基于OBE理念的“集成电路CAD”教学改革探索

(安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088)

OBE(Outcome-Based Education)是一种基于学习成果的教育模式，于1994年由美国Spady等人提出，并很快成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念[1-2]。OBE强调如下四个问题[3]:我们想让学生取得的学习成果是什么？为什么要让学生取得这样的学习成果？如何有效地帮助学生取得这些学习成果？如何知道学生已经取得了这些学习成果？

“集成电路CAD”课程在目前国内大部分高校的电子科学与技术、微电子学等专业开设，学生在该课程之前，不仅系统学习了“电路”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程,而且系统学习“半导体物理”“半导体器件物理”“集成电路设计基础”“微电子工艺”“VLSI设计方法学导论”等课程，学生的专业基础知识扎实。“集成电路CAD”课程在前期课程理论学习的基础上，主要内容是版图设计及集成电路的计算机辅助设计等实践性环节，课程设置上实践性内容较多、难度较大，对学生理论基础要求高[4-5]。作为应用型本科高校，“集成电路CAD”课程在OBE教育理念的指引下，教学内容如何设置？采用哪些教学手段？采用何种考核手段？都是亟待研究探索的问题[6-7]。

1 课程教学存在的问题

1.1 学生基础薄弱

“集成电路CAD”课程是安徽新华学院电子科学与技术专业的专业核心课程,该专业目前开设有“电路”“模拟电子技术”“数字电子技术”等专业基础课程和“集成电路CAD”“硬件描述语言”及“硬件描述语言实训”三门集成电路方向的课程。其中，“硬件描述语言”主要讲授VHDL语言、QuartusII软件平台和可编程逻辑器件；“硬件描述语言实训”以项目式教学方式来进行，学生通过项目训练巩固并掌握VHDL语言及FPGA应用开发。“集成电路CAD”随后开设，但学生基础薄弱，集成电路相关理论知识不扎实，需要综合考虑学生的基础与预期效果，既能够锻炼学生的应用能力，又能够让学生知其然，并知其所以然。

1.2 以教师“教”为主，学生学习积极性不高

“集成电路CAD”课程实践性强，理论要求高，如果采用传统的以教师“教”为主的理论教学模式教学，学生在大量的电路分析设计和理论推导等过程中，学习积极性不高，且集成电路产业分工较多，学生的兴趣点和毕业后需求不同，如果重点都放在集成电路设计环节，会让部分设计能力较差或兴趣较低的学生进一步降低兴趣。实验教学以教师“教”为主的模式，学生可以按照实验步骤在教师的演示下操作，学生被动操作，学生思考的少，对于电路和版图设计等实验项目，限制学生创新应用和实践动手能力的发展，学生学习积极性不高。

2 基于OBE教育理念的“集成电路CAD”课程改革

2.1 理论教学构建模块化教学体系

根据OBE教育理念，结合集成电路产业分工和应用型人才培养目标，从学生就业实际出发，以学生作为教学的主体，将学生能力提升放在首位，将课程内容按照集成电路产业分工分模块教学，构建“集成电路CAD”课程模块化教学体系[8-9]，如图1所示，具体为：

(1)设计模块：主要讲述集成电路设计的基本单元和典型设计方法，细分为数字集成电路设计模块，模拟集成电路设计模块和版图设计模块。

(2)制造模块：讲述集成电路基本制造工艺和器件工艺。

(3)封装模块：介绍集成电路常用的封装形式与工艺流程。

(4)测试模块：介绍集成电路常用的测试技术和方法。

(5)材料模块：讲述集成电路材料、结构与半导体器件特性。

图1 “集成电路CAD”课程模块化教学体系

学生学习时，由于模块划分与集成电路产业分工相一致，学生可以根据自身兴趣和就业目标进行课后自主学习，再辅以教师指导，学习目标明确。同时，为了防止学生学习时选择内容过于单一，在课堂上，教师注重各模块内容的相关性和综合性，将学生的主动学习与教师的积极引导相结合。最终让学生既根据自身需求选择合适模块自主学习，又在课堂学习中全面掌握各模块的重点内容。

2.2 实验教学形成层次化教学体系

根据OBE教育理念，结合应用型人才培养目标和学生就业实际，参照“集成电路CAD”课程模块化教学体系，从电路设计和版图设计两个模块出发，形成层次化实验教学体系，如图2所示[10]。

在图2所示实验教学体系中，与集成电路设计理论相结合，从电路设计和版图设计两个角度，分别按照集成电路设计步骤，层次式安排四类实验。第一层次的电路和版图设计入门，主要包含相关软件的操作和基本器件的电路符号和版图设计。第二层次的单元电路及其版图设计，采用典型的电路级设计方法，并为更高层次设计做准备，版图与电路一致。第三层次的半加器电路及其版图设计，采用逻辑级设计方法，版图与电路一致。第四层次的全加器设计，包含完整的电路与版图设计，从最终结果引出集成电路产业的后续环节——集成电路制造，它们之间的桥梁是版图设计，也说明了电路设计与版图设计的关系。

