針對應用型人才的集成電路課程改革

于文娟 董可秀

（滁州學院 安徽·滁州 239000）

當今時代科技快速發展，社會信息化程度逐步提升，集成電路技術起到了關鍵性的作用，可以說集成電路的發展水平和一個國家的科技發展速度息息相關。對我國而言，2014年國務院印發了《國家集成電路產業發展推進綱要》，在綱要中明確指出：集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，但是產業的快速發展勢必帶來人才需求激增。高校是國家人才培養基地，如何培養出集成產業人才、支持國家建設是高校相關專業首要問題。《數字集成電路設計》課程是我校電子科學技術專業的一門綜合性的專業課，傳統的集成電路課程講授方法，已經不能滿足應用型及創新型人才的集成電路人才培養目標，課程改革勢在必行。

1 課程定位

《數字集成電路設計》課程是電子科學技術專業非常重要的一門專業課，系統的講述了集成電路和相關知識，從基礎電路設計到后端版圖設計，都有涉獵。根據市場人才需求分析，本專業畢業生可從事的崗位多為電路設計及硬件技術設計分析人員，結合我校培養應用型人才的培養目標，本課程的培養目標為培養學生具有良好的數字集成電路硬件設計能力、電路分析能力、版圖設計能力以及專業分析能力。

在前期專業基礎課的基礎上，為提升學生專業技術水平，本課程安排在大三的第二學期。需要有電路分析、數字電子設計、模擬電子設計、半導體物理等課程的前期鋪墊。所涉及知識從半導體制作工藝、半導體器件到電路前段設計和后端版圖設計，環節環環相扣。講授內容首先結合半導體物理及半導體制作工藝基本知識，掌握數字集成電路的基本構成單元CMOS器件的制作原理和設計方法，課程中期講解CMOS電路設計和分析，最后結合設計進行版圖制作。

2 主要問題

《數字集成電路設計》課程作為專業課，與電科專業基礎課程相比，在課程知識領域、趣味性、實踐性等方面都有所不同，該課程在人才培養方案課程體系構建中，處于承上啟下的位置，結合了大一大二的課程，同時為學生畢業成為集成電路工程師或者讀研提供必要專業知識，在課程授課中，主要存在以下幾個問題。

2.1 課程知識覆蓋面大

從課程知識角度，數字集成電路覆蓋知識廣泛，如果學生在大一大二的基礎沒有打牢，課程授課的第一二章內容就很難理解消化，到電路設計和分析部分經常會有學生不理解設計的原理，反復講解收效甚微，最根本原因就是基礎不牢，基礎器件沒有牢記于心，用器件做電路再進一步分析和數據，就難上加難了。因此在教學中如何加入并強化半導體及數字電子設計相關知識，是本課程改革中需要思考的問題之一。

2.2 課堂授課模式單一

從課程授課方式角度分析，數字集成電路課程具有較強的邏輯性和實踐性。特點是專業性強，內容抽象。課程定位是培養能夠勝任集成電路設計工程師等職位的應用型人才，要求在設計電路的基礎上，能夠熟練使用EDA工具進行設計、編譯、仿真及下載。掌握集成電路制作工藝，以便在功耗和版圖設計方面得心應手。培養的學生應該具有獨立思考、科研創新、團隊協作、工程應用等綜合性素質。但是傳統的教學方法中，授課為講聽式教學，采用PPT介紹知識點，課堂上通篇講解理論，邏輯分析和計算講解占據了主要課程時間。在這種授課方式中，理論占據大量時間而且師生互動缺失，在短短一學期將大量理論知識灌輸給學生，相應的實踐和實驗輔助沒有跟上，導致學生最后只能書面分析電路，實際設計方面非常匱乏，這種授課方式與課程的培養目標相悖。因此如何在課程中加入新的課程講授方法，提高學生的實際設計能力是本課程改革需要解決的另一個問題。

2.3 疫情期間授課方式難以滿足實踐性要求

今年新冠肺炎暴發，為了響應教育部關于“停課不停教，停課不停學”的精神，大部分高校都采用了線上的教學方式。疫情期間的數字集成電路課程的理論和實驗課也采用了線上教學方式。線上課程的缺點是互動性差，尤其是這類實驗設計要求較強的課程。如何讓學生在家就能學好這門課，掌握理論知識的同時能夠在實驗課中熟練使用 EDA工具進行設計和仿真，是數字集成電路課程在改革過程中首次遇到但是必須解決的問題。

