微電子專業(yè)中模擬領(lǐng)域課程群的CDIO教學(xué)建設(shè)

陳鋮穎

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

關(guān)鍵詞：微電子；CDIO；課程群；項目制

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

一、引言

CDIO（構(gòu)思—Conceive、設(shè)計—Design、實現(xiàn)—Implement和運作—Operate）始創(chuàng)于21世紀(jì)初，是一種以產(chǎn)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(yǎng)為主的工科專業(yè)。自創(chuàng)始之日起，隨著以麻省理工學(xué)院為代表的國際一流院校開始實施，國內(nèi)高校近年來也逐漸將CDIO教育理念引入計算機(jī)、自動化等工程類專業(yè)中，促進(jìn)了教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，取得了一系列的成果。

自2014年我國發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》以來，微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)上升為國家重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。而國內(nèi)高校則肩負(fù)著微電子人才培養(yǎng)的重任。由于微電子專業(yè)是一門交叉性很強的系統(tǒng)學(xué)科，理論性、工程性都很強。而其中的模擬集成電路作為設(shè)計類的核心課程群，對學(xué)生運用理論知識、解決實際工程問題、總結(jié)經(jīng)驗、提出創(chuàng)新都有非常高的要求。因此結(jié)合CDIO理念，研究和實踐該課程群的人才培養(yǎng)模式，是實現(xiàn)我校微電子專業(yè)升級和發(fā)展的重中之重[1]。

二、模擬領(lǐng)域課程群面臨的問題

首先，在目前模擬領(lǐng)域?qū)I(yè)課的教授過程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生掌握的知識和擁有的能力與培養(yǎng)目標(biāo)中的工程能力要求相距甚遠(yuǎn)，直接影響是學(xué)生在畢業(yè)后無法勝任直接的生產(chǎn)和設(shè)計工作。典型情況表現(xiàn)為在工程實踐性較強的設(shè)計中，學(xué)生的知識網(wǎng)絡(luò)碎片化，即使在單門課程掌握較好的學(xué)生群體中，也出現(xiàn)交叉知識無法融會貫通的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在實踐過程中，對項目規(guī)劃、進(jìn)展、細(xì)節(jié)調(diào)整、團(tuán)隊分工等工作無從入手，進(jìn)展艱難。

而通過對各層次實踐受眾面的分析發(fā)現(xiàn)，在課堂實驗—工程實驗—開放實驗—競賽項目—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的發(fā)展路線中，學(xué)生參與度急劇下降。其原因在于：在原設(shè)計的知識內(nèi)容與多種類型、多層次實踐活動結(jié)合的過程中，學(xué)生只關(guān)注了單一課程內(nèi)的知識細(xì)節(jié)，只從有限的知識邏輯角度出發(fā)，而忽視了多門課程理論對實踐的指導(dǎo)意義。在此情況下，教學(xué)活動過程中缺乏從項目（應(yīng)用）邏輯出發(fā)的角度。在以知識邏輯為主的教學(xué)過程中，學(xué)生的思維容易蜷縮在狹小的知識空間，而對課程內(nèi)部知識點之間的聯(lián)系、與其他專業(yè)課之間的聯(lián)系、知識網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、知識與實踐的相關(guān)性缺乏認(rèn)知。而具有一定規(guī)模的實踐項目是從應(yīng)用角度入手，例如，一個小規(guī)模的濾波器電路也涉及模擬電路、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等多門課的知識點。因此，如果大部分學(xué)生僅局限在某一專業(yè)課的范圍內(nèi)探索，那么專業(yè)知識內(nèi)容與多層次實踐活動就會存在較大鴻溝，無法對項目進(jìn)行指導(dǎo)。

因此，我們應(yīng)注意到從知識邏輯（課程講授）角度出發(fā)與從項目（應(yīng)用）角度出發(fā)的學(xué)習(xí)方法和教學(xué)方法具有較大不同，從而在課程環(huán)節(jié)中，需要從知識邏輯（課程講授）角度和項目（應(yīng)用）角度這兩個視角，為學(xué)生提供相應(yīng)的講授和實踐化鍛煉。只有這兩個角度交互印證，夯實教學(xué)基礎(chǔ)，并緊密結(jié)合理論知識內(nèi)容，才可以有力支撐學(xué)生進(jìn)行深化的融會貫通式學(xué)習(xí)。這也是在模擬領(lǐng)域課程群中引入CDIO理念的本質(zhì)目的[2]。

