“射频集成电路”课程教学改革的探索与思考

王科平 魏 国 洪 然 宋嘉勋

(天津大学 微电子学院， 天津 300072)

集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，在计算机、通信、军工产品、汽车电子等领域有着关键作用，是全球发达国家和军事大国抢占的战略制高点，很多国家在这一领域投入了大量创新资源，竞争日趋激烈,集成电路成为了目前国家间博弈的重要因素[1]。近几年，中美之间由贸易战变为科技战，从2018年7月开始美国先后把近百家中国企业列入实体清单，实行高科技出口管制。其中包括限制对中国通讯巨头华为的芯片供应，因此集成电路成为“中美科技战”的关键战场。所以我国目前高度重视集成电路行业的发展，多年来出台多项政策支持我国集成电路的发展，2020年11月份，中国共产党第十九届中央委员会第五次全体会议通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》正式将集成电路写进中国“十四五”规划，旨在我国新体制下，打好关键核心技术攻坚战，突破我国在集成电路领域的关键技术难关。同时我国也开展了“新工科”计划，集成电路工程成为其中关键一环，清华大学、北京大学也率先成立了集成电路学院[2]。

“射频集成电路”作为集成电路设计的核心课程，对提升学生对集成电路设计、射频芯片测试、无线收发系统的理解具有极其重要的作用[3]。为了落实习近平同志在全国高校思想政治工作会议讲话精神，积极推动新发展阶段“培养什么人”“怎样培养人”和“为谁培养人”的重大时代课题，同时为了更有效地推进“新工科”建设，践行“新工科”教育理念，培养引领未来技术和产业发展的人才，培养具有创新创业意识，数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才，课程团队对整个教学体系进行改革，在“射频集成电路”课程教学和相关人才培养方面进行了创新型探索。

1 传统培养模式存在的问题

射频集成电路是研究无线射频收发系统的学科，涉及集成电路中的诸多模块如功率放大器、低噪声放大器、混频器、锁相环等。“射频集成电路”课程是一门多学科交叉型课程，涉及高等数学、电路分析基础、模拟电路理论、数字电路、信号与系统、高频电路基础、射频微波电路理论、无线通信原理等。涵盖的知识面广，难度较大。受教学时间和教学经费等限制，传统培养模式存在以下问题：

1.1 缺乏价值导向，家国情怀有待提高

学生在学习的过程中很难培养真正的专业兴趣和以专业为基础的个人理想，大多数学生因为更好的就业前景和更高的薪水而进行专业选择或继续深造，缺乏正确的价值引领，在目前国内面临芯片行业“卡脖子”和“新工科”建设的情况下，学生以自己所学专业去投身祖国科技建设的内动力不足，缺乏家国情怀的灌输和正确价值观的树立。所以当前芯片人才的培养首要解决的问题是如何提升学生的专业使命和家国情怀。

1.2 知识过于经典，创新思想灌输不足

随着晶体管特征尺寸的不断缩小，寄生参数变化明显，并且为了顺应低功耗的要求，新的电路结构不断涌现，每年芯片领域顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC) 中的电路设计极为巧妙，创新速度飞快。而“射频集成电路”的教材内容还都是多年前的经典结构，滞后于时代发展，缺乏对创新型设计的引领。

1.3 传统讲授模式，多元教学模式缺乏

目前的“射频集成电路”课程仍以教师讲授图文式PPT课件为主。在如今电子设备极其先进的时代，课程的多媒体课件不够丰富，工程实践应用内容不够突出，学生缺乏对设计的感性认知。同时学生在课堂上缺乏积极思考，学习主动性不足，教学中没有体现启发式互动性教学。

