“集成电路版图分析与设计”课程教改与探索

史 君，喻 玲

（上海建桥学院 机电学院，上海201306）

0 引言

“集成电路版图分析与设计”课程是微电子科学与工程专业方向课，是承载集成电路设计与芯片制造工艺的桥梁。版图设计结果直接影响芯片设计、制造效率与成本，直接决定芯片电路的性能优劣，可见课程的地位和重要性。在以往的版图课程教学中，教师多沿用传统的教学模式，教师在讲台上讲授，学生边听边记笔记边练，在课堂教学中，以教师为中心，教师系统地讲解理论知识演示经典案例，学生被动地听讲接受，课后通过作业敦促学生学习，教学过程缺乏有效互动，不符合OBE-CDIO的教学理念，已经不能满足日益增长现代新的人才培养目标的要求。

随着先进的教育理念的引入，使多元化、信息丰富的课堂教学成为可能，探索新的教学模式、研究新的教学方法势在必行［1］；同时，由于我院地处中国（上海）自由贸易试验区临港新片区，借助2019年8月国家在中国（上海）自由贸易试验区临港新片区总体方案中［2］，建设集成电路综合性产业基地的东风，加强“集成电路版图分析与设计”课程改革建设义不容辞，为此，我们为课程建设做了不少工作。

基于学习产出的教育OBE（Outcomes-based Education）模式的核心是教育系统的每个构成部分都以学习成果为基础或导向，在教学设计和教学实施过程中，学生通过教育过程达成学习目标［3］。OBE最早由美国学者Spady在1981年提出来的，这一教育模式强调以学生为中心，持续改进，可以实现从以教为中心到以学为中心和从以知识体系为中心到以能力达成为目标的转变，这正是课程改革的方向。

构思-设计-实现-运作CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operating）则是承MIT麻省理工大学30多年以来的工程教育大改革的理念，让学生以主动、实践和课程之间有机联系学习工程的方式，培养学生的创新精神与能力、自主学习能力、工程实践能力、沟通交流与表达能力以及团队合作精神，非常符合国家对人才培养的要求［4］。

高校作为人才第一资源、科技第一生产力、创新第一动力和文化第一软实力的重要结合点，充分发挥教育优势，培养合格的社会主义建设人才，服务区域发展和社会发展意义重大，同时，也会使有志学习微电子科学与工程专业的学生受益，“集成电路版图分析与设计”作为微电子科学与工程重点专业方向课教改势在必行。

1 课程教学目标的设计

OBE-CDIO理念的核心就是学生工程能力的培养，并在教育实施过程中达成能力目标，为此，OBECDIO理念下我们对“集成电路版图分析与设计”课程教学大纲进行修订，制定课程目标与专业毕业要求相关联，通过对照专业毕业要求反过来制定课程要求，如表1所示为“集成电路版图分析与设计”课程与专业毕业要求的关联性表。其中L031、L032为课程专业要求，L051为课程思政点要求，这也体现了教育以人为本的教学理念。

表1 课程与专业毕业要求的关联性

课程目标/课程预期学习成果必须是可测量或者是能够证明的，以“微电子卓越计划”的普通高等教育应用型本科计划为基础，通过考察企业用人单位对集成电路版图工程师的需求，对“集成电路版图分析与设计”课程内容进行整合，按照“课程预期学习成果、课程目标（细化的预期学习成果）、教与学方式、评价方式”进行课程内容安排。

根据课程目标要求设置课内实验名称及基本要求，实验类型（演示型、验证型、设计型、综合型）中大部分为设计型和综合型实验，如表2所示。

表2 实验名称及其基本要求

改革以往单一的闭卷笔试考试模式，采用1+X的评价方式，其中1表示期终考试（含上机考试）占比40%，X为平时多方面的表现评价，有课堂表现（X1）占20%、作业（X2）占20%、实验（x3）占20%来进行综合评价，最终评定课程成绩。

