以“學(xué)”為中心的集成電路專(zhuān)業(yè)教學(xué)課堂改革探索實(shí)踐

高博 李晶瑩

[摘 要]在微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)新工科建設(shè)中對(duì)“半導(dǎo)體集成電路原理”專(zhuān)業(yè)理論教學(xué)課堂改革開(kāi)展研究，旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的工程師。借鑒工信部國(guó)際名家講堂的教學(xué)形式，提出將以“學(xué)”為中心的科研討論融合到以教為主的理論課堂。在傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)活動(dòng)插入三個(gè)階段的考核：國(guó)際會(huì)議和期刊論文的研讀階段、特定主題電路設(shè)計(jì)的研討階段和EDA工具輔助項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)階段。通過(guò)實(shí)踐過(guò)程化考核教學(xué)模式，探索探究式課堂教學(xué)改革方法。學(xué)生在階段性學(xué)習(xí)中不斷提高，更積極主動(dòng)參與小班學(xué)習(xí)項(xiàng)目，提升對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知，鍛煉了解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新能力;集成電路;教學(xué)改革;工程師

[基金項(xiàng)目]2018年度四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目“政府、企業(yè)和高校協(xié)同培養(yǎng)模式的探索”（JG2018-78）

[作者簡(jiǎn)介]高 博（1975—），男，山東金鄉(xiāng)人，博士，四川大學(xué)物理學(xué)院副教授，主要從事基于硅基和化合物半導(dǎo)體工藝技術(shù)研究高速集成電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究;李晶瑩（1976—），女，四川成都人，碩士，四川大學(xué)教務(wù)處工程師（通信作者），主要從事教學(xué)改革和管理研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）33-0232-02[收稿日期] 2020-03-24

在通訊技術(shù)和人工智能高速發(fā)展的今天，我們的生活中處處可見(jiàn)與集成電路相關(guān)的應(yīng)用，集成電路行業(yè)產(chǎn)值和國(guó)家乃至國(guó)際生產(chǎn)總值（GDP）直接關(guān)聯(lián)，集成電路行業(yè)發(fā)展也成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的強(qiáng)國(guó)之路上不可缺少的一環(huán)。我國(guó)半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提出了對(duì)半導(dǎo)體集成電路類(lèi)工程師在數(shù)量和質(zhì)量上的需求。由于半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)性強(qiáng)，需要深厚的數(shù)理理論作為基礎(chǔ)，目前高校在有限課時(shí)內(nèi)對(duì)該專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案多數(shù)趨于理論知識(shí)，相對(duì)缺乏對(duì)本科學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)方案多種多樣，結(jié)合本?！疤骄渴?、小班化”課堂教學(xué)改革計(jì)劃[1]，踐行本科課堂“全過(guò)程考核”。針對(duì)“半導(dǎo)體集成電路原理”專(zhuān)業(yè)理論課程研討教學(xué)改革，借鑒工信部國(guó)際名家系列講堂教學(xué)形式，以科研能力培養(yǎng)為主線(xiàn)，在課程中引入論文研讀、科研討論和項(xiàng)目實(shí)踐，提高了學(xué)生的科研能力，教學(xué)改革成效顯著。

一、理論課程教學(xué)問(wèn)題和認(rèn)識(shí)

“半導(dǎo)體集成電路原理”是集成電路專(zhuān)業(yè)的必修理論課程，課程教學(xué)內(nèi)容從半導(dǎo)體工藝和器件的物理基礎(chǔ)開(kāi)始，逐步過(guò)渡到集成電路設(shè)計(jì)傳統(tǒng)教學(xué)形式主要采用以老師為主的課堂講授。由于高校課堂人數(shù)多，課程內(nèi)容的設(shè)置更偏向于基礎(chǔ)和原理的全面講解。課程教材中對(duì)實(shí)際電路的分析、設(shè)計(jì)和仿真實(shí)踐類(lèi)指導(dǎo)偏少。以至于同學(xué)們?cè)谥蟮募呻娐吩O(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中往往抓不住電路要點(diǎn)，達(dá)不到學(xué)以致用的目的。因此，在原有教學(xué)理論基礎(chǔ)上需要引入優(yōu)秀科研素材，增強(qiáng)學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)能力，搭建以學(xué)生為中心的動(dòng)手、動(dòng)腦緊密結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力。

