微電子專業中模擬領域課程群的CDIO教學建設

陳鋮穎

摘要：微電子模擬領域課程群主要包括模擬/射頻/混合信號集成電路設計、模擬集成電路版圖設計、模擬EDA設計等數門專業課程，是設計方向課程中的核心部分。本文基于CDIO教學模式，對現有課程群存在的問題進行分析，從教學、項目制內容等方面進行研究。旨在以項目制為中心的模擬課程群中，激發學生主觀能動性，加強理論與實踐之間的聯系，最終提高學生分析、查找、解決工程問題的綜合能力。

關鍵詞：微電子；CDIO；課程群；項目制

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0261-02

一、引言

CDIO（構思—Conceive、設計—Design、實現—Implement和運作—Operate）始創于21世紀初，是一種以產品生命周期為載體，項目制為核心的自頂向下的工程教育模式，適用于以工程培養為主的工科專業。自創始之日起，隨著以麻省理工學院為代表的國際一流院校開始實施，國內高校近年來也逐漸將CDIO教育理念引入計算機、自動化等工程類專業中，促進了教學方法和人才培養模式的創新，取得了一系列的成果。

自2014年我國發布《國家集成電路產業發展推進綱要》以來，微電子產業已經上升為國家重點發展產業。而國內高校則肩負著微電子人才培養的重任。由于微電子專業是一門交叉性很強的系統學科，理論性、工程性都很強。而其中的模擬集成電路作為設計類的核心課程群，對學生運用理論知識、解決實際工程問題、總結經驗、提出創新都有非常高的要求。因此結合CDIO理念，研究和實踐該課程群的人才培養模式，是實現我校微電子專業升級和發展的重中之重[1]。

二、模擬領域課程群面臨的問題

首先，在目前模擬領域專業課的教授過程中，我們發現大多數學生掌握的知識和擁有的能力與培養目標中的工程能力要求相距甚遠，直接影響是學生在畢業后無法勝任直接的生產和設計工作。典型情況表現為在工程實踐性較強的設計中，學生的知識網絡碎片化，即使在單門課程掌握較好的學生群體中，也出現交叉知識無法融會貫通的現象，從而導致在實踐過程中，對項目規劃、進展、細節調整、團隊分工等工作無從入手，進展艱難。

而通過對各層次實踐受眾面的分析發現，在課堂實驗—工程實驗—開放實驗—競賽項目—創新創業項目的發展路線中，學生參與度急劇下降。其原因在于：在原設計的知識內容與多種類型、多層次實踐活動結合的過程中，學生只關注了單一課程內的知識細節，只從有限的知識邏輯角度出發，而忽視了多門課程理論對實踐的指導意義。在此情況下，教學活動過程中缺乏從項目（應用）邏輯出發的角度。在以知識邏輯為主的教學過程中，學生的思維容易蜷縮在狹小的知識空間，而對課程內部知識點之間的聯系、與其他專業課之間的聯系、知識網絡架構、知識與實踐的相關性缺乏認知。而具有一定規模的實踐項目是從應用角度入手，例如，一個小規模的濾波器電路也涉及模擬電路、信號與系統、數字信號處理等多門課的知識點。因此，如果大部分學生僅局限在某一專業課的范圍內探索，那么專業知識內容與多層次實踐活動就會存在較大鴻溝，無法對項目進行指導。

因此，我們應注意到從知識邏輯（課程講授）角度出發與從項目（應用）角度出發的學習方法和教學方法具有較大不同，從而在課程環節中，需要從知識邏輯（課程講授）角度和項目（應用）角度這兩個視角，為學生提供相應的講授和實踐化鍛煉。只有這兩個角度交互印證，夯實教學基礎，并緊密結合理論知識內容，才可以有力支撐學生進行深化的融會貫通式學習。這也是在模擬領域課程群中引入CDIO理念的本質目的[2]。

三、模擬領域課程群CDIO實施內容

從知識邏輯和項目實踐二者并重的角度考慮，在教學環節設計中，以CDIO工程教育理念為指導，教師必須提供合理的資源和環境，并制定進階式的項目導向工程環節，使學生從易到難，逐步提升自身能力。同時，在此過程中，能夠逐漸從單一課程知識向外延伸，隨著項目難度增加，融合多門相關專業課內容，從而達到鍛煉自主能力的目的。從教師角度考慮，以CDIO為核心的課程建設主要應該包含以下幾方面內容。

