“集成電路設計基礎”課程教學改革探索

段倩倩 張文棟 史健芳 李朋偉 桑勝波

摘要：“集成電路設計基礎”課程是電子科學與技術類專業的一門必修課。詳細介紹了“集成電路設計基礎”傳統教學方法的不足，探討了教學內容和實踐環節的優化整合思路，構建了高效的理論教學內容框架與實踐教學流程，通過教學改革增強了學生課程理論與工程實踐相結合的能力。

關鍵詞：集成電路設計;傳統教學;教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0091-02

信息產業已成為21世紀的戰略性支柱產業，集成電路產業作為信息產業的重要基礎，其發展水平是衡量國家綜合國力的一大重要標志。[1]目前，集成電路產業的迅速發展對“集成電路設計基礎”課程提出了新的要求，傳統教學方法培養的設計人才已不能滿足產業的發展需要。因此，為了適應行業發展需求，加強學生的就業能力，亟需對傳統的教學內容和考核模式進行改革和創新。[2，3]

本文結合太原理工大學電子科學與技術專業的實際情況，綜合考慮行業發展、企業需求和技術更新情況，提出了“集成電路設計基礎”課程的教學改革研究項目。基于課堂理論教學、課外實驗教學及學生科技創新等方面，通過教學內容、實踐環節及考核方法等多方面的改革，旨在為該專業學生提供良好的學習環境，培養學生的電路設計能力、理論聯系實踐能力、創新性思維意識、分析問題和解決問題能力，同時也為青年教師的教學科研提供平臺。

一、傳統教學方法

集成電路設計基礎是電子科學與技術類專業高年級本科生的一門專業必修課。在該課程之前，學生已經學習了電路分析基礎、電子工藝學、模擬電子線路、數字電路和邏輯設計、高頻電子線路等課程，在此基礎上進一步學習集成電路設計基礎知識，熟悉集成電路設計要點和制作過程，掌握主流集成電路設計和仿真軟件的使用方法，培養集成電路基本設計能力。[4]

在課堂教學和實踐過程中，傳統的教學方法和考核方式主要存在如下問題：一是本課程的講授內容主要集中在Protel99 SE或Altium Designer等主流集成電路設計軟件的使用上，老師結合書本上的集成電路設計圖，講解如何利用Protel99 SE或Altium Designer等軟件設計電原理圖、電路板圖和創建原理圖元件庫、電路板圖元件庫等知識，對電路設計、仿真、印制電路板制作工藝等知識的講解涉及較少，課程內容之間的相關性、相承性、互補性得不到有機整合，與前面所學的課程也缺乏聯系，學生被動接受知識，容易“知其然而不知其所以然”，缺乏對集成電路設計過程的宏觀認識和整體把握，無法培養學生的主導性和創新思維能力;二是對于這門實踐性比較強的課程，現有的實踐環節缺乏系統規劃，導致實踐內容陳舊，實踐方法單一，實踐模式呆板，大多僅僅是在電腦上對已經成熟的電原理圖和電路板圖進行簡單的重復，以熟悉軟件的操作，學生不動手設計和仿真電路，不制作印制電路板，不對實際加工得到的電路進行測試和分析，陷入了局部的細節學習，學生不獨立分析問題、解決問題，自學能力、動手能力、理論聯系實踐能力都得不到有效的培養;三是現有的課程考核方法過于單一片面，不能科學評價學生對課程的掌握程度，單純通過純理論、偏細節的考試和簡單的實踐考查進行課程考核顯然無法使學生進行知識的融會貫通，對知識僅停留在粗淺的概念理解上。因此，為了培養學生的科學思維能力、實驗研究能力和工程應用能力，應當對傳統的教學內容尤其是實踐環節及考核方式進行改革。[5]

二、課程改革實施建議

過去電路設計、印制電路板設計、電路測試分析等工作通常由不同的人員完成，隨著電子科學技術的不斷發展，對電路設計人員綜合素質的要求越來越高，傳統的教學大綱重理論、輕實踐，將教學的重點放在了印制電路板的設計上，更多地關注如印制電路板元器件的布局、印制電路板的布線、Protel99 SE或Altium Designer軟件的使用等，學生無法建立系統的集成電路設計思路，不能形成比較體系的集成電路設計知識結構，已經不能適應行業發展需要，因此需要對課程的講授內容和實踐環節進行適當的調整與改進，制訂符合實際的教學大綱，增加對該課程的電路設計和仿真、印制電路板制作工藝等內容的講解，使學生形成完整的集成電路設計的知識體系。實踐環節應帶領學生動手制作印制電路板，比較電路實際的測量結果和仿真結果的不同，分析原因，提高學生的實驗研究能力、理論聯系實踐能力、分析問題和解決問題能力。下面重點談一下實踐環節的改革。

