以“学”为中心的集成电路专业教学课堂改革探索实践

高博 李晶莹

[摘 要]在微电子科学与工程专业新工科建设中对“半导体集成电路原理”专业理论教学课堂改革开展研究，旨在培养具有创新实践能力的工程师。借鉴工信部国际名家讲堂的教学形式，提出将以“学”为中心的科研讨论融合到以教为主的理论课堂。在传统理论课堂教学活动插入三个阶段的考核：国际会议和期刊论文的研读阶段、特定主题电路设计的研讨阶段和EDA工具辅助项目设计的实践活动阶段。通过实践过程化考核教学模式，探索探究式课堂教学改革方法。学生在阶段性学习中不断提高，更积极主动参与小班学习项目，提升对教学内容的认知，锻炼了解决实际问题的能力。

[关键词]创新能力;集成电路;教学改革;工程师

[基金项目]2018年度四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“政府、企业和高校协同培养模式的探索”（JG2018-78）

[作者简介]高 博（1975—），男，山东金乡人，博士，四川大学物理学院副教授，主要从事基于硅基和化合物半导体工艺技术研究高速集成电路和系统设计研究;李晶莹（1976—），女，四川成都人，硕士，四川大学教务处工程师（通信作者），主要从事教学改革和管理研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）33-0232-02[收稿日期] 2020-03-24

在通讯技术和人工智能高速发展的今天，我们的生活中处处可见与集成电路相关的应用，集成电路行业产值和国家乃至国际生产总值（GDP）直接关联，集成电路行业发展也成为我国实现中华民族伟大复兴的强国之路上不可缺少的一环。我国半导体集成电路产业的快速发展提出了对半导体集成电路类工程师在数量和质量上的需求。由于半导体集成电路设计专业技术性强，需要深厚的数理理论作为基础，目前高校在有限课时内对该专业的培养方案多数趋于理论知识，相对缺乏对本科学生实践能力的培养。

实践教学环节方案多种多样，结合本校“探究式、小班化”课堂教学改革计划[1]，践行本科课堂“全过程考核”。针对“半导体集成电路原理”专业理论课程研讨教学改革，借鉴工信部国际名家系列讲堂教学形式，以科研能力培养为主线，在课程中引入论文研读、科研讨论和项目实践，提高了学生的科研能力，教学改革成效显著。

一、理论课程教学问题和认识

“半导体集成电路原理”是集成电路专业的必修理论课程，课程教学内容从半导体工艺和器件的物理基础开始，逐步过渡到集成电路设计传统教学形式主要采用以老师为主的课堂讲授。由于高校课堂人数多，课程内容的设置更偏向于基础和原理的全面讲解。课程教材中对实际电路的分析、设计和仿真实践类指导偏少。以至于同学们在之后的集成电路设计工程实验和毕业设计工作中往往抓不住电路要点，达不到学以致用的目的。因此，在原有教学理论基础上需要引入优秀科研素材，增强学生电路分析和设计能力，搭建以学生为中心的动手、动脑紧密结合的教学环节，培养学生解决问题能力。

“芯动力”国际名家系列讲堂中Willy Sansen教授是世界权威的模拟集成电路设计大师，国际电气与电子工程学会终身会士（IEEE Life Fellow）[2]。与传统讲授方式相比，Willy Sansen教授的授课方式，课程主题明确，课堂上集中讲授常用集成电路单元，引用大量科研论文实例分析拓展学员视野，组织学员开展专题交流讨论。

借鉴该模式，我们在“半导体集成电路原理”课程教学活动中引导学生针对主题开展科技论文研读，通过研究生助教制度保障有主题的小班化论文研讨课时，形成针对问题的探究式自主学习氛围。

二、课程教改方法与实践

1.课程方案改革。针对传统课程教学活动开展论文研讨类小班教学环节。小班研讨以集成电路的核心电路的分析与设计为主题，围绕电路性能参数和稳定性，梳理基于参数化设计技巧。鼓励学生课后在Virtuoso全定制集成电路设计软件辅助[3]下，针对国内集成电路工艺技术设计实现电路和版图，并完成仿真和验证。研讨教学形式活动安排将学生作为中心，针对论文研究方向分类建立研究生助教辅助管理下的小班主题项目、讨论过程记录整理。在课堂教学周内分阶段实施，具体如下：

第一階段，课程第一周颁布考核方案，组织学生阅读近三年国际固态电子学的期刊、杂志和会议论文。在第五个教学周，审查学生阅读情况，筛选出论文翻译和阅读工作优秀的8～10个学生。在大班课程中组织6～8个学时针对论文中研究工作的讨论课程，以学生进行论文讲述、交流提问为主，要求学生整理出的论文中的集成电路设计流程、设计优点、要点和成果，总结出论文的创新点。通过提问环节指导学生去收集分析针对特定指标的设计框架和技术方法。这一阶段的论文研讨多数情况下会对课程教学内容提供有效的支撑、提供素材，缩短课堂理论教授部分内容。

