质量和效率，增强创新能力和解决问题能力［1］。2017年9月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于深化教育体制机制改革的意见》中指出，要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力。培养认知能力，引导学生具备独立思考、逻辑推理、信息加工、学会学习、语言表达和文字写作的素养，养成终身学习的意识和能力［2］。2021年5月，习近平总书记在两院院士大会的讲话中指出，要更加重视人才自主培养，更加重视科学精神、创新能力、批判性思维的培养培育［3］。加快构建新时代人才自主培养体系，实现高等教育高质量发展和高水平科技自强自立，亟须推进批判性思维与创新能力教育。

微电子技术是指以微米或纳米级别的半导体材料与工艺制造集成电路芯片的技术。随着信息技术、通信技术及人工智能等新兴领域的快速发展，微电子人才需要快速学习和适应新技术，才能紧跟市场和技术的发展变化。批判性思维可以帮助微电子人才在设计实践中提高设计质量和效率，在学习过程中提高学习效果和水平，更快地找出问题的本质和解决方案，在领域拓展中提升视野广度和深度，从而创新出符合市场需求和技术趋势的产品和技术。高校是微电子人才培养的第一阵地，因此加强教学过程中批判性思维的融入十分迫切。

一、批判性思维在教育中的应用

批判性思维自古以来就是学者重视的内涵之一，孔子曰“疑是思之始，学之端”，《孟子·尽心下》中指出“尽信书，则不如无书”，《荀子·劝学》中也提到“君子博学而日参省乎己，则知明而行无过矣”。批判性思维是指在处理信息和问题时，能够有意识地运用逻辑、推理和分析等技能，以产生准确、清晰和合理的结论。批判性思维是一种高级的认知能力，通常包括的特征有独立思考、逻辑分析、判断力、创新性、反思和沟通等［4］。批判性思维的目的是通过有目的、有条理、有逻辑地思考过程，发现问题的本质和解决问题的途径。在教育领域中，批判性思维被视为一种重要的能力和技能，可以帮助学生更好地理解和应对现实世界中的复杂问题和挑战［5-7］。批判性思维在教育中的应用主要包括以下几个方面。

（一）课程设计

教师可以通过合理设计课程，引导学生从不同角度去看待问题，促进学生运用批判性思维来分析问题和解决问题。例如，引导学生在研究文本时，通过提出问题、推理、分析和归纳等方式，来理解文本内在的逻辑和意义［8］。

（二）教学方法

在讨论和互动式教学方法中，教师鼓励学生思考问题和提出问题，从而提高学生建立对问题本源的分析路径；在案例分析和问题解决式教学方法中，教师也可以通过引导学生针对案例和问题提出自己的解决方案，从而帮助学生掌握批判性思维技能。

（三）评估方式

批判性思维可以被应用于改进传统的教学评估方式。以课堂提问为例，教师可以利用开放式问题，鼓励学生展示其批判性思维能力，从而评估学生的思维能力和表达能力。通过评估学生的批判性思维能力，教师可以更好地了解学生的学习情况和能力，从而更加有效地改进教学方法。

二、批判性思维培养的教学设计——以“微电子科学与工程专业设计”课程为例

“微电子科学与工程专业设计”是国防科技大学微电子科学与工程专业学生实践能力培养环节中的重要课程。课程目的是通过目标清晰、过程开放、层次递进的一系列设计实验使学生熟悉微电子器件与集成电路设计相关的方法、工艺与流程，掌握微电子器件与集成电路设计与实现所需的基本技能。课程中学生将接触到从产业需求提炼出的多个实验课题，并从中选取适合自己专业方向（器件与工艺、模拟集成电路、数字集成电路）的题目开展设计。在此课程的教学设计中，笔者从分析问题、提出假设、验证方案及优化设计等方面有意识地加强了批判性思维的培养。

（一）问题的提出与分析环节

在微电子设计实践中，首先要做的就是对问题进行清晰的定义和分析。这需要运用批判性思维对问题进行归纳、分类、梳理及抽象等操作，找出问题的本质、关键、难点等，且避免受到无关信息或先入为主观念的影响。下面以“微电子科学与工程专业设计”课程中的实验项目《CMOS运算放大器设计》为例，学生要自主选择合适的电路架构和器件参数来构建一个符合指标要求的运算放大器。在实验过程中，学生经常会遇到仿真电路的输出不符合预期的问题，在这种情况下，教师需要有意识地引导学生使用批判性思维找到问题的根源。具体的教学过程设计有以下几个方面。

1.定义问题。电路输出不符合预期，需要找到问题的原因。

2.分析问题。首先，需要学生确定电路的预期输出是什么（如电压幅度、频率等），确定不符合预期的指标。其次，带领学生检查电路的各个部分，如果电路的各个部分都正常，进一步引导学生思考可能导致问题的其他因素，例如，电源噪声、接地问题等。

3.梳理问题。在这个步骤中，将运放的电路分成各个部分，使用思维导图或其他图表工具将问题进行分类和梳理，并找到输出不符合预期的部分，然后细化问题的原因和解决方案。

4.抽象问题。在这个步骤中，需要让学生摒弃细节，着重于问题的本质和根本原因。例如，在仿真的电路中，输出不符合预期可能是由于电源电压波动导致的。在这种情况下，学生就需要设计更加稳定的电源或采用更加高级的电源稳压技术来解决这一问题。