三、模擬領(lǐng)域課程群CDIO實施內(nèi)容

從知識邏輯和項目實踐二者并重的角度考慮，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計中，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，教師必須提供合理的資源和環(huán)境，并制定進(jìn)階式的項目導(dǎo)向工程環(huán)節(jié)，使學(xué)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(guān)專業(yè)課內(nèi)容，從而達(dá)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(shè)主要應(yīng)該包含以下幾方面內(nèi)容。

（一）課程環(huán)節(jié)設(shè)計

課程環(huán)節(jié)設(shè)計需要考慮多門專業(yè)課的交叉融合，既要抓住本門課的重點，又要關(guān)注交叉知識點的拓展，做到各環(huán)節(jié)內(nèi)容、環(huán)節(jié)步驟、環(huán)節(jié)交織上的邏輯關(guān)系無縫連接。主要環(huán)節(jié)包括如下內(nèi)容。

1.課堂講授。課堂講授環(huán)節(jié)分為教師講授和學(xué)生互動講授兩部分內(nèi)容。教師講授中，重點對本門課的知識架構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行解讀和傳授，并適當(dāng)配合一定的工程案例進(jìn)行簡要介紹。案例應(yīng)該包含相關(guān)課程的專業(yè)知識。教師在講授該知識點時，拓展到相關(guān)課程進(jìn)行適當(dāng)回顧，同時對交叉知識點進(jìn)行歸納、總結(jié)。之后，教師引導(dǎo)學(xué)生組成討論組，在對本門課理解的基礎(chǔ)上，重點對交叉知識點進(jìn)行細(xì)節(jié)討論，并及時向教師反饋尚未理解的內(nèi)容，在最短時間內(nèi)形成交互討論的環(huán)節(jié)，夯實復(fù)雜知識點內(nèi)容，從而完成整個知識體系的建立。

2.課后知識內(nèi)容自學(xué)梳理。在課后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生在完整的知識架構(gòu)下進(jìn)行自學(xué)和理解。這是一個逐步深化的環(huán)節(jié)，這部分內(nèi)容進(jìn)一步從教師講授為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自學(xué)為主。同時指導(dǎo)學(xué)生對重要交叉知識點進(jìn)行調(diào)研、查找文獻(xiàn)、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(diào)研與總結(jié)。將本門課重點與交叉知識點“打包”，根據(jù)項目實踐需求，劃定一定的調(diào)研范圍，具體實施內(nèi)容包括論文查閱、前修課程、后續(xù)課程相關(guān)知識點的匯總，最終形成調(diào)研報告。調(diào)研報告必須涵蓋本知識群的研究現(xiàn)狀、存在問題以及發(fā)展趨勢和改進(jìn)措施，同時引導(dǎo)學(xué)生形成自己的思路，提出新方法。

4.實驗實踐。在模擬領(lǐng)域課程群中，實驗實踐是重點環(huán)節(jié)。需要采用進(jìn)階式設(shè)計的方式，可細(xì)分為基礎(chǔ)實驗和進(jìn)階式實驗兩個層面?；A(chǔ)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(xué)生根據(jù)教師提供的實驗指導(dǎo)書和輔助材料，進(jìn)行基本的實驗操作，完成實驗報告。在進(jìn)階式實驗環(huán)節(jié)，教師選擇難度適中的實驗項目框架，學(xué)生從中細(xì)化實驗內(nèi)容，提出實驗設(shè)想、制定策略、實施解決方案、分析結(jié)果、總結(jié)經(jīng)驗，全自主完成實驗[3]。

（二）工程項目規(guī)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(guī)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(zhǔn)源等規(guī)模和難易程度適中的電路，明確各個項目的參數(shù)指標(biāo)和實現(xiàn)目標(biāo)，由2—3名學(xué)生組成項目組實施。其中一名學(xué)生作為組長，細(xì)分項目責(zé)任，逐步完成文獻(xiàn)調(diào)研、方案制訂、電路設(shè)計、報告總結(jié)等各項工作，充分鍛煉學(xué)生文獻(xiàn)獲取、重要信息提取、溝通交流、規(guī)劃、自學(xué)提高等重要能力。由于項目組長是項目制實踐的發(fā)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(jìn)行合理評估，確保其能夠保證后續(xù)項目的順利進(jìn)行。

（三）評價體系

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

參考文獻(xiàn)：

[1]馬俊成，張佳芬.基于CDIO的微電子學(xué)導(dǎo)論課程改革與教學(xué)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(xué)改革[J].科技風(fēng)，2015，（20）.

[3]孫麗莉.引入CDIO模式的《集成電路版圖設(shè)計》課程開發(fā)實踐[J].職業(yè)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）.