1.電路設計和仿真

教師根據實際需要，提出設計指標，學生參考有關資料，確定電路方案和元件參數，使用Multisim軟件（美國NI有限公司產品）交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。若不符合指標，修改方案或參數，直至達到預定要求為止。

Multisim軟件具有非常完整、豐富的虛擬測試儀器，教師在設計指標時應在考慮學校現有儀器的基礎上既使學生能充分認識和利用Multisim軟件強大的虛擬測試功能，又方便學生對最后加工得到的電路板進行測試。

2.印制電路板設計

在設計的電路達到預定的要求后就可以開始進行印制電路板的設計。Altium Designer（澳大利亞Altium有限公司產品）是目前行業中最為主流的印制電路板設計軟件，為設計者提供了全新的設計解決方案。

無論設計時軟件自帶的原理圖元件庫和電路板圖元件庫能不能滿足要求，學生都應熟練掌握創建原理圖元件庫和新建庫元件、創建電路板圖元件庫與新建庫元件的方法。

3.印制電路板制作

教師應對典型的印制電路板工廠生產流程（下料、內層制作、壓合、鉆孔、鍍銅、外層制作、防焊漆印刷、文字印刷、表面處理、外形加工）進行講解，有條件的話可以組織同學去印制電路板制作工廠進行實地的參觀。

目前比較通用的可以在一般實驗條件下制作較高精度印制電路板的方法分別是熱轉印法和感光藍油法，教師可根據實際的實驗條件進行選擇。

熱轉印法首先需要將設計好的印制電路板通過激光打印機打印在熱轉印紙上，然后根據打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，并對覆銅板表面進行打亮，接著用電熨斗進行熱轉印工藝，熱轉印工藝完成后，將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時，最后進行鍍錫和鉆孔，完成印制電路板的制作。[6]

感光藍油法是將打印好的印制電路板打印在透明的膠片上，并根據打印好的印制電路板圖鋸下合適的覆銅板，然后將稀釋的感光藍油（感光藍油∶水=1∶3，體積比）均勻地涂在覆銅板上，并用電吹風吹干，接著用打印好的膠片蓋住覆銅板，用有機玻璃壓在上面，然后放在紫光燈下曝光約150秒，顯影后將覆銅板放入腐蝕液（三氯化鐵∶水=1∶5，體積比）中腐蝕約半小時，最后進行脫模，完成印制電路板的制作。[6]

4.電路測試和分析

印制電路板制作完成后，將元器件焊好后對電路的輸出結果進行測試，若結果與理論的仿真結果偏差較大，分析原因，撰寫相應的實踐報告。

三、考核方式改革

電路CAD 課程是一門更多面向應用、實踐的課程，課程考核應將考查的重點放在學生的自學能力、實際的動手能力、分析和解決問題能力的考查上，降低純理論、局部細節考查的難度，真正做到課程理論性與工程實踐性相結合。

本課程的考核分為理論測驗成績、實踐環節成績兩大部分。總成績按以下公式計算：總成績=理論測驗成績×30%+實踐環節成績×70%。實踐環節中應充分發揮學生的自主創新能力，由于實驗條件的局限和差異，成績考核也不應僅取決于最后制作得到的電路的實際測量結果和之前仿真值的偏差大小，而應該綜合考慮整個實踐過程中學生動手能力、分析問題和解決問題能力、對集成電路整體設計思路的宏觀認識和整體把握程度等。

教師還可設置課外科技創新活動，組織學有余力的同學進行諸如利用51單片機、DSP等進行簡單的嵌入式系統開發、比較兩種印制電路板制作方法等活動，并在實踐考核打分時給予考慮。

參考文獻：

[1]葉波，趙倩.“大規模集成電路設計”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2010，（15）：104-106.

[2]何濤，申桂英，蘇忠根，等.獨立學院《電子電路CAD》課程改革探索與實踐[J].軟件導刊（教育技術），2012，（1）：23-25.

[3]岳亞杰，楊慧晶，張宏國.集成電路設計與集成系統專業人才培養模式的探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2013，（3）：62-63.

[4]施敏，孫玲，徐晨，等.淺談“集成電路版圖CAD”課程建設[J].中國集成電路，2007，（12）：59-62.

[5]張翼宇.《電路CAD》課程的教學探討[J].四川理工學院學報（社會科學版），2007，22（S1）：64-87.

[6]周旭.印制電路板設計制造技術[M].北京：中國電力出版社，

2012.

（責任編輯：王祝萍）