通过上面的过程，教师引导学生通过定义问题、分析问题、梳理问题和抽象问题等步骤找到问题的根源，在这个过程中，学生不仅掌握了专业知识，也学会了运用批判性思维来分析问题和解决问题。

（二）设计方案的提出和验证

在完成上面的问题的提出和分析过程之后，教师需要引导学生进一步根据问题提出合理可行的假设或方案，并对其进行验证和评估。在这个过程中，学生需要学会运用批判性思维对假设或方案进行逻辑推理、证据支持及风险评估等操作。还是以上面的课题为例，假设学生在实验中发现放大电路的输出增益不稳定，具体的教学过程设计有以下几个方面。

1.假设或方案。根据电路的故障现象，教师首先引导学生分析导致电路的增益不稳定的原因有几种？假设主要的原因是由MOS管的偏置电流不稳定导致，为了解决这个问题，学生可以采用反馈电路来稳定偏置电流。

2.逻辑推理。带领学生回顾课堂学习过的运放反馈电路原理，加强理论和实践相联系。反馈电路可以通过调节反馈电阻的值来控制偏置电流。由于反馈电路的设计是基于负反馈原理的，因此可以使电路的增益更加稳定，且减少由于温度和器件差异等因素引起的影响。

3.证据支持。指导学生通过理论计算和仿真实验来验证反馈电路的效果。理论计算可以用公式来表达反馈电路对增益的影响，仿真实验可以通过SPICE软件进行模拟，以验证理论计算的结果。

4.风险评估。在反馈电路的设计中需要多方面考虑反馈电路参数、反馈网络的架构及稳定性等因素给电路带来的影响，如果反馈电路设计不当，可能会引入其他问题，例如，振荡、失真等。可以让学生运用多种方式仔细评估反馈电路的风险，并且制定相应的应对措施。

通过这些步骤，学生可以有效地学习到如何运用批判性思维来提出并验证设计方案。

（三）设计方案的优化和改进

验证了初步的方案后，下一步需要做的就是根据验证和评估结果对方案进行优化和改进。这一过程中，教师可以引导学生运用批判性思维对方案进行比较分析、优点和缺点权衡、改进建议等操作，且避免受到惯性思维或沉没成本的影响。下面以“微电子科学与工程专业设计”课程中的另一实验项目《基于FPGA的数字信号处理器设计》为例，介绍将批判性思维融入实验过程的设计方法。

1.比较分析。学生可以将不同的数字处理器设计方案进行比较分析，评估他们在功耗、面积、速度及可重构性等方面的优点和缺点。例如，学生可以比较RISC和CISC架构的特点，评估他们在指令集、内存访问、流水线结构及寄存器数量等方面的差异。

2.优点和缺点权衡。在比较分析的基础上，学生需要权衡不同设计方案的优点和缺点，找出最优的方案，从而选择合适的架构来实现题目要求。在这个过程中，学生可能会发现RISC架构具有更高的性能和更低的功耗，但是他的指令集相对较小，需要更多的代码来完成复杂的操作。

3.改进建议。在确定最优的设计方案之后，接下来可以在此基础上进行改进和优化。优化的措施有很多，包括优化流水线结构、增加缓存大小及调整指令集等，以提高性能和降低功耗。

4.再次验证和评估。在进行改进和优化之后，教师需要指导学生对设计方案进行再次验证和评估，以确保他们满足设计要求。在这过程中可以使用模拟器、仿真工具和实际测试来验证方案的正确性和性能表现。

在上面的案例教学中，学生通过比较分析、优点和缺点权衡、改进建议、再次验证和评估等步骤，可以学习使用批判性思维来优化设计方案。

三、批判性思维在教育中的挑战与对策

虽然批判性思维在教育中有广泛地应用，但在实践中也存在一些挑战。下面从教师、学生、评价方式等角度进行介绍。

（一）教师自身的批判性思维能力不足

教师是批判性思维能力的关键促进者。但是，部分教师在批判性思维的应用上缺乏经验和技能，这可能导致课程设计、教学方法和评估方式的不足。为了提高教师本身的批判性思维能力，学校可以为教师提供专业培训，帮助他们了解批判性思维的内涵、目标、特征和实践技巧，鼓励教师进行跨学科探究和交流，培养跨学科思维能力，进而发展批判性思维能力，还可以鼓励教师开展实践案例研究等教育研究，提高其教学水平，包括采用多种评估方法，例如，论文、教学竞赛、小组讨论等，以评估教师的批判性思维能力，实现教学能力的持续改进。

（二）学生缺乏批判性思维的意识和能力

部分学生没有意识到批判性思维的重要性，或缺乏必要的批判性思维能力，这可能导致他们无法充分参与课程设计、教学方法和评估方式。因此，引导学生认识到批判性思维的重要性，以及培养他们的批判性思维能力，也是一个重要的挑战。通过课程中针对批判性思维的专门模块或案例教学来强调批判性思维的价值，并给学生提供在不同情境下应用批判性思维的机会。同时，在课堂上通过案例分析、讨论小组及实验演示等方式，让学生从多个角度培养分析、评价和判断能力。教学手段上，可以采用在线学习和数字化教育技术帮助学生进行批判性思维的实践，并辅以教师的反馈和指导，从而帮助学生不断发展和提高自身的批判性思维能力。