浅谈创新背景下的集成电路专业实验教学

殷树娟

（北京信息科技大学理学院，北京100192）

0 引 言

加强创新型人才培养，创新育人方式是国家对高等教育改革的基本指导思想，是对高等教育本质目标的深刻剖析。实验教学是高等教育中最能体现创新型人才培养的教学形式。实验教学是理论与实践完美结合的重要体现形式，是培养学生工程实践能力和开拓创新思维的重要表现方式。优秀的实验教学不仅可以强化理论教学的效果，更重要的是可以为学生提供一个“学以致用”的场合和机会［1-2］。实验教学的实施形式多样，从实验具体实施方式的不同可以将实验教学简单划分为验证性与探究性两类实验。

以集成电路专业实验教学为例，验证性实验教学侧重于教授学生通过实验验证电路输入输出结果；探究性实验教学侧重于学生基于已有的理论基础通过实验过程探究真实的“电路”工作原理［3-4］。现阶段高等教育中，实验教学更多地采用验证性实验方式。近年来，随着创新型人才培养目标的提出，探究性实验开始逐渐展现其重要性。

本文以集成电路专业基础实验全定制四位减法器电路设计为例，阐述现阶段该实验的验证性实验教学形式及效果，分析创新背景下验证性实验暴露的问题［5］，探讨该实验的探究性实验教学形式及呈现的实验效果。在此基础上，进一步分析创新背景下如何将探究性实验与验证性实验两种教学形式相结合，更好地发挥实验教学在集成电路专业创新型、应用型人才培养中的重要作用。

1 验证性实验教学

1.1 验证性实验的实施

验证性实验教学的实验目标定位在：“检验”“证实”两个方面。“检验”即教师通过实验检查学生理论学习的成果；“证实”即学生通过实验证实理论教学内容的正确性。图1所示给出了全定制四位减法器电路设计验证性实验教学流程。从图中可见：在实验教学的实施过程中，教师的主要作用是“检验员”，学生只是扮演着“操作员”的角色。实验内容是被精心设计的，因此，在“检验员”的监督下，“操作员”按照步骤完成相关实验内容，从而强化理论教学效果。而在全定制四位减法器设计过程中，根据设计指标选择合适的电路结构需要设计者基于常见加法器结构类型以功耗、速度等指标为依据选择合适的一位加法器电路结构，并进一步搭建四位减法器电路系统。因此，电路结构的选择过程对设计者的综合创新能力，理论结合实际的应用能力等具有一定的锻炼和提升。而这些在验证性实验中无法实现。

图1 验证性实验基本流程

1.2 验证性实验的优势

在现阶段高等教育教学中，验证性实验教学占据主要地位［6-7］，其根本原因在于：① 实验内容的设置精炼；由于验证性实验具体实验内容由教师拟定，而教师们凭借其在相关实验方面的丰富操作经验，可以精准、简练地提炼实验内容。②实验考核标准统一；由于实验内容一致，从而可以保证最终实验结果统一，因此，对于实验结果的考核简单可行。③实验步骤简洁、易操作；为保证实验效果和控制实验学时，验证性实验的实验步骤大都是固定、简洁的，从而保证在规定时间内大部分学生能得到相应的实验结果。

1.3 验证性实验的不足

对于高等教育而言，大学生已经具备一定综合分析能力、理论结合实际的应用能力，验证性实验对于在培养创新型、应用型人才中逐渐暴露了不足之处：①验证性实验将教师放置于主体地位，忽略了学生的主观能动性；由四位减法器的实验流程可以看出，学生在实验过程中，按照实验步骤可以逐步完成最终电路功能，完全不需要加入自己的想法。②验证性实验忽略了学生的个体差异性；参与实现的学生在理论水平、动手能力等方面具有一定的差异性，而验证性实验在内容设置方面需保证大部分学生能在规定学时内完成相应实验内容，从而造成理论基础好、动手能力强的学生“吃不饱”，理论基础弱、动手能力差的学生“吃不了”。

③验证性实验的成绩评定标准单一，实验步骤和实验内容统一，因此，每位学生根据相同的实验步骤所得到的实验结果大同小异，实验成绩评定更多地依靠报告的优劣判断，从而使得一些学生舍本逐末，甚至认为实验做得好不如实验报告写得好。

2 探究性实验教学

2.1 探究性实验教学的实施

探究性实验教学的实验目标定位在：“探索”“研究”两个方面。“探索”即教师通过实验教学过程引导学生利用理论知识分析各种可能出现的实验结果及可行的解决方案；“研究”即学生基于理论知识自主深入分析实验原理、实验内容及相应的实验结果，研究可行性实验方案。图2所示给出了全定制四位减法器电路设计探究性实验教学的开展形式。

从图2中可见，在实验教学的实施过程中，教师只是“任务发布者”，学生是“任务执行者”。教师给出实验目标后，后续的相关实验内容、实验步骤等都由学生根据自己的知识储备和对阶段性实验结果的分析做出判断和选择，教师的工作更多侧重于引导学生思路、观察实验过程、提供理论指导等。