第二阶段，课程中期和研究生助教一起依据学生一阶段成果分析项目设计的可行性，确立主题，按主题划分小班，开展以“学”为中心的小班化研讨课时，共8～10个学时。以小班团队的形式从理论学习的基本概念和结构出发，对比论文中不同结构电路的优缺点，针对关键的设计指标自行建立对应的技术方案及电路实现方法。以运算放大器项目学生科研实践教学活动为例，学生通过文献整理总结出基于EKV模型设计运算放大器的方法。首先选取对应IC值，依据可选范围优化MOS晶体管尺寸，避免分析MOS管的工作区。学生在设计工作中反馈该设计方法更高效，并且能得到性能优良的运算放大器。

第三阶段，在教学周最后3～4周，通常学生会较有兴趣地借助全定制集成电路设计软件Virtuoso动手优化和仿真电路，总结设计报告。这部分工作需要学生在课余时间完成，是学生自觉有目的性地忙起来。例如：学生按照所总结EKV模型[2]指导运算放大器的设计方法，设计了一款增益自举型运算放大器电路和版图，并进行了仿真验证。

通過全过程中学生论文翻译、研讨和项目设计三次报告有效反映出每个学生掌握和利用所学去解决问题的思考和动手能力。

2.课程过程化考核方式。为达到培养本科生科研技术能力的目的，本理论课程教学必须开展过程化考核。本课程考核方案分为三部分：课堂教学活动、科研训练活动和期末考试。其中科研训练活动即是本次课程改革核心内容，占到16个课时。该活动过程中有论文翻译、论文讨论和整理记录、电路设计三次考核，占总成绩的40%。另外两项：课堂教学活动占20%，期末考试占40%。通过科研训练活动贯穿理论课堂的教学活动锻炼学生独立思考能力、构建学生工程思维，培养良好的工程师素养，强调课程过程学习，提高了学生科学研究能力。

三、课程改革成效和总结

通过教改活动优选了课程教学内容，进一步明确了教学主题，并针对主题设置了不同考核内容，在课程教学活动中做到了让学生忙起来。以“学”为主体的科研技术能力教学活动形成了学生讨论和分析集成电路的气氛，学以致用增加了学生专业学习兴趣。在课程改革中吸引了更多学生愿意参与课堂、主动思考和动手实践，抓住了大部分学生学习课程。在后期学生毕业论文设计工作中，从论文指导教师处得到反馈：学生在集成电路分析和EDA辅助设计能力上有所提高。部分毕业学生处得到反馈：在研究生一年级就顺利进入国家级重点实验室开展科研工作。

依据专业特点，微电子科学与工程专业培养过程必须注重数理基础理论的学习。专业课程教学中理论性强，在课程改革中需要慎重考虑引入实验实践类教学形式。本文借助对学生的科技论文研读的指导、提取适合的主题项目，并引领学生针对项目构建设计方法和流程，培养学生科研创新实践能力。在三个阶段的考核实施过程中开展了一次新工科人才培养方式的探究。

参考文献

[1]张红伟，冉桂琼.四川大学“以学生为中心”的教育教学改革与实践[A].中国高等教育学会大学素质教育研究会.2015年大学素质教育高层论坛论文集—素质教育与大学教育改革[C].北京：高等教育出版社，2015：108-114.

[2]Willy Sansen.Minimum Power in Analog Amplifying Blocks： Presenting a Design Procedure[J].IEEE Solid-State Circuit Magazine， 2015，7（4）：83-89.

[3]马奎.集成电路的计算机辅助设计教学方法改革探索[J].教育教学论坛，2020，（12）：125-127.

Exploration and Practice of Learning-centered Teaching Reform of Integrated Circuit Major

GAO Bo1， LI Jing-ying2

（1. College of Physics， Sichuan University， Chengdu， Sichuan， 610064， China;

2. Academic Affairs Office， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065， China）

Abstract： Under the background of the "emerging engineering" construction on microelectronics science and engineering， the major theoretical teaching classroom reform on Principles of Semiconductor Integrated Circuits is studied in order to cultivate engineers with innovative practice ability. Based on the teaching form of the international famous experts' lectures organized by the Ministry of Industry and Information Technology， it is proposed to integrate the scientific research discussion centered on "learning" into the theory classroom centered on teaching. Three learning stages are inserted into the traditional theory teaching process in classroom. They are the reading and research stage about international conference and journal papers， the discussion stage focusing on particular circuit design and the design practice stage using EDA tools. During practicing the course process assessment teaching model， the paper explores the inquiry teaching reform method in classroom. Students' learning ability is continuous improved after each learning stage. Students actively participate in small class project learning， which enhances their cognition of teaching contents， and strengthens their ability of solving practical problems.

Key words： innovation ability; integrated circuit; teaching reform; engineer