图2 “集成电路CAD”课程层次化实验教学体系

2.3 采用“案例式”和“讨论式”为主导的理论教学模式

根据OBE教育理念，以学生学习结果为导向，采用案例式和讨论式教学。比如“集成电路CAD”课程第一次上课，采用“案例式”和“讨论式”相结合的教学模式，以生活中的集成电路为例，引出集成电路的概念及集成电路产业分工，再引导学生讨论毕业后就业意向，提出模块化教学体系，形成知识点的连贯性和立体性，学生学习目标更加明确，提高学生自主学习兴趣和学习效果。

图3 案例式教学示例

2.4 采用“任务驱动式”和“结果反激式”为主导的实验教学模式

“任务驱动式”实验教学是将任务作为实验的起点，教师在实验课程开始前将图2层次化实验教学内容中实验任务下发给学生，学生可以伴随着理论课程的学习，首先理解、分析任务，再设计实验方案和思路、探索实验方法，最后在实验中完成任务。整个实验过程以学生为主体，教师引导学生自主学习，在图2中四个层次的实验，教师的实验演示逐步减少，学生的自主学习逐渐增多，每一个实验都有基本实验项目和扩展项目，满足不同层次学生的学习需求。

将“项目评比式”实验教学与“结果反激式”实验教学相结合，如图4所示。每一个实验结束后，进行实验结果评比验收，督促学生完成实验任务，反向激发学生学习兴趣，推荐部分学生讲解实验的成果，并展示给其他同学，这既肯定学生学习效果，增强学习主动性，也给学习积极性低的学生以无形的压力，并使学生拓宽视野，学习不同的设计思路，带来同学间的“竞争—相互学习—提高”的良性循环。

图4 实验教学模式

2.5 采用梯度化、多样化的课程考核手段

以学生学习结果为导向，考核时以重点突出、综合全面、应用能力优先为原则，采用梯度化、多样化的课程考核手段，将课程考核成绩分为三部分，包括平时过程考核(占30%)、期末项目考核(占40%)、期末卷面考核(占30%)。注重学生学习过程及实践动手能力，最终达到提高学生学习效果的目的。

平时过程考核具体化，包括考勤、上课表现、作业和实验成绩。教师在第一次上课的时候，明确告知学生本门的课程的考核方式及平时成绩划分细则，并将实验成绩细化，包括实验预习、实验操作、实验提交的电子文档和实验报告四个部分。期末项目考核设置题库，考试时，教师给出题库，学生抽题，并在规定的时间内一人一台电脑，独立完成所抽题目，考核结束后提交电子文档答案给教师，老师根据现场操作情况和完成情况给出期末项目完成情况成绩。期末卷面考核题型多样化，以传统期末闭卷的形式进行，学生笔试完成，主要考核专业理论知识，并侧重学生设计实践能力，进一步巩固学生课堂所学内容。

3 教学改革效果

安徽新华学院电子科学与技术专业“集成电路CAD”课程通过以上改革方案的执行和实施近两年，在学生学习积极性、学习成绩、学科竞赛、创新计划项目、毕业就业选择等方面都有明显提高。以2014、2015级电子科学与技术专业学生为例，课堂气氛活跃、课堂互动参与率92.6%，实验参与率100%，实验完成率95.6%，期末成绩全部及格，平均分均达到72分以上。参加全国大学生智能汽车竞赛获国家级一等奖2项、二等奖1项，省级一等奖3项、二等奖2项，参加全国大学生电子设计竞赛获省级一等奖1项、二等奖2项，获批大学生创新项目16项，2014级学生毕业后从事与“集成电路CAD”课程相关工作比例达38.2%。

4 结束语

结合“集成电路CAD”课程在理论、实验教学中存在的问题，将课程教学与集成电路产业分工相结合，在OBE教育理念的指导下，进行课程改革探索。构建模块化理论教学体系和层次化实验教学体系，采用“案例式”和“讨论式”为主导的理论教学模式及“任务驱动式”和“结果反激式”为主导的实验教学模式，采用梯度化、多样化的课程考核手段。经教学实践证明，本文的教学改革措施，有利于满足学生个性化和多样化的学习需求，激发学生的学习积极性，提高学生的创新应用和实践动手能力，为学生的就业和继续深造提供更加扎实的基础。

参考文献：

[1] SPADY W.Outcomes-based Education:Critical Issues and Answers[M].Arlington:The American Association of School Adminnistrators,1994:10．

[2] 姜波.OBE:以结果为基础的教育[J].外国教育研究,2003,30(3):35-37.

[3] 李志义,朱泓,刘志军,等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究,2014(2):29-34,70.

[4] 胡杰,张文栋,李国才.电子科学与技术应用型创新人才培养模式探索[J].中国电力教育,2014(9),13-14.

[5] 殷树娟.集成电路设计专业的本科实践教学探索[J].实验室研究与探索,2013,32(12),148-151.

[6] 王志堂.基于CDIO理念的地方高校学生实践创新能力培养研究[J].实验室研究与探索,2017,36(7):220-224.

[7] 凤权.OBE教育模式下应用型人才培养的研究[J].安徽工程大学学报,2016,31(3):81-85,95.

[9] 傅宏智,侯欢欢,周晓青,等.OBE在“计算机文化基础”模块化教学中的应用[J].洛阳师范学院学报,2014,33(2):64-66.

[10] 郑兆兆,高静.贯彻OBE教育理念改革数字电路实验[J].高校实验室工作研究,2017(2):23-25.