基于翻轉課堂的數字集成電路設計實驗教學方法研究
——以黑龍江大學為例

于志鵬，艾春鵬

(黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080)

翻轉課堂作為一種新型教學模式，它的核心理念是學生在進行某一課程學習時，將課堂時間與課下時間翻轉，進而提高課堂時間利用率。這種教學模式翻轉了傳統的教學理念、教學流程及教學參與者的角色，可以在很大程度上提高課堂時間利用率，同時培養學生討論、分析和解決問題的能力[1]。隨著集成電路產業的迅速發展，傳統實驗教學方式無法完全適應當前集成電路人才培養的要求。擬從黑龍江大學數字集成電路設計實驗課程為切入點，研究基于翻轉課堂的實驗教學方法，以培養具有扎實專業知識、專業技能、創新精神的人才為目標，致力于為黑龍江大學在滿足社會需求的高校人才培養方案的制定與實施歷程中探索行之有效的方法。

1 數字集成電路設計實驗課程教學現狀

數字集成電路設計課程為黑龍江大學集成電路專業學生本科階段的必修課。傳統的數字集成電路設計實驗教學課程可使學生加深對所學理論知識的理解，熟練軟件使用過程，增強動手操作能力，但還存在如下三方面問題：

A.實驗教學方法有待改進。在傳統的數字集成電路設計實驗教學中，上課前，學生基本不了解實驗儀器和軟件，也不清楚實驗課的內容。課程開始后，教師需要把相應理論知識、儀器操作和軟件使用等內容一一講授清楚，在有限學時內，更多的講授時間就壓縮了學生動手實驗和探索更深入問題的時間，不利于學生實踐能力的培養。

B.實驗課程內容相對簡單。目前，黑龍江大學數字集成電路設計實驗課程的內容較為基礎，基本單元電路的設計仿真占比較大，開放性實驗項目不多。實驗內容主要涉及比較器、編碼器和加法器等基礎門電路的仿真，學生使用ModelSim軟件通過Verilog語言編寫相應電路的網表，然后編寫對應testbench文件并進行仿真驗證所寫電路網表功能的正確性。這類基礎實驗有利于學生熟練掌握編程語言和軟件使用，并加深對基本單元電路的理解，但內容相對簡單，對于學生設計綜合能力的進一步培養還有所欠缺。

C.實驗課程考核機制單一。傳統數字集成電路設計實驗課程的考核成績只做為其理論課程總成績的一小部分。黑龍江大學的數字集成電路設計實驗課程的考核形式一般為學生每次實驗課程中是否完成了幾項規定的實驗內容，所有實驗內容完成后所得成績的疊加即為該門實驗課程的總成績。由于實驗內容具有固定性和同一性，成績較好的學生快速完成實驗內容后難于進一步進行探索研究，這種簡單的考核方式無法很好反映出學生掌握實驗技能的梯度，也不利于學生發揮創新型思維進行設計實驗，阻礙了學生的實踐能力發展。

2 基于翻轉課堂教學模式的改革探索

A.課堂翻轉，提升學生學習質量。在翻轉課堂教學模式中，教師應由專注“如何教”轉向研究學生“如何學”。在數字集成電路設計實驗教學中，教師可根據本次課程的實驗內容，在課程開始前一周將相應的學習知識點、軟件操作、硬件搭建及要解決的問題以電子文檔或視頻的形式放于共享平臺上。學生需要在共享平臺上進行課前學習，學習期間應查閱相關參考資料，將簡單的知識點盡量通過自學解決，將重點難點問題標記出來，在課堂中與教師或學習小組交流、討論，并最終解決問題[2]。這種翻轉課堂教學模式改變了傳統課堂的教學方式，強化了學生主動學習的意識，提高了課堂時間利用率，可提升學生的學習質量[3]。

B.實驗課程內容和模式改革。實驗課程對學生基礎知識掌握情況的檢驗和設計能力的培養至關重要，因此，應打破傳統實驗課程輔助理論課程開設的現狀，將數字集成電路設計課程實驗部分作為一門擁有獨立學分的必修課。實驗內容應具有基礎性、多樣性、創新性和完整性，確保學生在做好基礎性實驗后，切實提升創新性實驗能力。

實驗內容中應增加綜合電路設計題目所占比重。目前，實驗室擁有SEED-XDTK FPGA教學實驗平臺，擁有視頻顯示、LED顯示、數碼管等驗證設備，可開設多種實驗教學項目。學生可利用該平臺完成編寫源代碼、綜合、編寫測試文件、功能仿真、約束設計、布局布線后仿真、生成FPGA下載代碼文件、FPGA下載程序和實驗平臺驗證結果全流程。應充分利用SEED-XDTK FPGA教學實驗平臺的強大功能，將該平臺貫穿數字集成電路設計實驗課程始終，如：可增加數碼管顯示、LED跑馬燈、頻率計等基礎實驗項目，獨立電路設計項目也應利用該平臺進行開展。這對于提高學生的數字電路設計能力、動手實踐能力和掌握FPGA開發過程具有重要意義。

C.完善實驗課程考核機制，注重學生創新能力培養。應建立課前學習考核制度，督促學生做好課前學習。翻轉課堂教學模式若要在數字集成電路設計實驗教學中達到好的效果，就必須建立適當的課前考核機制。可將學生課前學習時長和通過課前學習掌握基礎知識的程度作為一項課程考核指標，考核分數計入最終實驗課程成績內(占實驗總成績的20%)，進而督促學生必須做好課前學習。

數字集成電路設計課程實驗部分的主要任務是培養學生的數字集成電路設計能力，因此，要注重實驗中創新性設計能力的考核。以往實驗總成績由每次實驗得分累加獲得，改革后，實驗總成績應為課前學習考核得分(20%)、每次完成實驗內容考核得分(20%)和完成一個獨立電路設計實驗考核得分(60%)三項累加獲得。獨立電路設計實驗需要完成電路建模、電路網表編寫、testbench編寫和在FPGA實驗箱進行功能驗證等工作。教師可根據學生在設計過程中每一步驟的完成情況給出準確的評價分數，這樣可以較為細致地檢驗學生對基礎知識和電路設計能力的掌握情況，而且獨立電路設計實驗分值占比較高，如果不能完成電路設計，則該門課程無法通過考核，可通過這種方式調動學生的積極性，加強學生的緊迫感，提高學生的學習質量。

3 結語

通過對翻轉課堂教學模式的研究，結合黑龍江大學數字集成電路設計實驗教學課程現狀，探索了基于翻轉課堂的實驗教學方法。該方法根據目前實驗教學課程存在的問題，提出了課堂翻轉、完善課程考核機制和實驗內容改革的方法，可以增強師生之間的交互性，增加學生動手實驗的時間，有助于教師在課堂上更好地掌握每一位學生真正的學習狀態和學習效果，從而有效提升學生的數字集成電路設計能力、創新思維能力和實踐能力。