1.4 实战经验不足，理论与设计难结合

由于射频集成电路的设计较为复杂和繁琐，想要真正掌握电路的设计，软件使用、电路理论、流片测试缺一不可[4]。三者之间相互影响的过程需要反复迭代很久，才能真正做到知行合一。但因为课时和经费的原因，让学生进行完整的流片设计并不现实。尽管通过视频和各种教程可以让学生们了解软件的使用，仍难以达到对设计过程的深入理解和综合运用，造成理论与设计相脱节的问题。

1.5 缺乏交流平台，无法快速解决问题

集成电路作为高精端行业，高校独立进行人才培养比较困难[5]。需要企业的技术与资金等方面的支持，打造产学研共建平台。为了增加学生的行业认同感，积极倡导合作共赢，共同加速我国集成电路自立自强的进程，国内各大高校应该进行学术科研交流活动，搭建交流平台。但目前平台的建设仍属于发展阶段，人才培养模式不够健全，不能快速及时响应学生需求。

2 改革思路及具体措施

为了解决传统授课模式出现的问题，以及贯彻落实国家大力培养集成电路人才的政策，“射频集成电路”课程以学生为中心，紧密环绕微电子专业特点，推动产、学、研有机结合，提高学生的家国情怀和创新能力，形成“不断完善，持续优化，产出导向”的教改理念，使学生掌握真本领，敢于攻坚克难，塑造新时代价值观与大局观。课程改革的详细措施分为以下几个方面：

2.1 注重课堂思政教育，培养学生爱国思想

众所周知，在中美贸易战中，美国通过多种方式限制对华出口高科技产品，对中国科技产业影响最大的莫过于限制芯片出口，中国企业如华为被迫从依赖进口走到自主研发的路上。本课程从中寻找时事热点并提取爱国元素，搬到课程中与学生一同探讨交流，实现师生之间的思维碰撞，有效激发学生们的家国情怀与矢志报国的热情。例如，在讲授绪论这一章节时，组织学生通过调研文献、查阅资料和问卷调查等方式进行分享汇报，深切认识到我国在射频集成电路领域与国外的差距，指出发展的不足，探讨未来微电子行业面临的挑战与机遇。

课程从“立德树人”角度出发，通过课程思政教育的引导，有效增强了学生们的家国情怀，积极响应国家发展集成电路的政策，构建掌握“卡脖子”技术、突破国外封锁、坚持自主创新的价值观与就业观。

2.2 摒弃单一评价方式，创建多维考核体系

传统的分数考核一般为期末考试和平时成绩(多为课堂点名签到)占不同比重给出，评价方式单一，限制多元文化课堂的发展。本课程注重学习过程考核，开展全方位、多过程评价，将理论学习、实践调研和团队合作有机融合在一起，极大发挥了学生的主观能动性。课程具体考核方式如图1所示。在课程教学中，借助专业的网络平台辅助进行随堂测验，有效监测学生课前预习、课堂作业提交和课后答疑。课程设计结合当前射频集成电路发展前沿，基于专业的仿真软件，设计应用于射频接收机的Low Noise Amplifier(LNA)，满足相应指标，根据不同工艺库画出版图，给出前后仿真结果，并且课设成绩优异的学生可以将自己的设计参与到流片项目中，具有一定的实践意义。分享汇报则采用课前分享、组内自评、组间互评和教师点评等方式，多维度考核，强化师生之间交流，促进学生之间合作，避免了“唯考试论”“唯分数论”等不良单一评价体系，提高课程的教学质量。

