独立学院集成电路原理专业课程改革

张华斌 曾葆青 杨健君 刘黎明 陈卉

摘要：根据独立学院本科学生的特点，结合我校电子科学与技术专业集成电路原理课程的实际教学情况，对该课程的教学内容、学时和教学方法进行改革。具体做法是：增加重点章节学时，补充相关知识，使其连续性增强，增强学生学习过程中的逻辑思维能力；对内容的重新安排，以工艺为主线，先Bipolar后CMOS工艺，安排对应的数字及模拟电路，保证学生对所学内容的有序性。同时，在教学过程中，有目的地将所学单元电路组合起来形成实际的电路系统，与IC软件建设平台实践环节相结合，强调学生实践能力，使培养出的人才满足当今IC行业应用型人才的需求。

关键词：独立学院；集成电路原理；电子科学与技术；教学方法；IC软件平台

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0080-03

电子信息产业是国家高新技术产业的重点，是国家经济发展的命脉，因此，从国家发展经济的角度来讲，必须大力发展电子信息产业。实际上，推动电子信息产业发展的主要核心动力，来源于集成电路产业的发展，然而，集成电路产业的高速发展需要大量的高水平、高素质的集成电路设计人才。但直到20世纪90年代，随着国家“908、909”工程项目的实施，集成电路设计和制造技术开始正式起步，此时集成电路加工技术与国外先进的微细加工技术相比，有相当大的差距。不仅如此，行业集成电路设计和加工人才十分缺乏，而我国每年高校微电子专业毕业的研究生仅有几百人，远远不能满足社会发展需要。

因此，集成电路设计人才缺乏，已成为制约集成电路产业向前发展的瓶颈之一。要改变这种状况，应当从本科教育开始做起，培养基础扎实的集成电路设计人才[1]。为此，针对我院电子科学与技术（IC设计）专业发展的实际情况，我校将集成电路原理专业核心课程作为质量工程建设项目，在此基础上。做了大量的工作，取得一定的效果。

一、集成电路原理课程内容改革

我校集成电路原理课程安排在第6学期，共64学时，每周4节。教材选用朱正涌主编、清华大学出版社出版的微电子光电子系列教材《半导体集成电路（第二版）》。该教材涉及的内容丰富，章节较多，独立学院在选用此教材的过程中，应根据实际情况对教学内容做适当改革。教学内容的变化，首先是删除与该专业其他课程重复的内容，这既有利于节省教学学时，又能保证学生在学习该课程时所学知识是新知识。其次，增加新内容和知识关联度。例如，讲述反向器设计时，从最早采用PMOS工艺所设计的反向器开始，接着是电阻负载型的反向器，以及NMOS负载反向器分析电路发展过程，进而发展到现在的CMOS反向器，在此过程中，设计人员可以解决如何降低功耗和缩小面积的问题。最后，重新安排教学内容，将本书内容概括为两个部分：第一部分为MOS逻辑/模拟集成电路，第二部分为双极逻辑/模拟集成电路，有利于学生以工艺为线索对知识进行整体把握。通过这些改革，不仅可以降低学生学习知识难度，提高学生学习兴趣，而且可以了解知识的来龙去脉，形成学生的系统性的认识，进一步提高集成电路设计和应用能力。

二、集成电路原理课程教学方法的改革

針对我校是以教学型为主的独立学院，课程的内容变化立足于提高本科层次的学生能力，教学方法必须在此基础上做适当改革，才会对教学质量产生好的效果，尤其是培养本科层次应用型人才，还处于不断研究和探索阶段，有大量工作要做。

1.强调理论知识“学以致用”的原则。我们改变以往教师滔滔讲解、学生被动接受的局面，充分贯彻学以致用的教学思想，而且集成电路原理是一门实践和动手能力很强的课程[2]，必须对课程教学做一些探索和尝试。首先，从实际生活出发，从身边的电子产品入手，找出这些产品的工作特点。如实现这些工作方式应采用什么样的电路结构，这些与电路知识有什么关系，这些关系正好又与电路工作原理一致，也就是说可通过电路实际工作原理实现它，通过这种步步引导的方式，既让学生熟悉知识与产品之间的联系，又让学生找到学习知识的用途。其次，从使用元器件制作样品开始，在制作过程中，学生会提出很多问题，而这些问题可通过教师引导查阅课本、资料等解决问题，从这个角度，使学生明白课本知识的真正用途。最后，指导学生将宏观元器件通过采用微电子集成工艺方式，以更小的尺寸实现，同时让学生看到显微镜下的电路版图。通过以上几种方式，达到学以致用的效果。

