數字集成電路實驗教學改革與實踐

康海燕 馮曉麗 蔡覺平

摘 ?要：總結分析了當前高等院校數字集成電路實驗教學中存在的問題，并提出了實驗教學內容、教學模式以及考核方式三個方面的改革措施。教學實踐表明，通過這三個方面的教學改革可以在很大程度上提高學生對實驗的積極性與主觀能動性。

關鍵詞：數字集成電路;實驗教學改革;改革模式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0141-03

Abstract： This paper summarizes and analyzes the existing problems in the experimental teaching of digital integrated circuits in colleges and universities， and puts forward reform measures from three aspects： experimental teaching content， teaching model and assessment method. The practices prove that students can greatly improve the enthusiasm and subjective initiative of the experiment through these three aspects of teaching reform measures.

Keywords： digital integrated circuit; experimental teaching reform; reform model

引言

為維護國家經濟及國防安全，2018年集成電路被再次寫入政府工作報告，位列實體經濟發展的第一位，要發展集成電路產業，高素質的復合型創新人才是關鍵。而作為國家培養人才的高等院校，如何緊密圍繞我國集成電路產業快速發展對高水平人才的迫切需求，遵循集成電路發展規律，培養學生的實踐與創新能力，這對集成電路專業實踐教學體系提出了更高的要求。

數字集成電路實驗是集成電路專業理論性和實踐性緊密結合的一門基礎課程[1]，其在鞏固數字集成電路理論知識、培養學生的動手操作能力以及數字集成電路創新設計與靈活應用的能力等方面起著重要作用[2-5]。如何在國家集成電路快速發展的大背景下，培養學生運用理論知識解決實際問題的能力，增強學生電路設計與實踐創新能力是數字集成電路實驗課的主要目標所在[6]。然而，傳統的數字集成電路實驗教學模式已不能適應現代集成電路的發展需求，對數字集成電路實驗的教學手段、教學內容以及考核方式的改革勢在必行。

一、數字集成電路實驗存在的問題

（一）實驗內容簡單

目前大多數高等院校的數字集成電路實驗內容較為簡單，而且基礎性實驗所占比重較大[7]。基礎性實驗大都是基于EDA平臺實現[8-10]，例如CMOS反相器（inverter）實驗，學生首先基于HSPICES軟件使用NMOS和PMOS搭建反相器，并分析二極管及CMOS反相器的直流特性;其次，通過改變電源電壓以及MOS管的寬長比得到CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線（VTC）。通過這類基礎性實驗，學生雖然能夠加深對CMOS反相器的理解，但是內容簡單，缺乏綜合性。

（二）教學手段落后

傳統的實驗教學模式，即教師在課堂上給定學生實驗內容[11]，并采用集中授課的方式進行實驗原理以及操作步驟的講解，學生只須在規定的時間內得到預計的實驗結果，教師就給予實驗合格，很顯然，這種傳統的教學模式較為僵化，學生在課堂上按部就班的完成實驗即可，實驗的提前預習工作以及課后的問題討論等都不能落到實處，這種教學模式在很大程度上抑制了學生對實驗課程的主觀能動性。

（三）考核方式不合理

實驗課作為理論課的輔助課程，其成績只占理論課總成績很小的比重[12]。而且實驗課的最終成績主要是以實驗報告作為主要的衡量標準，然而學生課后所提交的實驗報告相似率極高，通過學生問卷調查發現，實驗報告抄襲現象較為嚴重，明顯違背了培養大綱的要求。因此，將實驗報告作為考核實驗的主要衡量標準顯然不能真實地反映學生實際的實驗操作能力。

二、數字集成電路實驗的改革措施

為了更好的解決現階段數字集成電路實驗中存在的問題，主要從教學內容、教學模式以及考核方式三個層面著手進行實驗教學改革，從根本上徹底改變學生對待實驗的觀念與態度，提高學生的主觀能動性，進而提高學生對數字集成電路的綜合設計能力。