图1 课程教学考核方式

2.3 升级课程教学结构，重视基础知识理解

“射频集成电路”课程涉及学科范围广，如物理、天线、微波和电路等，内容庞大，专业性较强，知识点繁多，这也是新工科背景下学科交叉的体现[6]。因此课程教学团队悉心分析课程脉络，找准知识点，厘清章节之间的逻辑关系，构建如图2所示的多层知识体系结构。基础是理论讲解，毕竟教材很难做到实时更新集成电路的最新进展与电路创新，因此借助国内外著作和相关的顶刊论文协助对传统教材里的知识点进行补充说明，其次通过仿真工具来验证理论，有助于学生对基本理论更好的吸收掌握。通过引入具体的工程案例来提高学生的兴趣。例如天津大学1993级半导体物理与器件专业校友林松华于2021年给母校捐赠3.13亿，支持母校与微电子学院建设。鼓励学生向优秀校友学习，爱国荣校，掌握真本领，做出“中国芯”，回报社会。通过理论讲解-仿真验证-工程案例-综合设计-反思纠错的闭环课程教学设计，循序渐进，理论联系实际，整合学科前沿和时政热点融于课程，实现传授知识和培养人才的双重目的。

图2 射频集成电路课程知识体系结构

本课程共32学时，含答疑课2学时和校企联合参观环节2学时。授课内容详略得当，合理安排重点难点。主要讲授收发机结构、低噪声放大器、无源器件和功率放大器，这些章节都是4学时。其余章节均为2学时，如：射频设计中的基本概念、通信技术概论等。并且在每次上课前，预留出10分钟进行分享汇报环节。切实利用好每一节课，根据课堂反响和学生理解程度，灵活调整学时。

2.4 优化动手实践能力，发挥自主创新作用

集成电路是我国科技发展的重要组成部分，是我国各行各业实现智能化、数字化的基础。根据我国国民经济“八五”计划至“十四五”规划，国家对集成电路行业的支持政策经历了从“加强发展”到“重点发展”再到“举国体制大力发展”的变化[7]。但是即使有利好政策的支持，也不可能做到每位本科生参与流片。因此，本课程利用专业仿真设计软件作为课程教学的有益补充，将课程设计的理论电路在仿真软件上实现，有效解决生搬硬套和灌输理论等问题。

实践教学的部分框图如图3所示。以课程设计为基础，以专业仿真设计软件为平台，通过选用合适的器件与工艺库，学生将自己设计的电路在软件上实现，并绘画版图，满足Design Rule Check(DRC)、Layout Versus Schematics(LVS)、天线效应和Electrostatic Discharge(ESD)等规则后，提参后仿，与前仿性能作比较，以LNA为例，如：噪声、增益、匹配等参数，高频情况下还需作电磁场仿真作为补充验证，择优选取进行流片、测试。通过开放式的实践教学，学生掌握了流片所需具备的条件，深入了解射频集成电路从原理到制造再到实现功能的完整流程，而且能够找到影响性能的主要因素，并予以解决。

此外，课程还提供了测试平台，没有机会流片测试的学生可以走进实验室与研究生交流，学习测试知识。让学生通过实际操作，亲身感受芯片测试的工作环境和测试流程。图4为学生请教研究生开展仿真设计和学习芯片测试的照片。

图3 实践教学的部分框图

(a)

(b)图4 仿真设计(a)与芯片测试(b)

学生在掌握理论基础和电路设计后，通过产学研平台和校企联合，开展集成电路设计工程实践。由资深射频集成电路工程师对集成电路设计的实践课题进行剖析，并结合行业前沿深入分析，使学生掌握在课堂和实验室无法获得的设计技能，切实加深学生对电路原理和核心技术的理解。

通过构建“仿真设计-版图绘画-流片测试”虚实结合、理论联系实际的实践教学平台，优化学生动手实操的能力，发挥自己的自主创新作用。此外，学生通过与研究生的沟通交流也了解到集成电路人才就业的具体需求，促使其主动构建理论应用于实际的知识体系。

3 结语

“射频集成电路”课程通过教学改革，在新工科背景下注重学生的家国情怀塑造、理论传授与能力培养，在教学模式改革等方面取得了较大成果。通过将仿真设计、开放式教学、动手实操和产学研协同等教学体系有机融入课程，巩固了学生的基础知识，锻炼了实践能力，增强了学生的爱国思想、自主创新和家国情怀，为“射频集成电路”课程教学改革和集成电路领域人才培养提供了一定的参考。