獨立學院集成電路原理專業課程改革

張華斌 曾葆青 楊健君 劉黎明 陳卉

摘要：根據獨立學院本科學生的特點，結合我校電子科學與技術專業集成電路原理課程的實際教學情況，對該課程的教學內容、學時和教學方法進行改革。具體做法是：增加重點章節學時，補充相關知識，使其連續性增強，增強學生學習過程中的邏輯思維能力；對內容的重新安排，以工藝為主線，先Bipolar后CMOS工藝，安排對應的數字及模擬電路，保證學生對所學內容的有序性。同時，在教學過程中，有目的地將所學單元電路組合起來形成實際的電路系統，與IC軟件建設平臺實踐環節相結合，強調學生實踐能力，使培養出的人才滿足當今IC行業應用型人才的需求。

關鍵詞：獨立學院；集成電路原理；電子科學與技術；教學方法；IC軟件平臺

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0080-03

電子信息產業是國家高新技術產業的重點，是國家經濟發展的命脈，因此，從國家發展經濟的角度來講，必須大力發展電子信息產業。實際上，推動電子信息產業發展的主要核心動力，來源于集成電路產業的發展，然而，集成電路產業的高速發展需要大量的高水平、高素質的集成電路設計人才。但直到20世紀90年代，隨著國家“908、909”工程項目的實施，集成電路設計和制造技術開始正式起步，此時集成電路加工技術與國外先進的微細加工技術相比，有相當大的差距。不僅如此，行業集成電路設計和加工人才十分缺乏，而我國每年高校微電子專業畢業的研究生僅有幾百人，遠遠不能滿足社會發展需要。

因此，集成電路設計人才缺乏，已成為制約集成電路產業向前發展的瓶頸之一。要改變這種狀況，應當從本科教育開始做起，培養基礎扎實的集成電路設計人才[1]。為此，針對我院電子科學與技術（IC設計）專業發展的實際情況，我校將集成電路原理專業核心課程作為質量工程建設項目，在此基礎上。做了大量的工作，取得一定的效果。

一、集成電路原理課程內容改革

我校集成電路原理課程安排在第6學期，共64學時，每周4節。教材選用朱正涌主編、清華大學出版社出版的微電子光電子系列教材《半導體集成電路（第二版）》。該教材涉及的內容豐富，章節較多，獨立學院在選用此教材的過程中，應根據實際情況對教學內容做適當改革。教學內容的變化，首先是刪除與該專業其他課程重復的內容，這既有利于節省教學學時，又能保證學生在學習該課程時所學知識是新知識。其次，增加新內容和知識關聯度。例如，講述反向器設計時，從最早采用PMOS工藝所設計的反向器開始，接著是電阻負載型的反向器，以及NMOS負載反向器分析電路發展過程，進而發展到現在的CMOS反向器，在此過程中，設計人員可以解決如何降低功耗和縮小面積的問題。最后，重新安排教學內容，將本書內容概括為兩個部分：第一部分為MOS邏輯/模擬集成電路，第二部分為雙極邏輯/模擬集成電路，有利于學生以工藝為線索對知識進行整體把握。通過這些改革，不僅可以降低學生學習知識難度，提高學生學習興趣，而且可以了解知識的來龍去脈，形成學生的系統性的認識，進一步提高集成電路設計和應用能力。

二、集成電路原理課程教學方法的改革

針對我校是以教學型為主的獨立學院，課程的內容變化立足于提高本科層次的學生能力，教學方法必須在此基礎上做適當改革，才會對教學質量產生好的效果，尤其是培養本科層次應用型人才，還處于不斷研究和探索階段，有大量工作要做。

1.強調理論知識“學以致用”的原則。我們改變以往教師滔滔講解、學生被動接受的局面，充分貫徹學以致用的教學思想，而且集成電路原理是一門實踐和動手能力很強的課程[2]，必須對課程教學做一些探索和嘗試。首先，從實際生活出發，從身邊的電子產品入手，找出這些產品的工作特點。如實現這些工作方式應采用什么樣的電路結構，這些與電路知識有什么關系，這些關系正好又與電路工作原理一致，也就是說可通過電路實際工作原理實現它，通過這種步步引導的方式，既讓學生熟悉知識與產品之間的聯系，又讓學生找到學習知識的用途。其次，從使用元器件制作樣品開始，在制作過程中，學生會提出很多問題，而這些問題可通過教師引導查閱課本、資料等解決問題，從這個角度，使學生明白課本知識的真正用途。最后，指導學生將宏觀元器件通過采用微電子集成工藝方式，以更小的尺寸實現，同時讓學生看到顯微鏡下的電路版圖。通過以上幾種方式，達到學以致用的效果。

