淺談創新背景下的集成電路專業實驗教學

殷樹娟

（北京信息科技大學理學院，北京100192）

0 引 言

加強創新型人才培養，創新育人方式是國家對高等教育改革的基本指導思想，是對高等教育本質目標的深刻剖析。實驗教學是高等教育中最能體現創新型人才培養的教學形式。實驗教學是理論與實踐完美結合的重要體現形式，是培養學生工程實踐能力和開拓創新思維的重要表現方式。優秀的實驗教學不僅可以強化理論教學的效果，更重要的是可以為學生提供一個“學以致用”的場合和機會［1-2］。實驗教學的實施形式多樣，從實驗具體實施方式的不同可以將實驗教學簡單劃分為驗證性與探究性兩類實驗。

以集成電路專業實驗教學為例，驗證性實驗教學側重于教授學生通過實驗驗證電路輸入輸出結果；探究性實驗教學側重于學生基于已有的理論基礎通過實驗過程探究真實的“電路”工作原理［3-4］。現階段高等教育中，實驗教學更多地采用驗證性實驗方式。近年來，隨著創新型人才培養目標的提出，探究性實驗開始逐漸展現其重要性。

本文以集成電路專業基礎實驗全定制四位減法器電路設計為例，闡述現階段該實驗的驗證性實驗教學形式及效果，分析創新背景下驗證性實驗暴露的問題［5］，探討該實驗的探究性實驗教學形式及呈現的實驗效果。在此基礎上，進一步分析創新背景下如何將探究性實驗與驗證性實驗兩種教學形式相結合，更好地發揮實驗教學在集成電路專業創新型、應用型人才培養中的重要作用。

1 驗證性實驗教學

1.1 驗證性實驗的實施

驗證性實驗教學的實驗目標定位在：“檢驗”“證實”兩個方面。“檢驗”即教師通過實驗檢查學生理論學習的成果；“證實”即學生通過實驗證實理論教學內容的正確性。圖1所示給出了全定制四位減法器電路設計驗證性實驗教學流程。從圖中可見：在實驗教學的實施過程中，教師的主要作用是“檢驗員”，學生只是扮演著“操作員”的角色。實驗內容是被精心設計的，因此，在“檢驗員”的監督下，“操作員”按照步驟完成相關實驗內容，從而強化理論教學效果。而在全定制四位減法器設計過程中，根據設計指標選擇合適的電路結構需要設計者基于常見加法器結構類型以功耗、速度等指標為依據選擇合適的一位加法器電路結構，并進一步搭建四位減法器電路系統。因此，電路結構的選擇過程對設計者的綜合創新能力，理論結合實際的應用能力等具有一定的鍛煉和提升。而這些在驗證性實驗中無法實現。

圖1 驗證性實驗基本流程

1.2 驗證性實驗的優勢

在現階段高等教育教學中，驗證性實驗教學占據主要地位［6-7］，其根本原因在于：① 實驗內容的設置精煉；由于驗證性實驗具體實驗內容由教師擬定，而教師們憑借其在相關實驗方面的豐富操作經驗，可以精準、簡練地提煉實驗內容。②實驗考核標準統一；由于實驗內容一致，從而可以保證最終實驗結果統一，因此，對于實驗結果的考核簡單可行。③實驗步驟簡潔、易操作；為保證實驗效果和控制實驗學時，驗證性實驗的實驗步驟大都是固定、簡潔的，從而保證在規定時間內大部分學生能得到相應的實驗結果。

1.3 驗證性實驗的不足

對于高等教育而言，大學生已經具備一定綜合分析能力、理論結合實際的應用能力，驗證性實驗對于在培養創新型、應用型人才中逐漸暴露了不足之處：①驗證性實驗將教師放置于主體地位，忽略了學生的主觀能動性；由四位減法器的實驗流程可以看出，學生在實驗過程中，按照實驗步驟可以逐步完成最終電路功能，完全不需要加入自己的想法。②驗證性實驗忽略了學生的個體差異性；參與實現的學生在理論水平、動手能力等方面具有一定的差異性，而驗證性實驗在內容設置方面需保證大部分學生能在規定學時內完成相應實驗內容，從而造成理論基礎好、動手能力強的學生“吃不飽”，理論基礎弱、動手能力差的學生“吃不了”。

③驗證性實驗的成績評定標準單一，實驗步驟和實驗內容統一，因此，每位學生根據相同的實驗步驟所得到的實驗結果大同小異，實驗成績評定更多地依靠報告的優劣判斷，從而使得一些學生舍本逐末，甚至認為實驗做得好不如實驗報告寫得好。

2 探究性實驗教學

2.1 探究性實驗教學的實施

探究性實驗教學的實驗目標定位在：“探索”“研究”兩個方面。“探索”即教師通過實驗教學過程引導學生利用理論知識分析各種可能出現的實驗結果及可行的解決方案；“研究”即學生基于理論知識自主深入分析實驗原理、實驗內容及相應的實驗結果，研究可行性實驗方案。圖2所示給出了全定制四位減法器電路設計探究性實驗教學的開展形式。

從圖2中可見，在實驗教學的實施過程中，教師只是“任務發布者”，學生是“任務執行者”。教師給出實驗目標后，后續的相關實驗內容、實驗步驟等都由學生根據自己的知識儲備和對階段性實驗結果的分析做出判斷和選擇，教師的工作更多側重于引導學生思路、觀察實驗過程、提供理論指導等。