（一）設計循序漸進的教學內容

我院數字集成電路實驗改革之前的實驗項目都屬于基礎與驗證性實驗，例如二極管及CMOS反相器直流特性實驗，其實驗目的主要是使學生掌握HSPICES軟件的使用方法，通過改變不同參數得到電壓傳輸特性曲線，從而使學生理解CMOS反相器電壓傳輸特性曲線的影響因素和調整方法。又例如搭建反相器網絡實驗，其實驗目的主要是使學生理解多扇出反相器鏈的性能優化方法。這些基礎性數字集成電路實驗側重于對理論課堂某一知識點的強化與鞏固，旨在夯實學生的理論知識。然而不同課程內容之間也無法實現有效的綜合和銜接，對學生創新與綜合能力的培養不足。

除了開設類似反相器這種基礎性實驗外，我實驗中心為了更好的提高學生的自主實驗能力，設計了一款基于Altera 片上系統（SoC）與FPGA的DE1-SoC 開發套件實驗箱以及實驗講義，如圖1所示。實驗箱將最新的雙核 Cortex-A9 嵌入式處理器與行業領先的可編程邏輯結合起來，能夠提供強大的硬件設計平臺，在實驗教學中與軟件配套使用，不僅豐富了實驗的內容，而且加強了實驗設計的靈活性。

基于實驗箱（SME2016型）與Quartus II 設計工具，我實驗中心面向集成電路專業的學生增加了LED點燈、交通信號燈、頻率計以及數碼管等六個基本的實驗項目，以數碼管掃描顯示電路實驗為例，其主要實驗目的是使學生理解數碼管的顯示原理以及掃描顯示原理，掌握基于Verilog HDL語言的數字電路設計方法以及FPGA的基本開發流程。通過以上實驗，學生已經能夠熟練掌握 FPGA的開發流程，并且根據自己的能力水平，還能夠自行設計一些難度較大的組合時序電路并通過將其加載至 FPGA 中進行驗證。此FPGA實驗平臺除了用于支撐本科生基于FPGA的數字電路實驗項目的開展，而且，該實驗平臺還提供了豐富的外設資源，便于研究生設計較為復雜的且綜合性較高的數字電路科學研究項目。

除了借助實驗箱實現一些簡單的實驗外，我實驗中心循序漸進的開展了一些具有綜合性設計的實驗項目。主要實驗內容有：計數器實驗，數字濾波器實驗以及SPI串行外設接口實驗等。這些實驗是采用Verilog HDL硬件描述語言編寫可綜合的代碼，利用工具Modelsim編寫測試平臺TestBench，給出輸入信號，驗證RTL代碼與SPEC的一致性。再使用Synopsys 公司的Design Compiler（DC）進行電路的邏輯綜合。Design Compiler的操作由Tcl命令來實現，還需要使用Modelsim進行時序仿真，利用Synopsys的Prime Time（PT）進行靜態時序分析，查看設計是否滿足時序要求。整個實驗的前端設計實驗環境都是在Linux環境下實現完成。

這類綜合性實驗是基礎性實驗的拓展、延伸和深化，主要實驗目的是通過這些綜合性實驗的實踐操作，使學生能夠深刻了解現代數字集成電路的設計流程，熟練掌握數字集成電路設計“利器”，即EDA工具的使用方法以及Verilog HDL硬件描述語言在數字集成電路設計中的應用，不僅能夠培養學生綜合運用知識的能力，而且能夠提高學生的創新能力，為學生日后從事數字集成電路設計奠定良好的基礎。

（二）多樣化的教學模式

根據實驗教學的特點，實驗教學改革必須采用多樣化的教學模式，我實驗中心提出“微課”+ 集中教學 + 實驗室開放三者相結合的教學模式，提高實驗實踐教學效果。在實驗集中授課之前，學生利用“微課”進行實驗預習，并完成實驗預習報告;在傳統集中授課課堂上，教師根據實驗預習的效果有針對性的進行講解，學生在課堂上完成實驗的核心內容;對于綜合性的數字集成電路實驗而言，實驗的設計性較強，課堂之后學生可以在開放實驗室繼續實驗，實驗中碰到的問題可以相互討論或者隨時咨詢開放實驗室的值班教師，學生在實驗室的實驗情況如圖2所示。待實驗完成后有計劃的安排學生進行分組答辯，并將答辯成績計入實驗總成績。通過這種多重的教學模式改革，從根本上提高了學生對實驗的積極性和主觀能動性。