2 课堂教学改革与改善历程

课堂教学改革是课程改革实施的主战场，需要对课堂教学进行周密教学设计，研究学生学习特点，科学利用BB网络平台、IOS9001国际质量标准以及信息化多媒体多元化教学手段，围绕着OBE-CDIO工程能力理念实施教学，本节主要从整合教学内容、课堂教学实施方法和教学改善历程三方面来进行。

2.1 整合教学内容

制订好教学大纲，整合教学内容是首要步骤，由于“集成电路版图分析与设计”课程没有合适的教材，适用于我校应用型普通高等教育本科微电子科学与工程专业，因此，我们自编讲义，以OBE-CDIO工程能力本位为理念，优化课程单元，将知识模块设计成课程单元，同时，按照集成电路版图设计流程组织课程单元，使课程内容线索明晰，同时便于组织教学和实施，便于学生在学习过程中自我检验和评估自身知识单元掌握情况，有针对性地解决重点、难点内容；在单元内容的选择上以“十三五”普通高等教育本科集成电路版图设计教材为基础，通过企业调研，将模块单元以项目式组织与教学，引入项目式特色案例，逐渐形成自身特点。集成电路版图分析与设计理论环节极为重要，为了能够有效地将集成电路知识和制造工艺结合起来，我们整合教学知识单元，在自编讲义教材中很多地方都加入了器件剖面图以帮助学生进行电学分析，同时，结合器件平面图帮助学生分析制造工艺与版图的相互关系，通过为器件建立剖面图和平面图有效地将电学参数分析与工艺效应有机地结合起来进行学习。

如表3所示，为单元3的半导体器件原理及版图设计单元的教学内容。其中，知识点以布鲁姆的认知教学目标分类（知道、理解、应用、分析、综合、评价）设置教学目标要求，对每个知识单元所要达成的能力目标提出要求，同时也指出单元学习的难点。

表3 半导体器件原理及版图设计单元

2.2 课堂教学实施方法

课堂教学实施是整个教学改革的关键，也是难点，要在有限的90分钟里完成预定教学内容的多元化教学难度不小，以正态分布概率来考虑全班学生课堂学习效果的个体特点，我们的教学设计主要包含这样的教学模式，BB平台的利用、IOS9001质量标准的单元内容和信息化多媒体多元化教学手段，教学内容在教学学期开始前全部上BB网络平台，学生可以随时上网访问所需教学资料和相关内容；上海建桥学院2018年6月通过ISO9001质量管理体系验证以来，“集成电路版图分析与设计”课程注重课程内涵建设，以质量文化促进课堂教学质量，形成良好的课堂教育与学风教育，把质量价值观落实到课程教学当中；借助信息化多媒体使课堂教学多元化，通过科学调动学生的眼、耳、脑、手和口的积极性有效地吸收课堂知识，将多种教学法运用到课堂：启发式教学、理实一体化教学、项目式教学等教学方法，充分利用多媒体电子教室的虚拟桌面、屏幕广播、学生演示、班级管理、投屏广播与投影录制等多重功能，引入线上、线下混合教学模式，有效实现与学生及时互动，能够及时反馈学习中遇到的问题，解决了以往单一的教学模式。

2.3 教学改善历程

“集成电路版图分析与设计”课程在2001年微电子科学与工程专业创建之时就已经开始实施，而课程建设得以迅速发展则是从2014年开始，2014年上海市政府为电子技术实验室设备更新提供185万元的专项扶植资金，2015年项目建设完成，利用这笔资金我们完成了电子技术EDA实验室的设备更新和软件升级改造，为“集成电路版图分析与设计”等课程教学、实验和拓展实践教学提供了升级设备和软件，同时，通过校企合作，建立了从传统0.6μm工艺、深亚微米0.18μm/0.13μm工艺到纳米55 nm工艺的CMOS、MEM（存储器）、RF（射频）多套工艺库。在课程建设过程中，2017年获首批上海建桥学院重点课程建设项目建设，2019年获上海市重点课程建设项目资助，成为微电子科学与工程专业重要专业方向课程，使该课程获得卓有成效地发展。在每个教学实施学期结束后，我们都会形成“集成电路版图分析与设计”教学改善历程报告，对刚完成的教学实施情况进行分析总结，以便进行改进。