2.强调理论知识关联性及延伸性的原则。强化学生应用能力的培养，必须强调理论知识本身之间的关联性和延伸性。所谓关联性，是前后知识之间的联系，形成统一整体，这方面主要是通过教师在上课前对以前已讲知识的概括，进而引出本课内容，表现知识的一环套一环的系统性原则。也可通过学生在课前或课后对所学内容进行分析、对比，找到知识之间的紧密关联性，形成应用知识的能力。

除此之外，讲授知识时，要对理论知识进行延伸，主要体现在两个方面：一是在对本课内容进行总结概括的基础上提出问题，以便下节课重点解决该问题，给学生留下问题悬念。二是在课本基本理论的基础上进行延伸，掌握当今技术的发展情况及技术的发展趋势，这将对理论学习起到巨大的推动作用。同时，使学生将所学理论与实践（技术）结合起来，真正懂得知识的用途和如何应用。

3.强化理论知识与实验、实习相结合的原则。众所周知，必须将所学理论知识付诸于实践，才能提高学生的动手能力和应用知识的能力，才能达到学院所提出的应用型人才的培养目的。在学校人才培养体系的计划中，应加大实践教学，强化理论指导下的实践应用能力训练，将实验、实习和实训所占学时比例提高到人才培养计划课程体系总学时的25%以上。通过强化实验、实践环节，不仅能使学生学会做实验，还能引导他们学会设计实验[3]。如：根据专业涉及电路设计，设计时应注重电路性能指标计算，选择实验元器件参数。同时，为配套集成电路原理课程改革，提高学生的专业知识水平和应用能力，学院专门设立40学时的专业实践课程集成电路设计实验，从而加大应用型人才的培养力度[4]。另外，为了确保学生所学理论知识与实际生产、设计和应用相一致，学院建立8个专业实习基地。如：深圳方正微电子有限公司、中山市奥泰普微电子有限公司、木林森股份有限公司、广州南科集成电子有限公司等。

三、集成电路原理课程实验的改革

对电子科学与技术专业的学生来说，四年大学学习的关键在于，具有较强的IC专业知识和应用能力，形成这方面能力的重点是IC实验教学，通过IC实验教学，可以很好地将理论知识应用于实际中去，达到熟悉集成电路知识的本质含义及在实际中的应用，既可训练学生的思维能力，又能锻炼动手能力，起到专业学习和训练的目的。传统实验教学中，面临的实验内容多年不变、验证性实验多、实验项目缺乏系统化、实验技能训练不规范等问题，对培养应用型人才产生很大影响。因此，必须对IC实验教学的内容、教学方法、考核方式等进行改革[5]。

1.IC实验内容的转变。①从分立元器件仿真到建设IC设计平台仿真。原初的集成电路原理课程相关的实验内容，尽管是电路设计性质，但由于期初没有投入集成电路设计软件资金，该课程的实验采用PSPICE软件仿真工具，对分立元器件进行仿真分析和设计，应用PCB板焊接电路。为了提高学生的专业水平，培养应用型人才，学校加大实验室投入，建设使用Cadence集成电路的设计平台，对相关IC内容进行修改，从软件应用到单元电路设计，从单元电路到系统电路设计，完成一整套电路技术参数的修改，同时结合具体工艺线进行有特定参数的技术指标设计，极大地调动学生的专业学习兴趣，提高专业集成电路和版图设计能力。②IC实验从验证性向综合、设计实验发展。传统实验以验证性为主，学生只要重复实验的步骤，得到相关结果，但这种以验证性实验为主的实验，对学生将来创新设计能力的培养有限，学生的创新思维也得不到很好训练。因此，为了提高学生的应用能力和创新思维，以便将来工作时能充分发挥应用能力，在实验安排上做了调整，并将验证性实验的比例做了相应降低，大幅度地增加设计、综合实验，尤其重要的是，让整个实验项目形成一个完整的项目体系。即，通过一连串的实验，最后形成工程设计项目，而不仅仅是各个分散实验。通过这种方法，可以帮助学生明确实验项目的目的和要求，形成专业工程的项目设计能力。

