针对应用型人才的集成电路课程改革

于文娟 董可秀

（滁州学院 安徽·滁州 239000）

当今时代科技快速发展，社会信息化程度逐步提升，集成电路技术起到了关键性的作用，可以说集成电路的发展水平和一个国家的科技发展速度息息相关。对我国而言，2014年国务院印发了《国家集成电路产业发展推进纲要》，在纲要中明确指出：集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，但是产业的快速发展势必带来人才需求激增。高校是国家人才培养基地，如何培养出集成产业人才、支持国家建设是高校相关专业首要问题。《数字集成电路设计》课程是我校电子科学技术专业的一门综合性的专业课，传统的集成电路课程讲授方法，已经不能满足应用型及创新型人才的集成电路人才培养目标，课程改革势在必行。

1 课程定位

《数字集成电路设计》课程是电子科学技术专业非常重要的一门专业课，系统的讲述了集成电路和相关知识，从基础电路设计到后端版图设计，都有涉猎。根据市场人才需求分析，本专业毕业生可从事的岗位多为电路设计及硬件技术设计分析人员，结合我校培养应用型人才的培养目标，本课程的培养目标为培养学生具有良好的数字集成电路硬件设计能力、电路分析能力、版图设计能力以及专业分析能力。

在前期专业基础课的基础上，为提升学生专业技术水平，本课程安排在大三的第二学期。需要有电路分析、数字电子设计、模拟电子设计、半导体物理等课程的前期铺垫。所涉及知识从半导体制作工艺、半导体器件到电路前段设计和后端版图设计，环节环环相扣。讲授内容首先结合半导体物理及半导体制作工艺基本知识，掌握数字集成电路的基本构成单元CMOS器件的制作原理和设计方法，课程中期讲解CMOS电路设计和分析，最后结合设计进行版图制作。

2 主要问题

《数字集成电路设计》课程作为专业课，与电科专业基础课程相比，在课程知识领域、趣味性、实践性等方面都有所不同，该课程在人才培养方案课程体系构建中，处于承上启下的位置，结合了大一大二的课程，同时为学生毕业成为集成电路工程师或者读研提供必要专业知识，在课程授课中，主要存在以下几个问题。

2.1 课程知识覆盖面大

从课程知识角度，数字集成电路覆盖知识广泛，如果学生在大一大二的基础没有打牢，课程授课的第一二章内容就很难理解消化，到电路设计和分析部分经常会有学生不理解设计的原理，反复讲解收效甚微，最根本原因就是基础不牢，基础器件没有牢记于心，用器件做电路再进一步分析和数据，就难上加难了。因此在教学中如何加入并强化半导体及数字电子设计相关知识，是本课程改革中需要思考的问题之一。

2.2 课堂授课模式单一

从课程授课方式角度分析，数字集成电路课程具有较强的逻辑性和实践性。特点是专业性强，内容抽象。课程定位是培养能够胜任集成电路设计工程师等职位的应用型人才，要求在设计电路的基础上，能够熟练使用EDA工具进行设计、编译、仿真及下载。掌握集成电路制作工艺，以便在功耗和版图设计方面得心应手。培养的学生应该具有独立思考、科研创新、团队协作、工程应用等综合性素质。但是传统的教学方法中，授课为讲听式教学，采用PPT介绍知识点，课堂上通篇讲解理论，逻辑分析和计算讲解占据了主要课程时间。在这种授课方式中，理论占据大量时间而且师生互动缺失，在短短一学期将大量理论知识灌输给学生，相应的实践和实验辅助没有跟上，导致学生最后只能书面分析电路，实际设计方面非常匮乏，这种授课方式与课程的培养目标相悖。因此如何在课程中加入新的课程讲授方法，提高学生的实际设计能力是本课程改革需要解决的另一个问题。

2.3 疫情期间授课方式难以满足实践性要求

今年新冠肺炎暴发，为了响应教育部关于“停课不停教，停课不停学”的精神，大部分高校都采用了线上的教学方式。疫情期间的数字集成电路课程的理论和实验课也采用了线上教学方式。线上课程的缺点是互动性差，尤其是这类实验设计要求较强的课程。如何让学生在家就能学好这门课，掌握理论知识的同时能够在实验课中熟练使用 EDA工具进行设计和仿真，是数字集成电路课程在改革过程中首次遇到但是必须解决的问题。