2.2 探究性實驗教學的優勢

圖2 探究性實驗基本流程

從探究性實驗教學的基本流程中不難發現，探究性實驗教學在發揮學生的主觀能動性、充分考慮學生的個體差異性以及因材施教等方面具有優勢。具體而言：①探究性實驗的主體是學生，教師主要承擔著場外指導、理論拓展、過程記錄等工作。在全定制四位減法器電路設計探究性實驗過程中，當教師給出設計目標后，學生需要根據理論知識對設計目標進行逐步分解，形成各自的設計方案。每個不同的設計方案對應的后續電路結構、仿真設置等各不相同，從而增強學生在實驗過程中的主體性和獨立性，也避免了后續實驗報告大同小異的情況。②探究性實驗可以根據學生的不同教育背景選擇合適的實驗內容和步驟，因材施教。在高等教育階段，不同學生在理論基礎、動手能力等方面差異性較大，對知識的綜合應用及創新能力也千差萬別。在探究性實驗形式中，相同的設計目標情況下，理論基礎比較強、動手能力較弱的學生可以側重布爾函數的推導，弱化電路的模塊化設計方案，簡化實驗迭代；而理論基礎比較弱、動手能力較強的學生則可以側重于電路的模塊化分層設計，而弱化布爾函數的求解和推導。③探究性實驗的考核標準多樣，可以更好考查學生的綜合能力。由于在探究性實驗中，教師的主導性被削弱，可以更多地關注學生的實驗過程，更加詳細地記錄學生在結構劃分、模塊搭建、仿真驗證等方面的具體表現。因此，探究性實驗的考核可以更加細致、公正。④探究性實驗可以更好地拓展學生的發散思維，符合創新型人才培養目標。在一位加法器電路的瞬態仿真中，驅動器件尺寸越大，驅動能力越強，但同時會引入更大噪聲及面積。學生需要綜合考慮噪聲、面積、驅動能力等多種因素，綜合運用信號與系統、微電子器件、數字集成電路設計等相關課程的知識，通過合適的驗證方式選擇最優結構。因此，探究性實驗過程滲透學生對各知識點的理解及綜合應用能力，同時為學生打開了知識交互融合的視界。

2.3 探究性實驗教學的不足

探究性實驗教學也存在一定的不足，主要表現在：①探究性實驗拓展學生思路的同時也容易使學生偏離原有的實驗目標。由于本科生知識儲備有限，面對功能劃分、子模塊搭建等難免會出現偏題情況，從而難以控制實驗學時，達不到實驗預期效果［4］，同時影響后續實驗教學的開展。② 探究性實驗的評分標準與實驗過程密切相關，實驗成績評判標準多樣化。由于探究性實驗的實驗內容、步驟、手段等不統一，從而如何合理分配各部分分值及權重非常關鍵。不合理的評分標準會嚴重影響學生的實驗積極性和創新熱情。③探究性實驗教學的深度難以控制，很難設定合理的實驗界限。學生的動手能力、知識積累各不相同，一味地強調探究而忽略基礎實驗目標很容易造成實驗失敗，導致各層次的學生都難以獲得探究性實驗的樂趣。

3 集成電路專業實驗教學的改革及探索

以全定制四位減法器電路設計為例，詳細分析了驗證性實驗與探究性實驗教學的各自優勢與不足［5-6］。在國家大力倡導培養具有創新精神的應用型人才的目標指引下，具有鮮明工科特色的集成電路設計專業實驗教學需要與時俱進［7］。

（1）在實驗內容設置方面，教師需要充當“引路人”的角色。在全定制四位減法器電路設計中，教師需要總控全局，引導但不決定實驗步驟及實驗方案。對于出現偏題、跑題的現象，教師需及時干預并正確地引導；對于理論基礎缺失或實驗操作錯誤，教師需適時給予幫助和指導；對于電路功能劃分、仿真內容的設置等，教師可以部分參與，拓展學生思路、激發學生的實驗積極性。

（2）在實驗實施方式方面，學生需要起主導作用。在全定制四位減法器電路設計中，從目標分解、電路劃分、子電路搭建、子電路仿真、四位加法器仿真以及最后的四位減法器仿真的所有流程中，學生需要進行大量的試錯和判定工作。試錯和判定的過程是對理論知識應用的過程，也是創新的起步過程。因此，整個實驗過程要確保學生的主導地位。

（3）在實驗考核標準方面，多樣化的評分標準需側重基本實驗目標。教師在制定實驗評分標準時，需保證基本實驗目標，即在相應的實驗學時內學生需完成基本的實驗目標。同時，為了鼓勵學生的創造性，制定的評分標準還需要保證探究性實驗過程的分值及權重，從而使得學生能充分發揮主觀能動性的同時又能避免其舍本逐末。

綜上所述，教師在以學生為主導的實驗過程中角色在不斷轉變，驗證性實驗和探究性實驗形式也因學生個體差異性以不同的形式交叉出現在實驗過程中。不同的學生根據階段性實驗結果可以在不同的實驗階段選擇不同的實驗形式，從而實現培養創新型、應用型人才的目標。

4 結 語

以全定制四位減法器電路設計為例，對比分析了驗證性實驗與探究性實驗在實驗內容設置、實驗實施形式、實驗考核標準等方面各自的優勢和不足。針對高等院校創新型、應用型人才培養目標，給出了教師為“引導”，學生為“主導”的實驗教學形式，根據學生的個體差異性在不同的實驗階段選擇性加入探究性實驗內容，從而在保證基本實驗目標的前提下拓展學生的創新應用能力，實現培養具有創新精神的應用型人才的目標。