3 能力培养

课程改革的重点在于学生能力培养，以学生掌握目标知识和技能为目的，同时，能够学有所用，能够运用所学知识在企业中找到一席之地，发挥自己的所长。要实现这一目标，仅靠课堂教学来实现是不够的，我们实施的办法有三个，一是通过版图综合实训来进一步进行系统地训练，使学生能够获得工程版图设计及验证学习和实践锻炼，培养学生具有系统分析问题和解决问题的能力；二是，每学期开展集成电路设计及验证第二拓展素质学分课堂，适时介绍并引入拓展知识，旨在拓展学生的知识面，提高认知度和应对综合应用问题的能力；三是引导学生参加全国大学生集成电路创新创业大赛［5］，指导老师每年都为参赛学生举办集成电路竞赛培训班，激发学生创新意思，在2019年组建的“创新之星”队首获第三届全国大学生集成电路创新大赛“创新实践”杯华东赛区三等奖，有效地激发同学们的创新积极性。

4 课程思政在教学中的运用

“集成电路版图分析与设计”课程教改建设是为了更好地为国民经济建设服务，在课堂教学过程中，将课堂思政融入教学，培养学生的社会主义核心价值观是教书育人的重要组成部分；集成电路设计产业事关国之重器，挖掘思政元素注重价值引领，激发学生创新创业意识、责任意识和工作作风［6］，将家国情怀、创新精神、科学思维方法、工程实践、科学实践、大国工匠精神、团结协作精神、做人道理、科技报国，使命担当等思政元素有机地融入课程内，有效发挥了专业课程作为思政主渠道的作用。如表4为部分知识单元融入课程思政教学点的设计。

表4 知识单元与课程思政教学点设计

通过在课堂中生动地介绍思政元素人物及其事迹，使学生能够有效理解对应章节内涵，对促进课堂教学效果明显，有助于达成课程目标。

5 考核方式改革

改革单一的考试模式，以培养学生工程能力为目标的考核方式应该是科学化和多样化的，综合教学目标，我们制定了几种评价方式，围绕评价方式，制定考核方案，如表5所示为课程目标达成度中的评价方式，每个重要的教学环节都设置有评价，以便及时获取学生学习效果反馈；学生课程考核成绩评定采用1+X的评定方式进行，1为期末考试考核，包括笔试和上机操作考核（占比40%），X为平时评价考核（占比60%），分课堂表现评价、实验和课后评价三部分，各占20%分值，全面考核学生的综合能力和素质，其中，线上、线下表现都记录在3个X评价中，形成多元化全方位的评价考核模式。

表5 课程目标达成度中的评价方式

6 结语

“集成电路版图分析与设计”课程在OBE-CDIO教育理念的指引下，在课程教学目标的设计、课堂教学改革与改善历程、能力培养、“课程思政”在教学中的运用和考核方式改革五个方面进行了有意义地教学改革和探索，做到课堂教学环节每堂课都有明确的知识单元，突出重点和难点；根据版图设计特点，探索出课堂练习独特操作方式，确保基本知识点分解透彻、练习到位。

以掌握好理论知识和操作技能为出发点，结合思政指标，有机地在课堂上运用，从而实现以课程学习带动创新意识培养；课外项目环节（拓展知识培训，竞赛项目，科技素质小组，创新创业项目）激发学生的创新意识、头脑风暴、团结协作。在选题上关注国家、社会、民生问题，激发同学们为实现中国梦贡献一份自己的力量，深化“专业”素质、“创新”精神、“工匠”精神和“责任”感，社会主义价值引领建设思路，同时，践行了“感恩、回报、爱心、责任”的校训。