3 針對培養應用型人才的數字集成電路課程改革方法

3.1 重基礎、強實踐的教學內容改革

數字集成電路課程是電子科學與技術專業必修的專業課，是夯實半導體基礎并提高專業設計水平的課程。本課程選用甘學溫等編著的“十一五”國家級規劃教材作為講授教材《集成電路原理與設計》，該教材構架合理，內容深入淺出、層層遞進，非常適合本校學生定位。在講授過程中，首先課程前兩節課，先讓學生理解課程定位，根據學生反饋并結合課本內容，把數字電路以及半導體物理基礎知識總結性講解，第三節課加入半導體制作工藝，學生在理解了如何制作集成電路、集成電路的基本構成單元MOSFET內部能級分析及傳輸特性后，在進入第四章電路設計以及最后的版圖設計時，就能夠快速理解吸收。在畢業生調研中，學生在進入公司或者讀研后，普遍反饋課程基礎掌握扎實，但是課程里的設計過于單一，與現實應用和設計脫軌。因此在課程改革中，我選用了國外優秀教材作為教學內容補充，國外教材的特點是注重設計方法。例如本課程使用的《CMOS數字集成電路——分析與設計(第4版)》教材，本書第1章至第8章詳細討論MOS晶體管的相關特性和工作原理、基本反相器電路設計、組合邏輯電路及時序邏輯電路的結構與工作原理，第9章后，附加大量實例，討論了電路的可制造性設計和可測試性設計這兩個重要問題。可以補充國內教材缺乏實用性內容的缺點。

同時根據人才培養目標，學生除了掌握基礎的電路知識和集成電路分析設計之外，還需要掌握工藝、版圖規劃、封裝、測試等知識，以及熟練的使用集成電路電子設計自動化ED軟件。但是傳統課程中，對實踐知識講解匱乏，過度關注電路設計導致學生只掌握集成電路中的一個小部分，無法將設計與實際集成電路制作結合。因此在課程改革中，補充了國內外先進的工藝制作視頻，讓學生直觀感受版圖到工藝制作的轉換。在實驗設計方面，隨著EDA軟件不斷發展，集成電路各個階段都需要借助EDA工具輔助完成，尤其對于驗證和仿真，能夠大大提高設計的成品率，課程改革中，將每個階段涉及的軟件一一列出，講解軟件協同制作和優化結合，有利于學生能夠靈活掌握各類EDA軟件，提高設計效率。

3.2 項目引導式教學方法改革

針對培養應用型人才的我校人才培養目標，課程的教學方法必須能夠結合實際應用，課堂中，不能僅僅是課程理論內容的大量灌輸。對于數字集成電路這類邏輯性強、實踐性強的課程，需要更加重視課程內容的學以致用。因此在課程改革中，改變傳統的說教式教學，采用項目引導式教學方法，從課堂第一次課，設立一個項目讓學生思考，例如讓學生拿出身邊的電子產品，思考哪一步的運行由數字電路完成，提醒學生注意在后面課程中如何通過電路設計實現。最后讓學生設計電路并在實驗課程進行仿真驗證功能。項目式方法既能夠引導學生快速進入課程內容，也可以將理論課程和實驗課程結合一起，通過理論課程的設計，通過實驗課程進行驗證。這一項目的貫穿始終，也將數字集成電路的工藝方法、設計方法、EDA工具畫圖仿真驗證合理關聯。

從學生興趣角度，數字集成電路是一門枯燥的課程，涉及大量半導體物理參數、電路設計的堆積，課堂中采用板書結合PPT的方式授課，講解知識點、電路分析，這個過程中灌輸式講授占據大量時間，課堂沉悶是傳統課堂難以克服的問題，只能通過課堂提問等方式提高學生的注意力。改革中加入項目啟發后，學生在課程起始就進入思考狀態，實踐證明提高學生求知欲是提高學生注意力的有效方法。課程實驗中，最后四個課時留給學生獨立設計，學生可以采用團隊合作的方式，在項目完成后，不僅學到知識，學生的團隊協作能力、創新能力都得到了提升。