2.2 探究性实验教学的优势

图2 探究性实验基本流程

从探究性实验教学的基本流程中不难发现，探究性实验教学在发挥学生的主观能动性、充分考虑学生的个体差异性以及因材施教等方面具有优势。具体而言：①探究性实验的主体是学生，教师主要承担着场外指导、理论拓展、过程记录等工作。在全定制四位减法器电路设计探究性实验过程中，当教师给出设计目标后，学生需要根据理论知识对设计目标进行逐步分解，形成各自的设计方案。每个不同的设计方案对应的后续电路结构、仿真设置等各不相同，从而增强学生在实验过程中的主体性和独立性，也避免了后续实验报告大同小异的情况。②探究性实验可以根据学生的不同教育背景选择合适的实验内容和步骤，因材施教。在高等教育阶段，不同学生在理论基础、动手能力等方面差异性较大，对知识的综合应用及创新能力也千差万别。在探究性实验形式中，相同的设计目标情况下，理论基础比较强、动手能力较弱的学生可以侧重布尔函数的推导，弱化电路的模块化设计方案，简化实验迭代；而理论基础比较弱、动手能力较强的学生则可以侧重于电路的模块化分层设计，而弱化布尔函数的求解和推导。③探究性实验的考核标准多样，可以更好考查学生的综合能力。由于在探究性实验中，教师的主导性被削弱，可以更多地关注学生的实验过程，更加详细地记录学生在结构划分、模块搭建、仿真验证等方面的具体表现。因此，探究性实验的考核可以更加细致、公正。④探究性实验可以更好地拓展学生的发散思维，符合创新型人才培养目标。在一位加法器电路的瞬态仿真中，驱动器件尺寸越大，驱动能力越强，但同时会引入更大噪声及面积。学生需要综合考虑噪声、面积、驱动能力等多种因素，综合运用信号与系统、微电子器件、数字集成电路设计等相关课程的知识，通过合适的验证方式选择最优结构。因此，探究性实验过程渗透学生对各知识点的理解及综合应用能力，同时为学生打开了知识交互融合的视界。

2.3 探究性实验教学的不足

探究性实验教学也存在一定的不足，主要表现在：①探究性实验拓展学生思路的同时也容易使学生偏离原有的实验目标。由于本科生知识储备有限，面对功能划分、子模块搭建等难免会出现偏题情况，从而难以控制实验学时，达不到实验预期效果［4］，同时影响后续实验教学的开展。② 探究性实验的评分标准与实验过程密切相关，实验成绩评判标准多样化。由于探究性实验的实验内容、步骤、手段等不统一，从而如何合理分配各部分分值及权重非常关键。不合理的评分标准会严重影响学生的实验积极性和创新热情。③探究性实验教学的深度难以控制，很难设定合理的实验界限。学生的动手能力、知识积累各不相同，一味地强调探究而忽略基础实验目标很容易造成实验失败，导致各层次的学生都难以获得探究性实验的乐趣。

3 集成电路专业实验教学的改革及探索

以全定制四位减法器电路设计为例，详细分析了验证性实验与探究性实验教学的各自优势与不足［5-6］。在国家大力倡导培养具有创新精神的应用型人才的目标指引下，具有鲜明工科特色的集成电路设计专业实验教学需要与时俱进［7］。

（1）在实验内容设置方面，教师需要充当“引路人”的角色。在全定制四位减法器电路设计中，教师需要总控全局，引导但不决定实验步骤及实验方案。对于出现偏题、跑题的现象，教师需及时干预并正确地引导；对于理论基础缺失或实验操作错误，教师需适时给予帮助和指导；对于电路功能划分、仿真内容的设置等，教师可以部分参与，拓展学生思路、激发学生的实验积极性。

（2）在实验实施方式方面，学生需要起主导作用。在全定制四位减法器电路设计中，从目标分解、电路划分、子电路搭建、子电路仿真、四位加法器仿真以及最后的四位减法器仿真的所有流程中，学生需要进行大量的试错和判定工作。试错和判定的过程是对理论知识应用的过程，也是创新的起步过程。因此，整个实验过程要确保学生的主导地位。

（3）在实验考核标准方面，多样化的评分标准需侧重基本实验目标。教师在制定实验评分标准时，需保证基本实验目标，即在相应的实验学时内学生需完成基本的实验目标。同时，为了鼓励学生的创造性，制定的评分标准还需要保证探究性实验过程的分值及权重，从而使得学生能充分发挥主观能动性的同时又能避免其舍本逐末。

综上所述，教师在以学生为主导的实验过程中角色在不断转变，验证性实验和探究性实验形式也因学生个体差异性以不同的形式交叉出现在实验过程中。不同的学生根据阶段性实验结果可以在不同的实验阶段选择不同的实验形式，从而实现培养创新型、应用型人才的目标。

4 结 语

以全定制四位减法器电路设计为例，对比分析了验证性实验与探究性实验在实验内容设置、实验实施形式、实验考核标准等方面各自的优势和不足。针对高等院校创新型、应用型人才培养目标，给出了教师为“引导”，学生为“主导”的实验教学形式，根据学生的个体差异性在不同的实验阶段选择性加入探究性实验内容，从而在保证基本实验目标的前提下拓展学生的创新应用能力，实现培养具有创新精神的应用型人才的目标。