集成電路設計課程改革研究

發布時間：2020-02-08所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：集成電路設計作為電子科學與技術專業的核心課程，其改革和探索是人才培養的重要保障.在新工科的要求下，結合創新思維與理念，針對課程體系、教學內容、教學模式、實踐環節、校企合作和人才隊伍等方面存在的問題展開研究與探索，對當前存在的問題進行了

　　摘要：集成電路設計作為電子科學與技術專業的核心課程，其改革和探索是人才培養的重要保障.在“新工科”的要求下，結合創新思維與理念，針對課程體系、教學內容、教學模式、實踐環節、校企合作和人才隊伍等方面存在的問題展開研究與探索，對當前存在的問題進行了分析，并按照人才培養目標與要求，進行相應的優化，以滿足國家對創新型、應用型人才的需求.

　　關鍵詞：新工科;集成電路設計;課程改革

　　集成電路是人類發展史中的重要發明之一.現代電子信息技術的快速發展，離不開集成電路的高速發展，集成電路的發展水平已經在一定程度上反映了一個國家的科技發展水平[1-3].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產業[4-6].集成電路從小規模起步，經過中規模集成，發展到大規模集成，近十幾年又提高到超大規模和特大規模時代[7-8].集成電路的快速發展，離不開集成電路人才的培養，目前集成電路設計人才短缺已成為制約其發展的瓶頸之一[9-10].高等學府作為培養國家科技人才的基地，可以從本科專業的設置和課程的建設，來支持國家的實業振興.在新工科建設中，把培養具有創新精神的應用型人才已經提到了首位.而集成電路設計作為電子科學與技術專業的核心課程之一，就必須改變過去的課程培養體系、教學模式和實踐方式，并以實踐和動手能力培養為主，在新的課程設置和教學模式下，按照集成電路發展規律，提高學生學習的主動性和積極性，培養學生的創新精神和動手能力.

　　1 課程教學現狀

　　1.1 課程內容存在不足

　　1.1.1 課程體系 目前該課程是電子科學與技術專業的選修課，為學生知識拓展，以及能力提升之用.集成電路設計設置在電子科學與技術專業大三第 2 學期，修完的專業基礎課只有模擬電子電路、數字電子電路、電路分析、理論物理基礎和半導體物理，對集成電路設計課程來說，還缺少必要的固體物理、晶體管物理以及量子力學.此外，也沒有集成電路設計相關的專業課，如集成電路工藝、集成電路設計 CAD、集成電路封裝與測試等專業課.若沒有集成電路專業基礎課的學習，學生后續學習就比較吃力，教師講授也相對較困難，也就是說，不管對教師教學，還是學生學習，都沒有很好的知識體系框架的保障.

　　1.1.2 課程內容 根據 2017 版《電子科學與技術》專業人才培養方案要求，教材選用高等教育“十一五” 國家級規劃教材——電子工業出版社出版的《集成電路原理及應用》[11]，教學內容要求見表 1.從表 1 可以看出，課程要求的大多數是模擬集成電路的原理及應用，對數字集成電路介紹相對較少，同時每章的課時分配也比較少，特別第 4~7 章模擬集成電路的功能電路.這樣，教師講授課程內容節奏就比較快，學生能理解和掌握的知識就少了.因此，學生很難短時間接受新知識，內化新內容.

　　1.2 實踐環節偏少

　　集成電路設計課程應用性較強，特別是要求掌握的實際動手環節較多，但目前只配置了一門實驗課，而且沒有課程設計之類的教學實踐環節輔助.集成電路設計實驗也只設置為 6 個實驗模塊，每個模塊也只有一種電路形式，每個班級一個實驗模塊也僅有 1.5 的學時.并缺少大型的實驗平臺和相應的模型器件，來培養學生的動手能力和創新精神.這樣很難讓學生真正體會到設計的樂趣，以及課程內容及公式的真正意義.對學生以后走向社會的就業、創業都有一定程度的影響.

　　1.3 校企合作欠缺

　　1965 年 Gorden E. Moore 提出了著名的摩爾定律，即集成電路的集成度，每隔 18 個月增加一倍，也就是說，集成電路產業的更新速度非常快.當然，產業的更新離不開知識的更新，特別是前沿技術的學習.企業是產業或產品發展的試金石，企業的發展更離不開前沿技術的研發，所以企業掌握著大量的前沿信息和技術.高校所講授的課程內容，基本上都來自書本，而書本的理論和技術，可能都是前幾年，甚至是前幾十年的經驗總結和理論分析.在實際的教學中，要想讓學生具有創新精神，就需要學生掌握先進的開發和設計經驗.而人才培養方案或實驗實踐教學中，剛好就缺少這一重要環節.

　　1.4 專業教師缺乏專業的教師團隊和先進的管理模式是專業人才的重要保障.電子科學與技術教研室目前在職教師 12 人，其中具有微電子學專業背景的教師 3 人，且研究方向各有不同.若按照集成電路人才培養目標的要求，專業教師嚴重不足，并且同一課程講授 3 年以上的，具有豐富教學經驗的教師，更是鳳毛麟角.