2.实验教学方法的转变。①IC仿真实验结合硬件实验。对集成电路设计实验而言，如果做出具体的实物集成电路，涉及的缺点很明显：一是将设计电路通过版图形式，借助网络方式，将CIF或GDSII数据包发送给代工厂，代工的成本很高。二是制作周期较长，一般需要半年以上。这些缺点对学校教学具有很强的滞后性，相对来说，影响学生的学习效果。因此，IC仿真实验如何与硬件结合，需要采取一些特别的方法，所采取的办法是确定整个课程实验的主要项目，将其分解成一个个单元电路实验模块，进行仿真设计，制作版图。硬件部分是这次项目所完成的集成块，可以通过市场购买，这样，硬件实验就涉及芯片测试、性能分析、解剖和版图分析等，正好将IC仿真与实物结合在一起，让学生将仿真结果与实物相比较，得到结论。②规定性实验结合自主性实验。传统教学规定学生做什么内容的实验，怎么做，这在一定程度上会限制学生做实验的积极性。根据多年的教学经验和学生反馈意见，我们对实验教学方式进行适当改革，将规定性实验和自主性实验结合起来。规定性实验重在对某项技能和方法的训练与培养，自主性实验重在学生自我能力的挖掘和综合能力的培养。规定性实验包括验证性基本实验和课程内综合性实验，是必修实验。

通过规定性实验的学习，学生会清楚地掌握专业基础和基本技能。自主性实验可以培养学生的自主性，自己确定实验目的和方案，教师只是一个建议者和引导者，培养学生间的合作精神。自主实验均以小组形式组成，采用合作方式完成实验任务，培养创新思维和动手能力。学生在已有实验的基础上，发现新事物，创新新方法，解决新问题，从而锻炼创新思维和动手设计操纵能力。

3.实验考核方式的转变。实验教学考核与理论教学考试相比，有其特殊性。实验教学的考核，重在评价学生分析问题、解决问题的能力，强调理论知识在解决实际问题上的灵活运用。因此，我们采用过程考核和实验报告书的方式，两者各占50%。前者主要考核学生的实验操作规范、实验操纵的熟练程度、实验完成的正确程度等；后者着重考核学生是否独立完成实验报告，实验报告作图、书写是否规范，内容是否正确及实验心得等。

强化随堂考核，突出素质评价。学生的实验效果关键在课堂，课堂将有效地反映出学生的这次实验应如何操作，明确知道先做什么，后做什么，哪些步骤较关键，该注意什么，防止出现什么問题，出现问题该怎么处理，该记录哪些数据，记录的数据是否正确，如何处理等。这都可以通过教师在课堂上进行指导，在引导学生时发现。这种考核方式，不仅可以客观地反映实际情况，而且可以实时地解决学生在实验过程中的问题。这种评价方式不仅可以看到学生的基本操作技能，而且可以考查学生对数据的测量方法和实验中解决问题的能力。

注重实验报告，考查学生的图、表、内容的处理能力。采用实验报告手写方式，可从多角度考核学生的实验能力。学生对已经做好的实验完成实验报告，将会对所测得的数据进行处理，用图、表进行表达，这能更明确地了解实验目的，知道为什么需要这些数据，这些数据是否正确，如何消除误差等。通过反思，明白实验是实际情况的真实反映。另外，书写实验心得，将帮助学生总结实验缺陷和失误，客观地帮助教师对学生进行真实评价。

根据我校独立学院的实际情况，对电子科学与技术专业集成电路原理课程进行教学内容、教学方法和课程实验的改革。改革实施后，电子科学与技术专业方向的学生，有了明确的学习方法和努力方向，产生浓厚的学习兴趣和积极性，形成自己的看法和新的思维学习习惯，对专业学习目的与就业之间的关系有了清晰认识，对专业学习更加自信。尤其在实验学习和生产实践中产生明显效果，达到学院提出的培养集成电路设计应用型人才的目的。

参考文献：

[1]段吉海.“半导体集成电路”课程建设与教学实践[J].电气电子教学学报，2007，（5）：11-15.

[2]徐太龙，孟坚.集成电路原理与设计课程的教学优化[J].合肥师范学院学报，2011，（3）：57-58.

[3]兰其斌.新形势下独立学院信息技术专业课程教学方法研究[J].中国石油大学胜利学院学报，2011，（2）：66-67.

[4]金蕾.集成电路工艺原理课程的教学与实践[J].西安邮电学院学报，2012，（S1）：60-61.

[5]田健仲，吴敏华，张俊方，王凡.电路原理实验课程建设与教学改革实践[J].实验技术与管理，2010，（10）：142-145.