集成电路设计课程改革研究

作者:查重猫     发表时间:2020-09-09 23:56:22   浏览次数:17


  摘要:集成电路设计作为电子科学与技术专业的核心课程,其改革和探索是人才培养的重要保障.在“新工科”的要求下,结合创新思维与理念,针对课程体系、教学内容、教学模式、实践环节、校企合作和人才队伍等方面存在的问题展开研究与探索,对当前存在的问题进行了分析,并按照人才培养目标与要求,进行相应的优化,以满足国家对创新型、应用型人才的需求.

  关键词:新工科;集成电路设计;课程改革

  集成电路是人类发展史中的重要发明之一.现代电子信息技术的快速发展,离不开集成电路的高速发展,集成电路的发展水平已经在一定程度上反映了一个国家的科技发展水平[1-3].集成电路产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性产业[4-6].集成电路从小规模起步,经过中规模集成,发展到大规模集成,近十几年又提高到超大规模和特大规模时代[7-8].集成电路的快速发展,离不开集成电路人才的培养,目前集成电路设计人才短缺已成为制约其发展的瓶颈之一[9-10].高等学府作为培养国家科技人才的基地,可以从本科专业的设置和课程的建设,来支持国家的实业振兴.在新工科建设中,把培养具有创新精神的应用型人才已经提到了首位.而集成电路设计作为电子科学与技术专业的核心课程之一,就必须改变过去的课程培养体系、教学模式和实践方式,并以实践和动手能力培养为主,在新的课程设置和教学模式下,按照集成电路发展规律,提高学生学习的主动性和积极性,培养学生的创新精神和动手能力.

  1 课程教学现状

  1.1 课程内容存在不足

  1.1.1 课程体系 目前该课程是电子科学与技术专业的选修课,为学生知识拓展,以及能力提升之用.集成电路设计设置在电子科学与技术专业大三第 2 学期,修完的专业基础课只有模拟电子电路、数字电子电路、电路分析、理论物理基础和半导体物理,对集成电路设计课程来说,还缺少必要的固体物理、晶体管物理以及量子力学.此外,也没有集成电路设计相关的专业课,如集成电路工艺、集成电路设计 CAD、集成电路封装与测试等专业课.若没有集成电路专业基础课的学习,学生后续学习就比较吃力,教师讲授也相对较困难,也就是说,不管对教师教学,还是学生学习,都没有很好的知识体系框架的保障.

  1.1.2 课程内容 根据 2017 版《电子科学与技术》专业人才培养方案要求,教材选用高等教育“十一五” 国家级规划教材——电子工业出版社出版的《集成电路原理及应用》[11],教学内容要求见表 1.从表 1 可以看出,课程要求的大多数是模拟集成电路的原理及应用,对数字集成电路介绍相对较少,同时每章的课时分配也比较少,特别第 4~7 章模拟集成电路的功能电路.这样,教师讲授课程内容节奏就比较快,学生能理解和掌握的知识就少了.因此,学生很难短时间接受新知识,内化新内容.

  1.2 实践环节偏少

  集成电路设计课程应用性较强,特别是要求掌握的实际动手环节较多,但目前只配置了一门实验课,而且没有课程设计之类的教学实践环节辅助.集成电路设计实验也只设置为 6 个实验模块,每个模块也只有一种电路形式,每个班级一个实验模块也仅有 1.5 的学时.并缺少大型的实验平台和相应的模型器件,来培养学生的动手能力和创新精神.这样很难让学生真正体会到设计的乐趣,以及课程内容及公式的真正意义.对学生以后走向社会的就业、创业都有一定程度的影响.

  1.3 校企合作欠缺

  1965 年 Gorden E. Moore 提出了著名的摩尔定律,即集成电路的集成度,每隔 18 个月增加一倍,也就是说,集成电路产业的更新速度非常快.当然,产业的更新离不开知识的更新,特别是前沿技术的学习.企业是产业或产品发展的试金石,企业的发展更离不开前沿技术的研发,所以企业掌握着大量的前沿信息和技术.高校所讲授的课程内容,基本上都来自书本,而书本的理论和技术,可能都是前几年,甚至是前几十年的经验总结和理论分析.在实际的教学中,要想让学生具有创新精神,就需要学生掌握先进的开发和设计经验.而人才培养方案或实验实践教学中,刚好就缺少这一重要环节.

  1.4 专业教师缺乏专业的教师团队和先进的管理模式是专业人才的重要保障.电子科学与技术教研室目前在职教师 12 人,其中具有微电子学专业背景的教师 3 人,且研究方向各有不同.若按照集成电路人才培养目标的要求,专业教师严重不足,并且同一课程讲授 3 年以上的,具有丰富教学经验的教师,更是凤毛麟角.