3 针对培养应用型人才的数字集成电路课程改革方法

3.1 重基础、强实践的教学内容改革

数字集成电路课程是电子科学与技术专业必修的专业课，是夯实半导体基础并提高专业设计水平的课程。本课程选用甘学温等编著的“十一五”国家级规划教材作为讲授教材《集成电路原理与设计》，该教材构架合理，内容深入浅出、层层递进，非常适合本校学生定位。在讲授过程中，首先课程前两节课，先让学生理解课程定位，根据学生反馈并结合课本内容，把数字电路以及半导体物理基础知识总结性讲解，第三节课加入半导体制作工艺，学生在理解了如何制作集成电路、集成电路的基本构成单元MOSFET内部能级分析及传输特性后，在进入第四章电路设计以及最后的版图设计时，就能够快速理解吸收。在毕业生调研中，学生在进入公司或者读研后，普遍反馈课程基础掌握扎实，但是课程里的设计过于单一，与现实应用和设计脱轨。因此在课程改革中，我选用了国外优秀教材作为教学内容补充，国外教材的特点是注重设计方法。例如本课程使用的《CMOS数字集成电路——分析与设计(第4版)》教材，本书第1章至第8章详细讨论MOS晶体管的相关特性和工作原理、基本反相器电路设计、组合逻辑电路及时序逻辑电路的结构与工作原理，第9章后，附加大量实例，讨论了电路的可制造性设计和可测试性设计这两个重要问题。可以补充国内教材缺乏实用性内容的缺点。

同时根据人才培养目标，学生除了掌握基础的电路知识和集成电路分析设计之外，还需要掌握工艺、版图规划、封装、测试等知识，以及熟练的使用集成电路电子设计自动化ED软件。但是传统课程中，对实践知识讲解匮乏，过度关注电路设计导致学生只掌握集成电路中的一个小部分，无法将设计与实际集成电路制作结合。因此在课程改革中，补充了国内外先进的工艺制作视频，让学生直观感受版图到工艺制作的转换。在实验设计方面，随着EDA软件不断发展，集成电路各个阶段都需要借助EDA工具辅助完成，尤其对于验证和仿真，能够大大提高设计的成品率，课程改革中，将每个阶段涉及的软件一一列出，讲解软件协同制作和优化结合，有利于学生能够灵活掌握各类EDA软件，提高设计效率。

3.2 项目引导式教学方法改革

针对培养应用型人才的我校人才培养目标，课程的教学方法必须能够结合实际应用，课堂中，不能仅仅是课程理论内容的大量灌输。对于数字集成电路这类逻辑性强、实践性强的课程，需要更加重视课程内容的学以致用。因此在课程改革中，改变传统的说教式教学，采用项目引导式教学方法，从课堂第一次课，设立一个项目让学生思考，例如让学生拿出身边的电子产品，思考哪一步的运行由数字电路完成，提醒学生注意在后面课程中如何通过电路设计实现。最后让学生设计电路并在实验课程进行仿真验证功能。项目式方法既能够引导学生快速进入课程内容，也可以将理论课程和实验课程结合一起，通过理论课程的设计，通过实验课程进行验证。这一项目的贯穿始终，也将数字集成电路的工艺方法、设计方法、EDA工具画图仿真验证合理关联。

从学生兴趣角度，数字集成电路是一门枯燥的课程，涉及大量半导体物理参数、电路设计的堆积，课堂中采用板书结合PPT的方式授课，讲解知识点、电路分析，这个过程中灌输式讲授占据大量时间，课堂沉闷是传统课堂难以克服的问题，只能通过课堂提问等方式提高学生的注意力。改革中加入项目启发后，学生在课程起始就进入思考状态，实践证明提高学生求知欲是提高学生注意力的有效方法。课程实验中，最后四个课时留给学生独立设计，学生可以采用团队合作的方式，在项目完成后，不仅学到知识，学生的团队协作能力、创新能力都得到了提升。