3.3 疫情期間的線上教學方法研究

在信息化時代的今天，互聯網+的興起合理的將教育和互聯網整合，線上課堂的開展體現了教育的公平化和時代化。2020年，是新冠肺炎暴發的一年，在黨的領導下，我們積極應戰這場沒有硝煙的戰爭，并取得了階段性勝利。在疫情期間，大部分學生停留在家，為了響應“停課不停教，停課不停學”的精神，高校教師們結合以往線上教學經驗，采用了直播上課的新模式。但是直播教學并不同于之前的線上教學，以往的線上課堂是線下課堂的補充，是在課堂講授后，在慕課、泛雅等平臺進行課程補充，上傳課程PPT、視頻和作業等，利用學生的課后時間復習和鞏固課堂內容，推進了學生學習的深度。但是在疫情期間，直播授課完全替代了傳統課堂，沒有了面對面講授，如何高效的讓學生掌握課程知識，是每個直播教師必須思考的問題。

對于電子科學與技術專業，專業課知識具有較強的實踐性，要求學生在實踐中構建課程體系和邏輯思維。數字集成電路設計課程在前期改革中采用了項目式教學，如何在直播上課中將理論與實踐結合，將項目式教學繼續實踐，保證學生的知識接收量，是本次直播授課中需要思考的問題。因此在直播課中，我采用了三步一體的課程教授方式，分別從線上課前預習、直播授課、課后指導三個角度設計課程，構建以學生為主題的混合模式教學方式。

首先，課前線上預習是保證直播課程能夠順利進行的前提，預習采用雨課堂，在建立課程后將視頻和PPT上傳，監控學生的閱讀時間，及時在QQ群中隨時監督和提醒學生。正式的直播授課環節中，進行課前提問，包括課前預習以及上節課的課后作業點評，進行答疑解惑并鼓勵優秀學生，加強學生自習的積極性。課堂授課采用雨課堂、騰訊直播等方式，雨課堂的優勢是PPT和課堂內容可以預習、回放、并進行課后作業的復習。但是雨課堂的互動性較差，故而我采用了QQ在線直播以及分享屏幕的方式補充雨課堂的不足。根據課堂內容先建立項目引導，在理論性較強的知識點采用三步式教學，邏輯性較強部分必須采用板書直觀講授，這里會使用手機直播，用白紙代替黑板，用記號筆代替粉筆，在紙上展示板書全部內容以及分析過程，每個板書都截圖給學生，方便課后復習。對于實踐性較強的部分，三步式更是缺一不可，例如講解集成電路的制作過程方面，簡單的課堂講授及畫圖不能滿足學生對課程的理解，需要輔助相關視頻，讓學生提前觀看著名公司制作全部流程，并在課堂中提問和講解，效果顯著。

課后輔導是三步式中不可缺少的一步，根據學生的特點，在課后及時和學生溝通，一方面可以及時掌握學生的知識掌握程度并加以指導，另一方法可以及時對授課方式改進。直播授課除了沒有和學生的面對面，也缺少了和同事的接觸,閉門造車不可取，課后溝通能夠在督促學生的基礎上，掌握對于學生而言較好的授課方式，實現以學生為主題的授課模式。

4 結語

隨著集成電路的高速發展，信息技術已經深入到人們生產生活中，我國是集成電路消費大國，卻是生產小國，集成電路工程師的人才需求日益顯著。高校是集成電路人才培養的搖籃，為了培養具有實踐能力和設計思維的集成電路人才，集成電路課程建設和改革必不可少。數字集成電路課程是集成電路方面重要的專業課，內容涉及集成電路工藝、設計以及版圖設計等領域，根據我校培養應用型人才的培養目標，結合課程內容，首先對課程內容進行改進，增加課程內容的連貫性和實用性。同時對課程的方法進行重新設計，采用項目引導式方法，啟發學生的學習動力。在直播課程中，采用三步式教學方法，使用QQ直播和雨課堂相結合，將課堂內容融會貫通，在項目式的驅動下，掌握數字集成電路課程的設計和實踐。最終達到以學生為主體，培養應用型集成電路人才的課程培養目標。