集成電路設(shè)計類課程改革
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1傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式剖析
2001年我國新增“集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)，2003年至2009年，我國在清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校分三批設(shè)立了20個大學(xué)集成電路人才培養(yǎng)基地，加上原有的“微電子科學(xué)與工程”專業(yè)，目前，國內(nèi)已有近百所高校開設(shè)了微電子相關(guān)專業(yè)和實(shí)訓(xùn)基地，由此可見，國家對集成電路行業(yè)人才培養(yǎng)的高度重視。在新形勢下，集成電路相關(guān)專業(yè)的“重理論輕實(shí)踐”、“重教授輕自學(xué)輕互動”的傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式已不再適用。因此，探索新的人才培養(yǎng)方式，改革集成電路設(shè)計類課程體系顯得尤為重要。傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式的“重理論、輕實(shí)踐”方面，可從課程教學(xué)學(xué)時安排上略見一斑。例如：某高?！澳M集成電路設(shè)計”課程，總學(xué)時為80，其中理論為64學(xué)時，實(shí)驗為16學(xué)時，理論與實(shí)驗學(xué)時比高達(dá)4∶1。由于受學(xué)時限制，實(shí)驗內(nèi)容很難全面覆蓋模擬集成電路的典型結(jié)構(gòu)，且實(shí)驗所涉及的電路結(jié)構(gòu)、器件尺寸和參數(shù)只能由授課教師直接給出，學(xué)生在有限的實(shí)驗學(xué)時內(nèi)僅完成電路的仿真驗證工作。由于缺失了根據(jù)所學(xué)理論動手設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，計算器件尺寸，以及通過仿真迭代優(yōu)化設(shè)計等環(huán)節(jié)，使得眾多應(yīng)屆畢業(yè)生走出校園后普遍不具備直接參與集成電路設(shè)計的能力。“重教授、輕自學(xué)、輕互動”的傳統(tǒng)教學(xué)方式也備受詬病。課堂上，授課教師過多地關(guān)注知識的傳授，忽略了發(fā)揮學(xué)生主動學(xué)習(xí)的主觀能動性，導(dǎo)致教師教得很累，學(xué)生學(xué)得無趣。
2集成電路設(shè)計類課程體系改革探索和教學(xué)模式的改進(jìn)
2014年“數(shù)字集成電路設(shè)計”課程被列入我校卓越課程的建設(shè)項目，以此為契機(jī)，卓越課程建設(shè)小組對集成電路設(shè)計類課程進(jìn)行了探索性的“多維一體”的教學(xué)改革，運(yùn)用多元化的教學(xué)組織形式，通過合作學(xué)習(xí)、小組討論、項目學(xué)習(xí)、課外實(shí)訓(xùn)等方式，營造開放、協(xié)作、自主的學(xué)習(xí)氛圍和批判性的學(xué)習(xí)環(huán)境。
2．1新型集成電路設(shè)計課程體系探索
由于統(tǒng)一的人才培養(yǎng)方案，造成了學(xué)生“學(xué)而不精”局面，培養(yǎng)出來的學(xué)生很難快速適應(yīng)企業(yè)的需求，往往企業(yè)還需追加6～12個月的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生才能逐漸掌握專業(yè)技能，適應(yīng)工作崗位。因此，本卓越課程建設(shè)小組試圖根據(jù)差異化的人才培養(yǎng)目標(biāo)，探索新型集成電路設(shè)計類課程體系，重新規(guī)劃課程體系，突出課程的差異化設(shè)置。集成電路設(shè)計類課程的差異化，即根據(jù)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開設(shè)不同的專業(yè)課程。比如，一些班級側(cè)重培養(yǎng)集成電路前端設(shè)計的高端人才，其開設(shè)的集成電路設(shè)計類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計、集成電路系統(tǒng)與芯片設(shè)計、模擬集成電路設(shè)計、射頻電路基礎(chǔ)、硬件描述語言與FPGA設(shè)計、集成電路EDA技術(shù)、集成電路工藝原理等；另外的幾個班級，則側(cè)重于集成電路后端設(shè)計的高端人才培養(yǎng)，其開設(shè)的集成電路設(shè)計類課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計、CMOS模擬集成電路設(shè)計、版圖設(shè)計技術(shù)、集成電路工藝原理、集成電路CAD、集成電路封裝與集成電路測試等。在多元化的培養(yǎng)模式中，加入實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，為期一年，設(shè)置在第七、八學(xué)期。學(xué)生可自由選擇，或留在學(xué)校參與教師團(tuán)隊的項目進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，或進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)，以此來提高學(xué)生的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)。