（一）課程環節設計

課程環節設計需要考慮多門專業課的交叉融合，既要抓住本門課的重點，又要關注交叉知識點的拓展，做到各環節內容、環節步驟、環節交織上的邏輯關系無縫連接。主要環節包括如下內容。

1.課堂講授。課堂講授環節分為教師講授和學生互動講授兩部分內容。教師講授中，重點對本門課的知識架構內容進行解讀和傳授，并適當配合一定的工程案例進行簡要介紹。案例應該包含相關課程的專業知識。教師在講授該知識點時，拓展到相關課程進行適當回顧，同時對交叉知識點進行歸納、總結。之后，教師引導學生組成討論組，在對本門課理解的基礎上，重點對交叉知識點進行細節討論，并及時向教師反饋尚未理解的內容，在最短時間內形成交互討論的環節，夯實復雜知識點內容，從而完成整個知識體系的建立。

2.課后知識內容自學梳理。在課后，教師需要引導學生在完整的知識架構下進行自學和理解。這是一個逐步深化的環節，這部分內容進一步從教師講授為主轉變為學生自學為主。同時指導學生對重要交叉知識點進行調研、查找文獻、分析等工作，拓展知識維度，并定期組織交互討論會，與同一項目組成員共同解決重要問題、分享知識點。

3.調研與總結。將本門課重點與交叉知識點“打包”，根據項目實踐需求，劃定一定的調研范圍，具體實施內容包括論文查閱、前修課程、后續課程相關知識點的匯總，最終形成調研報告。調研報告必須涵蓋本知識群的研究現狀、存在問題以及發展趨勢和改進措施，同時引導學生形成自己的思路，提出新方法。

4.實驗實踐。在模擬領域課程群中，實驗實踐是重點環節。需要采用進階式設計的方式，可細分為基礎實驗和進階式實驗兩個層面。基礎實驗包括基本理論運用、軟件使用、基本電路仿真等。在該階段，學生根據教師提供的實驗指導書和輔助材料，進行基本的實驗操作，完成實驗報告。在進階式實驗環節，教師選擇難度適中的實驗項目框架，學生從中細化實驗內容，提出實驗設想、制定策略、實施解決方案、分析結果、總結經驗，全自主完成實驗[3]。

（二）工程項目規劃和實施

項目制實踐是CDIO工程教育理念中的核心部分。教師選取具有一定規模的工程性項目，如可編程增益放大器、傳感器模擬前端、基準源等規模和難易程度適中的電路，明確各個項目的參數指標和實現目標，由2—3名學生組成項目組實施。其中一名學生作為組長，細分項目責任，逐步完成文獻調研、方案制訂、電路設計、報告總結等各項工作，充分鍛煉學生文獻獲取、重要信息提取、溝通交流、規劃、自學提高等重要能力。由于項目組長是項目制實踐的發起人，他的能力很大程度上決定了項目實施的成敗。因此，教師和項目組成員在項目初始階段，需要對項目組長人選進行合理評估，確保其能夠保證后續項目的順利進行。

（三）評價體系

在CDIO實踐中，評價體系的建立也是重要內容。評價體系包含了考試內容和實踐內容兩大部分，并且實踐內容的評價是主要矛盾[4]。考試內容遵循傳統的考查方式，只是更為強調交叉知識點的考查，主要關注學生對交叉理論的掌握程度。實踐內容中，除了實踐結果評估，學生的互動講授和項目制中的總結陳述也是評價重點。學生分組互動講述部分中，教師根據學生理解的知識點及邏輯關系進行評價；而項目制實驗中，教師則根據項目實施過程、項目結題展示等過程進行評價，最終綜合二者結果給出合理的評價結論。

參考文獻：

[1]馬俊成，張佳芬.基于CDIO的微電子學導論課程改革與教學研究[J].科技視界，2014，（36）.

[2]徐慧芳，涂德鳳.淺談基于CDIO理念的集成電路CAD教學改革[J].科技風，2015，（20）.

[3]孫麗莉.引入CDIO模式的《集成電路版圖設計》課程開發實踐[J].職業教育研究，2012，（4）.

[4]徐慧芳，于玉亭.基于CDIO理念的集成電路CAD考核方式改革探索[J].科技視界，2016，（11）.