  2 课程教学改革措施

  2.1 教学内容优化

  集成电路设计教学中,对该领域的专业基础要求较高,适当增加固体物理、量子力学和晶体管物理的课程设置,让学生掌握必备的电路结构、功能和设计过程中的基础知识,增加集成电路测试、工艺和封装等领域的专业课.并根据电路设计过程的需要,掌握在各个阶段所采用的工具软件.现有的集成电路设计课程中,模拟集成电路知识占课程内容的 89%,其中由集成运放构成的集成电路分析占总内容的 67%.在现有总课时的基础上,加大集成运放构成的集成电路模块的讲授课时,例如:可把集成运放的基础知识提升至 8 课时,模拟集成电路的线性和非线性应用各自提升至 9 个课时,模拟集成电路模块电路各自按 6 个课时讲授,预留 4 个课时给学生熟悉专业软件的使用,进行电路设计指导.因此,为了实现人才培养方案的要求和满足社会的需求,提高电子专业的本科教学质量,需重新审视和规划课程安排和课时分配.

  2.2 实践环节改革

  在“大众创业、万众创新”的背景下[12],如何培养学生的创新和创业能力,已成为大学教育教学改革的方向.在“新工科”实践要求下,更是把学生的专业实践动手能力作为教育教学的目标之一.集成电路行业发展日新月异,但学校固有的理论教学传统却根深蒂固.为了改变这一局面,必须加大教学中实践环节的投入.在现有集成电路设计实验课程基础上,再增加 18 学时,以增加集成电路功能模块的设计,如稳压电源、滤波器和 A/D 器件等实验.此外,可引进先进的实验操作平台,使学生不仅可以学会仿真,也可以进行实际操作,如设计、制版和测试等.并且在理论和实验课程结束后,增加一个系统性、综合性较强的课程设计,对整本书所讲授的电路,可以设计成大的组合电路,完成相应的功能,并尽可能把课本中的单元电路都涉及到.这样,不仅能进一步理解理论知识,而且也能提高学生自身的动手设计能力,对学生以后的就业有一定的帮助作用,又为学生提供了创新思维和创新意识的平台.

  2.3 教学模式改革

  改变现有的以理论讲授为主,实验仿真为辅的教学方式.在课堂上,以教师问题引导为主,学生自学和回答问题为辅的互动教学模式,提高学生学习的主动性.教师利用专业的仿真软件,根据课程内容的理论分析,进行动态仿真分析,并以实验图片与理论分析对比,加深学生对课本内容的理解,也让学生学会了专业仿真软件的使用方法.不仅可以加深理论知识的学习,而且可以培养学生利用现有理论进行设计仿真的能力.

  2.4 校企合作培养

  根据“资源共享、优势互补、共同发展”的原则,以提高大学生的专业水平和动手能力为目标,加大与企业的交流和合作.定期邀请大中型企业,集成电路设计领域的设计师到学校进行前沿技术介绍、集成电路设计与测试方法,以及企业运行模式和考核办法讲座,让学生真正了解企业,指导学生该学什么及怎么学.积极开展第二课堂,深入企业,拜师学艺,可让学生体验下企业的工作氛围,以及如何工作,如何设计.让平时的理论学习活起来,也让学生真正感受设计出成果的乐趣,激发学生学习和创新的动力.可适当组织企业员工与大学生的知识竞赛,发现学生的不足,激励学生和教师不断成长.

  2.5 适当引进专业技术人才

  我国集成电路产业近几年发展迅速,集成电路相关产业已初具规模,集成电路设计企业的薪酬待遇有较大优势,高学历的毕业生大部分都选择留在一二线城市的大中型企业和研究所.作为省属高校,对高学历人才的吸引力度不足,可以适当引入具有集成电路专业的硕士研究生和企业的专业技能人才,充实教师队伍,弥补实践教学的不足,提升大学生的实践能力,提高学生的创新水平.

  2.6 课堂教学方法改革

  在课堂教学时,转变过去满堂灌的讲授教学法,结合互联网和各种在线学习平台,采用启发式、趣味性的混合教学方法.改变过去教师上课时,只需一根粉笔、一个黑板就可以授课的模式.不仅教师讲得辛苦,而且学生也听得困难.学生被动地学习,掌握和理解的内容自然就比较少.因此,必须发挥学生在课堂中的主体地位,激发学习的积极性和主动性.例如:教学时,利用“雨课堂”等软件,增加教师与学生的互动,并对课堂信息进行统计,分析学生的掌握理解情况,并适当增加知识性的趣味游戏,让学生“乐学”起来,最终达到掌握知识的目的.

  3 结语

  集成电路产业已经是我国经济发展的支柱产业,也是电子、通信和测控等领域发展的基石.集成电路设计人才的培养也是事关国民经济发展的关键.本文根据“新工科”的发展要求,按照人才培养方案目标,针对目前集成电路设计专业课程的实际情况,分析了课程体系、实践环节中存在的主要问题,对电子科学与技术专业的集成电路设计课程进行了改革,并对课程内容等多方面进行了优化.为学校工科的发展,以及创新型和应用型的设计人才的培养,进行了有益的探索和实践.

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