2．2理論課課堂教學(xué)方式的改進(jìn)
傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)方式主要“以教為主”，缺少了“以學(xué)為主”的互動環(huán)節(jié)和自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。通過增加以學(xué)生為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果。改進(jìn)措施如下：
（1）適當(dāng)降低精講學(xué)時。精講學(xué)時從以往的占課程總學(xué)時的75％～80％，降低為30％～40％，課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)由主講教師精講，精講環(huán)節(jié)重在使學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。
（2）增加課堂互動和自學(xué)學(xué)時。其學(xué)時由原來的占理論學(xué)時不到5％增至40％～50％。
（3）采用多樣化課堂教學(xué)手段，包括團(tuán)隊合作學(xué)習(xí)、課堂小組討論和自主學(xué)習(xí)等，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。比如，教師結(jié)合當(dāng)前本專業(yè)國內(nèi)外發(fā)展趨勢、研究熱點(diǎn)和實(shí)踐應(yīng)用等，將課程內(nèi)容凝練成幾個專題供學(xué)生進(jìn)行小組討論，每小組人數(shù)控制在3～4人，課堂討論時間安排不低于課程總學(xué)時的30％［3］。專題內(nèi)容由學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式完成，小組成員在查閱大量的文獻(xiàn)資料后，撰寫報告，在課堂上與師生進(jìn)行交流。課堂理論教學(xué)方式的改進(jìn)，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，使學(xué)生從被動接受變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，既活躍了課堂氣氛，也營造了自主、平等、開放的學(xué)習(xí)氛圍。
2．3課程實(shí)驗環(huán)節(jié)的改進(jìn)
為使學(xué)生盡快掌握集成電路設(shè)計經(jīng)驗，提高動手實(shí)踐能力，探索一種內(nèi)容合適、難度適中的集成電路設(shè)計實(shí)驗教學(xué)方法勢在必行。本課程建設(shè)小組將從以下幾個方面對課程實(shí)驗環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)：
（1）適當(dāng)提高教學(xué)實(shí)驗課時占課程總學(xué)時的比例，使理論和實(shí)驗學(xué)時的比例不高于2∶1。
（2）增加課外實(shí)驗任務(wù)。除實(shí)驗學(xué)時內(nèi)必須完成的實(shí)驗外，教師可增設(shè)多個備選實(shí)驗供學(xué)生選擇。學(xué)生可在開放實(shí)驗室完成相關(guān)實(shí)驗內(nèi)容，為學(xué)生提供更多的自主思考和探索空間。
（3）提升集成電路設(shè)計實(shí)驗室的軟、硬件環(huán)境。本專業(yè)通過申請實(shí)驗室改造經(jīng)費(fèi)，已完成多個相關(guān)實(shí)驗室的軟、硬件升級換代。目前，實(shí)驗室配套完善的EDA輔助電路設(shè)計軟件，該系列軟件均為業(yè)界認(rèn)可且使用率較高的軟件。
（4）統(tǒng)籌安排集成電路設(shè)計類課程群的教學(xué)實(shí)驗環(huán)節(jié)，力爭使課程群的實(shí)驗內(nèi)容覆蓋設(shè)計全流程。由于集成電路設(shè)計類課程多、覆蓋面大，且由不同教師進(jìn)行授課，因此課程實(shí)驗分散，難以統(tǒng)一。本課程建設(shè)小組為了提高學(xué)生的動手能力和就業(yè)競爭力，全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排課程群內(nèi)的所有實(shí)驗，使學(xué)生對集成電路設(shè)計的全流程都有所了解。
3工程案例教學(xué)法的應(yīng)用
為提升學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗，我們將工程案例教學(xué)法貫穿于整個課程群的理論、實(shí)驗和作業(yè)環(huán)節(jié)。下面以模擬集成電路中的典型模塊多級放大器的設(shè)計為例，對該教學(xué)方法在課程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3．1精講環(huán)節(jié)