　　2 課程教學改革措施

　　2.1 教學內容優化

　　集成電路設計教學中，對該領域的專業基礎要求較高，適當增加固體物理、量子力學和晶體管物理的課程設置，讓學生掌握必備的電路結構、功能和設計過程中的基礎知識，增加集成電路測試、工藝和封裝等領域的專業課.并根據電路設計過程的需要，掌握在各個階段所采用的工具軟件.現有的集成電路設計課程中，模擬集成電路知識占課程內容的 89%，其中由集成運放構成的集成電路分析占總內容的 67%.在現有總課時的基礎上，加大集成運放構成的集成電路模塊的講授課時，例如：可把集成運放的基礎知識提升至 8 課時，模擬集成電路的線性和非線性應用各自提升至 9 個課時，模擬集成電路模塊電路各自按 6 個課時講授，預留 4 個課時給學生熟悉專業軟件的使用，進行電路設計指導.因此，為了實現人才培養方案的要求和滿足社會的需求，提高電子專業的本科教學質量，需重新審視和規劃課程安排和課時分配.

　　2.2 實踐環節改革

　　在“大眾創業、萬眾創新”的背景下[12]，如何培養學生的創新和創業能力，已成為大學教育教學改革的方向.在“新工科”實踐要求下，更是把學生的專業實踐動手能力作為教育教學的目標之一.集成電路行業發展日新月異，但學校固有的理論教學傳統卻根深蒂固.為了改變這一局面，必須加大教學中實踐環節的投入.在現有集成電路設計實驗課程基礎上，再增加 18 學時，以增加集成電路功能模塊的設計，如穩壓電源、濾波器和 A/D 器件等實驗.此外，可引進先進的實驗操作平臺，使學生不僅可以學會仿真，也可以進行實際操作，如設計、制版和測試等.并且在理論和實驗課程結束后，增加一個系統性、綜合性較強的課程設計，對整本書所講授的電路，可以設計成大的組合電路，完成相應的功能，并盡可能把課本中的單元電路都涉及到.這樣，不僅能進一步理解理論知識，而且也能提高學生自身的動手設計能力，對學生以后的就業有一定的幫助作用，又為學生提供了創新思維和創新意識的平臺.

　　2.3 教學模式改革

　　改變現有的以理論講授為主，實驗仿真為輔的教學方式.在課堂上，以教師問題引導為主，學生自學和回答問題為輔的互動教學模式，提高學生學習的主動性.教師利用專業的仿真軟件，根據課程內容的理論分析，進行動態仿真分析，并以實驗圖片與理論分析對比，加深學生對課本內容的理解，也讓學生學會了專業仿真軟件的使用方法.不僅可以加深理論知識的學習，而且可以培養學生利用現有理論進行設計仿真的能力.

　　2.4 校企合作培養

　　根據“資源共享、優勢互補、共同發展”的原則，以提高大學生的專業水平和動手能力為目標，加大與企業的交流和合作.定期邀請大中型企業，集成電路設計領域的設計師到學校進行前沿技術介紹、集成電路設計與測試方法，以及企業運行模式和考核辦法講座，讓學生真正了解企業，指導學生該學什么及怎么學.積極開展第二課堂，深入企業，拜師學藝，可讓學生體驗下企業的工作氛圍，以及如何工作，如何設計.讓平時的理論學習活起來，也讓學生真正感受設計出成果的樂趣，激發學生學習和創新的動力.可適當組織企業員工與大學生的知識競賽，發現學生的不足，激勵學生和教師不斷成長.

　　2.5 適當引進專業技術人才

　　我國集成電路產業近幾年發展迅速，集成電路相關產業已初具規模，集成電路設計企業的薪酬待遇有較大優勢，高學歷的畢業生大部分都選擇留在一二線城市的大中型企業和研究所.作為省屬高校，對高學歷人才的吸引力度不足，可以適當引入具有集成電路專業的碩士研究生和企業的專業技能人才，充實教師隊伍，彌補實踐教學的不足，提升大學生的實踐能力，提高學生的創新水平.

　　2.6 課堂教學方法改革

　　在課堂教學時，轉變過去滿堂灌的講授教學法，結合互聯網和各種在線學習平臺，采用啟發式、趣味性的混合教學方法.改變過去教師上課時，只需一根粉筆、一個黑板就可以授課的模式.不僅教師講得辛苦，而且學生也聽得困難.學生被動地學習，掌握和理解的內容自然就比較少.因此，必須發揮學生在課堂中的主體地位，激發學習的積極性和主動性.例如：教學時，利用“雨課堂”等軟件，增加教師與學生的互動，并對課堂信息進行統計，分析學生的掌握理解情況，并適當增加知識性的趣味游戲，讓學生“樂學”起來，最終達到掌握知識的目的.

　　3 結語

　　集成電路產業已經是我國經濟發展的支柱產業，也是電子、通信和測控等領域發展的基石.集成電路設計人才的培養也是事關國民經濟發展的關鍵.本文根據“新工科”的發展要求，按照人才培養方案目標，針對目前集成電路設計專業課程的實際情況，分析了課程體系、實踐環節中存在的主要問題，對電子科學與技術專業的集成電路設計課程進行了改革，并對課程內容等多方面進行了優化.為學校工科的發展，以及創新型和應用型的設計人才的培養，進行了有益的探索和實踐.

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