此外，實驗中心計劃建立信息化的網絡教學平臺，通過此平臺，教師可以實時管理開放實驗室，查看開放實驗室的使用情況，還可以實時的發布實驗教學資源、完成實驗作業布置，作業批閱等功能，學生也可以進行課程資源共享、實驗報告遞交等任務，并可在線參與課程討論答疑，為師生的交流和研討等環節提供更便捷的途徑，方便了實驗教學活動的開展。該網絡教學平臺可以將實驗教學過程當中需要的課程文檔，產生的課程資料記錄在“案”，不僅動態記錄了實驗課程的開展進度，同時也記錄了學生不斷學習成長的腳步。

（三）“一對一”的考核方式

改變傳統的實驗課輔助理論課觀念，將實驗作為一門擁有獨立學分的必修課程。考核方式有實驗報告、實驗答辯以及實驗能力達標測試。而實驗報告與實驗答辯成績占總成績的20%，總成績的80%來源于“一對一”的實驗能力達標測試，即一個同學對應一套設備進行測試，這種考核方式能夠調動學生的積極性，加強學生對于實驗的緊迫感。

“一對一”的實驗能力測試考題范圍覆蓋所有已授內容且根據學生實驗水平的高低有難易度區分。學生首先在達標測試系統里預約與自己專業相關的測試題目，并根據預約時間到指定預約地點參加測試。測試時間段，學生按題目要求完成版圖設計、電路搭建、測試以及數據記錄和分析等，老師現場評測各項指標并按評分標準評定成績。如果初測不達標者，給予一次補測的機會，若補測不合格，直接影響學生的正常畢業。

三、教學改革成效

經過師生雙方的共同努力，數字集成電路設計實驗教學改革取得了不錯的成效，學生對數字集成電路設計的積極性與主觀能動性有了很大的提高。實驗教改之前，數字集成電路實驗課是隸屬于理論課的一部分，考試成績只占理論課很小的比分，學生認為只要聽好每一節理論課即可，對待實驗課的積極性不高，而且對于學習能力較強的學生，實驗內容較為簡單，缺乏挑戰性。

實驗教改之后，數字集成電路實驗作為一門擁有獨立學分的課程，擁有自己獨立的考核制度。學生在實驗課前不僅需要提前查找資料，做好實驗預習工作，而且還需要充分利用課外時間繼續實驗，方可在規定的時間內完成數字集成電路設計作業。實踐表明，雖然綜合性實驗的難度相對較大，但是大部分集成電路設計與集成系統專業的學生不僅能夠接受這種實驗，而且表現出濃厚的興趣。整個實驗流程以小組的形式組隊，隊員們根據各自的興趣愛好分工協作，極大地提高了學生對實驗的積極性。

實驗教改之后，學生對數字集成電路設計流程有了一個清晰的認識，熟練掌握了EDA軟件以及Verilog HDL程序設計語言，為后續的學習打下了良好的基礎。這在畢業設計階段體現的尤為明顯，由于前期在實驗課程中熟練掌握了設計工具以及程序語言，且能夠透徹的理解每個電路模塊的作用，因此，在畢業設計階段能夠快速完成電路設計，直接進入創新性難點攻克階段，不僅縮短了畢業設計的周期，而且提高了論文的質量。

四、結束語

通過在教學內容、教學模式以及考核方式三個方面的教學改革措施后，學生對數字集成電路實驗的學習態度有很大的轉變，并且對實驗的實際操作能力有很大的提升。然而，隨著集成電路的不斷發展，數字集成電路實驗的教學改革仍然是一個相當漫長的過程，如何將虛擬仿真應用到集成電路實驗中將是我們下一步的工作重點。

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