運(yùn)算放大器是模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中一個完整而又重要的部分，從直流偏置的產(chǎn)生到高速放大或濾波，都離不開不同復(fù)雜程度的運(yùn)算放大器。因此，掌握運(yùn)算放大器知識是學(xué)生畢業(yè)后從事模擬集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)。雖然多級運(yùn)算放大器的電路規(guī)模不是很大，但是在設(shè)計過程中，需根據(jù)性能指標(biāo)，謹(jǐn)慎挑選運(yùn)放結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計器件尺寸。運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)指導(dǎo)著設(shè)計的各個環(huán)節(jié)和幾個比較重要的設(shè)計參數(shù)，如開環(huán)增益、小信號帶寬、最大功率、輸出電壓（流）擺幅、相位裕度、共模抑制比、電源抑制比、轉(zhuǎn)換速率等。由于運(yùn)算放大器的設(shè)計指標(biāo)多，設(shè)計過程相對復(fù)雜，因此其工作原理、電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸的計算方法等，這部分內(nèi)容需要由主講教師精講，其教學(xué)內(nèi)容可以放在“模擬集成電路設(shè)計”課程的理論學(xué)時里。
3．2作業(yè)環(huán)節(jié)
課后作業(yè)不僅僅是課堂教學(xué)的鞏固，還應(yīng)是課程實(shí)驗的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。為了彌補(bǔ)缺失的學(xué)生自主設(shè)計環(huán)節(jié)，我們將電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計和器件尺寸、相關(guān)參數(shù)的手工計算過程放在作業(yè)環(huán)節(jié)中完成。這樣做既不占用寶貴的實(shí)驗學(xué)時，又提高了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。比如兩級運(yùn)算放大器的設(shè)計和仿真實(shí)驗，運(yùn)放的設(shè)計指標(biāo)為：直流增益＞80dB；單位增益帶寬＞50MHz；負(fù)載電容為2pF；相位裕度＞60°；共模電平為0．9V（VDD＝1．8V）；差分輸出擺幅＞±0．9V；差分壓擺率＞100V／μs。在上機(jī)實(shí)驗之前，主講教師先將該運(yùn)放的設(shè)計指標(biāo)布置在作業(yè)中，學(xué)生根據(jù)教師指定的設(shè)計參數(shù)完成兩級運(yùn)放結(jié)構(gòu)選型及器件尺寸、參數(shù)的手工計算工作，仿真驗證和電路優(yōu)化工作在實(shí)驗學(xué)時或課外實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中完成。
3．3實(shí)驗環(huán)節(jié)
在課程實(shí)驗中，學(xué)生使用EDA軟件平臺將作業(yè)中設(shè)計好的電路輸入并搭建相關(guān)仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真驗證工作。學(xué)生根據(jù)仿真結(jié)果不斷優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和器件尺寸，直至所設(shè)計的運(yùn)算放大器滿足所有預(yù)設(shè)指標(biāo)。其教學(xué)內(nèi)容可放在“模擬集成電路設(shè)計”或“集成電路EDA技術(shù)”課程里［4］。
3．4版圖設(shè)計環(huán)節(jié)
版圖是電路系統(tǒng)和集成電路工藝之間的橋梁，是集成電路設(shè)計不可或缺的重要環(huán)節(jié)。通過集成電路的版圖設(shè)計，可將立體的電路系統(tǒng)變?yōu)橐粋€二維的平面圖形，再經(jīng)過工藝加工還原為基于硅材料的立體結(jié)構(gòu)。兩級運(yùn)算放大器屬于模擬集成電路，其版圖設(shè)計不僅要滿足工藝廠商提供的設(shè)計規(guī)則，還應(yīng)考慮到模擬集成電路版圖設(shè)計的準(zhǔn)則，如匹配性、抗干擾性以及冗余設(shè)計等。其教學(xué)內(nèi)容可放在課程群中“版圖設(shè)計技術(shù)”的實(shí)驗環(huán)節(jié)完成。通過理論環(huán)節(jié)、作業(yè)環(huán)節(jié)以及實(shí)驗的迭代仿真和版圖設(shè)計環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握模擬集成電路的前端設(shè)計到后端設(shè)計流程，以及相關(guān)EDA軟件的使用，具備了直接參與模擬集成電路設(shè)計的能力。
4結(jié)語
集成電路設(shè)計類課程的改革，是新的嘗試和探索，其措施包括多元化人才培養(yǎng)模式、理論課課堂教學(xué)方式的改進(jìn)、課程實(shí)驗環(huán)節(jié)的改進(jìn)，以及工程案例教學(xué)法的應(yīng)用。本課程建設(shè)小組希望藉此來提高教學(xué)效果和質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的理論知識水平和實(shí)踐應(yīng)用能力，全面提升學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。
作者：趙琳娜 虞致國 梁海蓮 閆大為 單位：江南大學(xué)