3.3 疫情期间的线上教学方法研究

在信息化时代的今天，互联网+的兴起合理的将教育和互联网整合，线上课堂的开展体现了教育的公平化和时代化。2020年，是新冠肺炎暴发的一年，在党的领导下，我们积极应战这场没有硝烟的战争，并取得了阶段性胜利。在疫情期间，大部分学生停留在家，为了响应“停课不停教，停课不停学”的精神，高校教师们结合以往线上教学经验，采用了直播上课的新模式。但是直播教学并不同于之前的线上教学，以往的线上课堂是线下课堂的补充，是在课堂讲授后，在慕课、泛雅等平台进行课程补充，上传课程PPT、视频和作业等，利用学生的课后时间复习和巩固课堂内容，推进了学生学习的深度。但是在疫情期间，直播授课完全替代了传统课堂，没有了面对面讲授，如何高效的让学生掌握课程知识，是每个直播教师必须思考的问题。

对于电子科学与技术专业，专业课知识具有较强的实践性，要求学生在实践中构建课程体系和逻辑思维。数字集成电路设计课程在前期改革中采用了项目式教学，如何在直播上课中将理论与实践结合，将项目式教学继续实践，保证学生的知识接收量，是本次直播授课中需要思考的问题。因此在直播课中，我采用了三步一体的课程教授方式，分别从线上课前预习、直播授课、课后指导三个角度设计课程，构建以学生为主题的混合模式教学方式。

首先，课前线上预习是保证直播课程能够顺利进行的前提，预习采用雨课堂，在建立课程后将视频和PPT上传，监控学生的阅读时间，及时在QQ群中随时监督和提醒学生。正式的直播授课环节中，进行课前提问，包括课前预习以及上节课的课后作业点评，进行答疑解惑并鼓励优秀学生，加强学生自习的积极性。课堂授课采用雨课堂、腾讯直播等方式，雨课堂的优势是PPT和课堂内容可以预习、回放、并进行课后作业的复习。但是雨课堂的互动性较差，故而我采用了QQ在线直播以及分享屏幕的方式补充雨课堂的不足。根据课堂内容先建立项目引导，在理论性较强的知识点采用三步式教学，逻辑性较强部分必须采用板书直观讲授，这里会使用手机直播，用白纸代替黑板，用记号笔代替粉笔，在纸上展示板书全部内容以及分析过程，每个板书都截图给学生，方便课后复习。对于实践性较强的部分，三步式更是缺一不可，例如讲解集成电路的制作过程方面，简单的课堂讲授及画图不能满足学生对课程的理解，需要辅助相关视频，让学生提前观看著名公司制作全部流程，并在课堂中提问和讲解，效果显著。

课后辅导是三步式中不可缺少的一步，根据学生的特点，在课后及时和学生沟通，一方面可以及时掌握学生的知识掌握程度并加以指导，另一方法可以及时对授课方式改进。直播授课除了没有和学生的面对面，也缺少了和同事的接触,闭门造车不可取，课后沟通能够在督促学生的基础上，掌握对于学生而言较好的授课方式，实现以学生为主题的授课模式。

4 结语

随着集成电路的高速发展，信息技术已经深入到人们生产生活中，我国是集成电路消费大国，却是生产小国，集成电路工程师的人才需求日益显著。高校是集成电路人才培养的摇篮，为了培养具有实践能力和设计思维的集成电路人才，集成电路课程建设和改革必不可少。数字集成电路课程是集成电路方面重要的专业课，内容涉及集成电路工艺、设计以及版图设计等领域，根据我校培养应用型人才的培养目标，结合课程内容，首先对课程内容进行改进，增加课程内容的连贯性和实用性。同时对课程的方法进行重新设计，采用项目引导式方法，启发学生的学习动力。在直播课程中，采用三步式教学方法，使用QQ直播和雨课堂相结合，将课堂内容融会贯通，在项目式的驱动下，掌握数字集成电路课程的设计和实践。最终达到以学生为主体，培养应用型集成电路人才的课程培养目标。