2.強調理論知識關聯性及延伸性的原則。強化學生應用能力的培養，必須強調理論知識本身之間的關聯性和延伸性。所謂關聯性，是前后知識之間的聯系，形成統一整體，這方面主要是通過教師在上課前對以前已講知識的概括，進而引出本課內容，表現知識的一環套一環的系統性原則。也可通過學生在課前或課后對所學內容進行分析、對比，找到知識之間的緊密關聯性，形成應用知識的能力。

除此之外，講授知識時，要對理論知識進行延伸，主要體現在兩個方面：一是在對本課內容進行總結概括的基礎上提出問題，以便下節課重點解決該問題，給學生留下問題懸念。二是在課本基本理論的基礎上進行延伸，掌握當今技術的發展情況及技術的發展趨勢，這將對理論學習起到巨大的推動作用。同時，使學生將所學理論與實踐（技術）結合起來，真正懂得知識的用途和如何應用。

3.強化理論知識與實驗、實習相結合的原則。眾所周知，必須將所學理論知識付諸于實踐，才能提高學生的動手能力和應用知識的能力，才能達到學院所提出的應用型人才的培養目的。在學校人才培養體系的計劃中，應加大實踐教學，強化理論指導下的實踐應用能力訓練，將實驗、實習和實訓所占學時比例提高到人才培養計劃課程體系總學時的25%以上。通過強化實驗、實踐環節，不僅能使學生學會做實驗，還能引導他們學會設計實驗[3]。如：根據專業涉及電路設計，設計時應注重電路性能指標計算，選擇實驗元器件參數。同時，為配套集成電路原理課程改革，提高學生的專業知識水平和應用能力，學院專門設立40學時的專業實踐課程集成電路設計實驗，從而加大應用型人才的培養力度[4]。另外，為了確保學生所學理論知識與實際生產、設計和應用相一致，學院建立8個專業實習基地。如：深圳方正微電子有限公司、中山市奧泰普微電子有限公司、木林森股份有限公司、廣州南科集成電子有限公司等。

三、集成電路原理課程實驗的改革

對電子科學與技術專業的學生來說，四年大學學習的關鍵在于，具有較強的IC專業知識和應用能力，形成這方面能力的重點是IC實驗教學，通過IC實驗教學，可以很好地將理論知識應用于實際中去，達到熟悉集成電路知識的本質含義及在實際中的應用，既可訓練學生的思維能力，又能鍛煉動手能力，起到專業學習和訓練的目的。傳統實驗教學中，面臨的實驗內容多年不變、驗證性實驗多、實驗項目缺乏系統化、實驗技能訓練不規范等問題，對培養應用型人才產生很大影響。因此，必須對IC實驗教學的內容、教學方法、考核方式等進行改革[5]。

1.IC實驗內容的轉變。①從分立元器件仿真到建設IC設計平臺仿真。原初的集成電路原理課程相關的實驗內容，盡管是電路設計性質，但由于期初沒有投入集成電路設計軟件資金，該課程的實驗采用PSPICE軟件仿真工具，對分立元器件進行仿真分析和設計，應用PCB板焊接電路。為了提高學生的專業水平，培養應用型人才，學校加大實驗室投入，建設使用Cadence集成電路的設計平臺，對相關IC內容進行修改，從軟件應用到單元電路設計，從單元電路到系統電路設計，完成一整套電路技術參數的修改，同時結合具體工藝線進行有特定參數的技術指標設計，極大地調動學生的專業學習興趣，提高專業集成電路和版圖設計能力。②IC實驗從驗證性向綜合、設計實驗發展。傳統實驗以驗證性為主，學生只要重復實驗的步驟，得到相關結果，但這種以驗證性實驗為主的實驗，對學生將來創新設計能力的培養有限，學生的創新思維也得不到很好訓練。因此，為了提高學生的應用能力和創新思維，以便將來工作時能充分發揮應用能力，在實驗安排上做了調整，并將驗證性實驗的比例做了相應降低，大幅度地增加設計、綜合實驗，尤其重要的是，讓整個實驗項目形成一個完整的項目體系。即，通過一連串的實驗，最后形成工程設計項目，而不僅僅是各個分散實驗。通過這種方法，可以幫助學生明確實驗項目的目的和要求，形成專業工程的項目設計能力。

