集成电路专业的分层次递进式实验教学探索

殷 树 娟

(北京信息科技大学 理学院，北京 100192)

0 引 言

现阶段，高校集成电路专业的主要培养目标是培养学生具有较宽厚的电路与系统学科专业知识，较强的集成电路设计和技术创新能力，较好的科学研究和工程实践能力[1]。针对该培养目标，各校在开展理论教学的同时,纷纷提升实验教学手段、丰富实验教学内容、优化实验教学形式等，主要目的是进一步提高学生动手能力、分析问题与解决问题能力，更好服务于国家对于普通高等院校应用型人才培养目标的要求[2-3]。

在分析了集成电路专业实验教学现状的基础上[4]，以“全定制四位减法器设计”实验为例，探索分层次递进式实验教学的实施方式，阐述分层次递进式实验教学在拓展学生思维、发挥学生主观创造性等方面的优势。

1 集成电路专业实验教学的现状

集成电路设计是指设计人员根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路[5-6]。因此，集成电路专业的实验教学内容主要围绕基本集成电路单元的设计及应用开展。本文以集成电路专业“全定制四位减法器设计”实验教学为例，简要介绍现阶段集成电路专业实验教学的基本实验流程，如图1所示。其中，指定电路结构、给定设计参数是由实验指导教师完成[7]。学生完成实验步骤1～3的相关内容。

图1 全定制四位减法器实验流程

从图中可以看到：整个设计流程目标明确、实验内容简洁、实验步骤简单、实验考核方式一致。在长期的实验教学过程中，发现：①这样的实验流程忽略了学生的主观能动性，学生逐渐变成了实验操作的机器，难以调动其实验积极性；②电路结构、设计参数等都是由老师给定，学生把实验教学只当作是一种理论知识的验证手段，无法发挥实验教学在提升学生分析和解决问题能力方面的关键作用；③由于实验的具体内容一样，所以最终实验结果也几乎一样，从而造成部分学生在实验过程中偷懒甚至抄袭的现象，不仅不利于提高学生实验积极性,同时也不利于实验成绩评定的公平公正；④由于实验最终考核标准单一，会造成部分学生只一味地追求实验报告的质量而忽略实验过程的重要性，很难公正地评判学生的实践能力。

2 分层次递进式实验教学的探索

为了发挥学生的主观能动性，提高学生分析问题并解决问题的能力，更好服务于应用型人才培养目标，集成电路专业教师提出了分层次递进式实验教学模式[8-9]。图2给出了“全定制四位减法器设计”实验的分层次递进式实验教学流程。

从图2中可见：①本实验流程将原有的实验内容进行多层次分解，即由四位减法器的设计分解为四位加法器的设计，再由四位加法器设计分解为一位全加器的设计；②根据分解结果，学生设计子模块电路、设置仿真内容并完成电路功能验证；③利用已经验证后的子模块搭建四位加法器，并由四位加法器电路递进地完成最终四位减法器电路设计。

图2 全定制四位减法器分层次递进式实验流程

对于实验的多层次分解，由于学生在计算机组成原理课程的相关学习中可以得到：

(1)

从而可以得到：A-B=A+B反+1-2n，即四位减法器电路设计可以转化为四位加法器电路设计。而四位加法器的运算可以简单转化为4个一位全加器电路的级联，如图3所示。

图3 四位加法器实现形式

图3中每一个模块为一个一位全加器，A0～A3为A信号的四位输入，B0～B3为B信号的四位输入，S0～S3为输出S信号的四位输出，C为进位输出。上述的实验多层次分解过程由指导教师带领学生完成，既强化了理论知识又扩展了学生思维。实验多层次分解过程贯穿着理论知识如何应用到具体实际应用、各课程知识点如何交叉融合[10]的思想。同时，实验的逐层分解正是集成电路设计“自上而下”设计思想的一个实例，可以为学生展示工业界实际电路设计方式方法，贴合应用型培养目标。

对于实验递进式综合，学生在完成实验内容分解后，需要根据数字集成电路设计课程内容,依据数字集成电路全定制设计流程完成最小模块—一位全加器电路的设计与功能验证。对于一位全加器电路，其布尔函数为:

(2)

虽然布尔函数唯一确定，但具体电路实现形式可以完全不同，此时指导教师需引导学生基于已有的信号与系统、数字电子技术等相关知识分析选择合适电路结构，完成一位全加器电路的搭建，并给出相关仿真结果截图、实验数据等验证电路功能。在一位全加器电路功能正确前提下[11-12]，学生需要根据图3所示的级联结构完成四位全加器电路搭建并设置仿真内容完成电路功能验证。由于四位加法器存在进位，实验过程中指导教师需在验证阶段从旁给予学生一定指导，将实际电路仿真波形与理论加法器数字输出对比分析，强化学生理论知识映射实际应用的能力。实验最后一个环节是基于式(1)利用四位加法器实现四位减法器电路搭建，并完成电路功能验证。当电路功能验证成功后，实验结束，学生根据实验过程撰写实验报告。

3 分层次递进式实验教学的优势

从上面的分析中可见,与传统实验教学不同，分层次递进式实验教学能充分调动学生作为实验主体的主观能动性，同时最大限度地发挥了指导教师在实验过程中的引导作用[13-15]，更加符合面向应用型人才培养目标。具体地说：

(1) 在实验步骤设置方面。分层次递进式实验将复杂的实验内容逐层简化，再由最小模块递进式综合完成最终实验目标。多层次简化过程侧重于理论分析，递进式综合侧重于动手实践。实验步骤划分合理，不但教会学生如何利用理论知识将复杂问题简单化，同时灌输了学生集成电路设计“自上而下”的设计思想。

(2) 在实验开展形式方面。分层次递进式实验结果并不唯一，电路结构可以完全不同，因此学生需要根据已知条件并结合已有知识储备在理论推导、电路搭建及仿真内容设置等方面进行巧妙设计，探索解决问题的不同途径。多样化的实验形式可更好调动学生实验积极性，提高学生分析问题、解决问题的能力。

(3) 在实验角色分配方面。分层次递进式实验的主体是学生，指导教师只起到引路人的角色。不论是多层次分解实验目标部分还是递进式综合实验内容部分，学生都是实验的主导者，电路结构选择、实验参数确定、仿真内容设置等一系列实验内容都由学生判断和选择，因此，学生的主观能动性得到了进一步提高，有利于提高实验效率。

(4) 在实验考核标准方面。分层次递进式实验教学将实验的重点放在学生的能力提升方面，强化了实验过程弱化了实验报告，从而可以更全面地评价和考核实验的优劣[16]。当前有一部分学生舍本逐末，片面追求实验报告质量，忽略实验过程的重要性，而强化实验过程的考核标准可以让学生将更多的精力放在实验过程部分，更好地体现实验教学的宗旨。

4 结 语

为了更好发挥实验教学在培养学生工程实践能力和开拓创新思维的重要作用，在详细分析了现阶段集成电路专业实验教学的现状及存在的问题，基础上提出了分层次递进式实验教学思想。以“全定制四位减法器”分层次递进式实验为例，详细阐述了分层次递进式实验教学在多层次分解、递进式综合两方面具体实施方式，指明分层次递进式实验教学在调动学生主观能动性、提高学生分析问题并解决问题的能力、拓展学生创新思维等方面具有明显的优势。分层次递进式实验更加符合我国高等院校集成电路专业的主要培养目标，相信在广大师生的共同努力下分层次递进式实验的实验手段会越来越多样、实验内容会越来越丰富、实验形式也会越来越优化。