2.實驗教學方法的轉變。①IC仿真實驗結合硬件實驗。對集成電路設計實驗而言，如果做出具體的實物集成電路，涉及的缺點很明顯：一是將設計電路通過版圖形式，借助網絡方式，將CIF或GDSII數據包發送給代工廠，代工的成本很高。二是制作周期較長，一般需要半年以上。這些缺點對學校教學具有很強的滯后性，相對來說，影響學生的學習效果。因此，IC仿真實驗如何與硬件結合，需要采取一些特別的方法，所采取的辦法是確定整個課程實驗的主要項目，將其分解成一個個單元電路實驗模塊，進行仿真設計，制作版圖。硬件部分是這次項目所完成的集成塊，可以通過市場購買，這樣，硬件實驗就涉及芯片測試、性能分析、解剖和版圖分析等，正好將IC仿真與實物結合在一起，讓學生將仿真結果與實物相比較，得到結論。②規定性實驗結合自主性實驗。傳統教學規定學生做什么內容的實驗，怎么做，這在一定程度上會限制學生做實驗的積極性。根據多年的教學經驗和學生反饋意見，我們對實驗教學方式進行適當改革，將規定性實驗和自主性實驗結合起來。規定性實驗重在對某項技能和方法的訓練與培養，自主性實驗重在學生自我能力的挖掘和綜合能力的培養。規定性實驗包括驗證性基本實驗和課程內綜合性實驗，是必修實驗。

通過規定性實驗的學習，學生會清楚地掌握專業基礎和基本技能。自主性實驗可以培養學生的自主性，自己確定實驗目的和方案，教師只是一個建議者和引導者，培養學生間的合作精神。自主實驗均以小組形式組成，采用合作方式完成實驗任務，培養創新思維和動手能力。學生在已有實驗的基礎上，發現新事物，創新新方法，解決新問題，從而鍛煉創新思維和動手設計操縱能力。

3.實驗考核方式的轉變。實驗教學考核與理論教學考試相比，有其特殊性。實驗教學的考核，重在評價學生分析問題、解決問題的能力，強調理論知識在解決實際問題上的靈活運用。因此，我們采用過程考核和實驗報告書的方式，兩者各占50%。前者主要考核學生的實驗操作規范、實驗操縱的熟練程度、實驗完成的正確程度等；后者著重考核學生是否獨立完成實驗報告，實驗報告作圖、書寫是否規范，內容是否正確及實驗心得等。

強化隨堂考核，突出素質評價。學生的實驗效果關鍵在課堂，課堂將有效地反映出學生的這次實驗應如何操作，明確知道先做什么，后做什么，哪些步驟較關鍵，該注意什么，防止出現什么問題，出現問題該怎么處理，該記錄哪些數據，記錄的數據是否正確，如何處理等。這都可以通過教師在課堂上進行指導，在引導學生時發現。這種考核方式，不僅可以客觀地反映實際情況，而且可以實時地解決學生在實驗過程中的問題。這種評價方式不僅可以看到學生的基本操作技能，而且可以考查學生對數據的測量方法和實驗中解決問題的能力。

注重實驗報告，考查學生的圖、表、內容的處理能力。采用實驗報告手寫方式，可從多角度考核學生的實驗能力。學生對已經做好的實驗完成實驗報告，將會對所測得的數據進行處理，用圖、表進行表達，這能更明確地了解實驗目的，知道為什么需要這些數據，這些數據是否正確，如何消除誤差等。通過反思，明白實驗是實際情況的真實反映。另外，書寫實驗心得，將幫助學生總結實驗缺陷和失誤，客觀地幫助教師對學生進行真實評價。

根據我校獨立學院的實際情況，對電子科學與技術專業集成電路原理課程進行教學內容、教學方法和課程實驗的改革。改革實施后，電子科學與技術專業方向的學生，有了明確的學習方法和努力方向，產生濃厚的學習興趣和積極性，形成自己的看法和新的思維學習習慣，對專業學習目的與就業之間的關系有了清晰認識，對專業學習更加自信。尤其在實驗學習和生產實踐中產生明顯效果，達到學院提出的培養集成電路設計應用型人才的目的。

參考文獻：

[1]段吉海.“半導體集成電路”課程建設與教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，（5）：11-15.

[2]徐太龍，孟堅.集成電路原理與設計課程的教學優化[J].合肥師范學院學報，2011，（3）：57-58.

[3]蘭其斌.新形勢下獨立學院信息技術專業課程教學方法研究[J].中國石油大學勝利學院學報，2011，（2）：66-67.

[4]金蕾.集成電路工藝原理課程的教學與實踐[J].西安郵電學院學報，2012，（S1）：60-61.

[5]田健仲，吳敏華，張俊方，王凡.電路原理實驗課程建設與教學改革實踐[J].實驗技術與管理，2010，（10）：142-145.