“芯動(dòng)力”國(guó)際名家系列講堂中Willy Sansen教授是世界權(quán)威的模擬集成電路設(shè)計(jì)大師，國(guó)際電氣與電子工程學(xué)會(huì)終身會(huì)士（IEEE Life Fellow）[2]。與傳統(tǒng)講授方式相比，Willy Sansen教授的授課方式，課程主題明確，課堂上集中講授常用集成電路單元，引用大量科研論文實(shí)例分析拓展學(xué)員視野，組織學(xué)員開(kāi)展專(zhuān)題交流討論。

借鑒該模式，我們?cè)凇鞍雽?dǎo)體集成電路原理”課程教學(xué)活動(dòng)中引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)主題開(kāi)展科技論文研讀，通過(guò)研究生助教制度保障有主題的小班化論文研討課時(shí)，形成針對(duì)問(wèn)題的探究式自主學(xué)習(xí)氛圍。

二、課程教改方法與實(shí)踐

1.課程方案改革。針對(duì)傳統(tǒng)課程教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展論文研討類(lèi)小班教學(xué)環(huán)節(jié)。小班研討以集成電路的核心電路的分析與設(shè)計(jì)為主題，圍繞電路性能參數(shù)和穩(wěn)定性，梳理基于參數(shù)化設(shè)計(jì)技巧。鼓勵(lì)學(xué)生課后在Virtuoso全定制集成電路設(shè)計(jì)軟件輔助[3]下，針對(duì)國(guó)內(nèi)集成電路工藝技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路和版圖，并完成仿真和驗(yàn)證。研討教學(xué)形式活動(dòng)安排將學(xué)生作為中心，針對(duì)論文研究方向分類(lèi)建立研究生助教輔助管理下的小班主題項(xiàng)目、討論過(guò)程記錄整理。在課堂教學(xué)周內(nèi)分階段實(shí)施，具體如下：

第一階段，課程第一周頒布考核方案，組織學(xué)生閱讀近三年國(guó)際固態(tài)電子學(xué)的期刊、雜志和會(huì)議論文。在第五個(gè)教學(xué)周，審查學(xué)生閱讀情況，篩選出論文翻譯和閱讀工作優(yōu)秀的8～10個(gè)學(xué)生。在大班課程中組織6～8個(gè)學(xué)時(shí)針對(duì)論文中研究工作的討論課程，以學(xué)生進(jìn)行論文講述、交流提問(wèn)為主，要求學(xué)生整理出的論文中的集成電路設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)、要點(diǎn)和成果，總結(jié)出論文的創(chuàng)新點(diǎn)。通過(guò)提問(wèn)環(huán)節(jié)指導(dǎo)學(xué)生去收集分析針對(duì)特定指標(biāo)的設(shè)計(jì)框架和技術(shù)方法。這一階段的論文研討多數(shù)情況下會(huì)對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容提供有效的支撐、提供素材，縮短課堂理論教授部分內(nèi)容。

第二階段，課程中期和研究生助教一起依據(jù)學(xué)生一階段成果分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性，確立主題，按主題劃分小班，開(kāi)展以“學(xué)”為中心的小班化研討課時(shí)，共8～10個(gè)學(xué)時(shí)。以小班團(tuán)隊(duì)的形式從理論學(xué)習(xí)的基本概念和結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)比論文中不同結(jié)構(gòu)電路的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)自行建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案及電路實(shí)現(xiàn)方法。以運(yùn)算放大器項(xiàng)目學(xué)生科研實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)為例，學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)整理總結(jié)出基于EKV模型設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器的方法。首先選取對(duì)應(yīng)IC值，依據(jù)可選范圍優(yōu)化MOS晶體管尺寸，避免分析MOS管的工作區(qū)。學(xué)生在設(shè)計(jì)工作中反饋該設(shè)計(jì)方法更高效，并且能得到性能優(yōu)良的運(yùn)算放大器。

第三階段，在教學(xué)周最后3～4周，通常學(xué)生會(huì)較有興趣地借助全定制集成電路設(shè)計(jì)軟件Virtuoso動(dòng)手優(yōu)化和仿真電路，總結(jié)設(shè)計(jì)報(bào)告。這部分工作需要學(xué)生在課余時(shí)間完成，是學(xué)生自覺(jué)有目的性地忙起來(lái)。例如：學(xué)生按照所總結(jié)EKV模型[2]指導(dǎo)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一款增益自舉型運(yùn)算放大器電路和版圖，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

通過(guò)全過(guò)程中學(xué)生論文翻譯、研討和項(xiàng)目設(shè)計(jì)三次報(bào)告有效反映出每個(gè)學(xué)生掌握和利用所學(xué)去解決問(wèn)題的思考和動(dòng)手能力。

2.課程過(guò)程化考核方式。為達(dá)到培養(yǎng)本科生科研技術(shù)能力的目的，本理論課程教學(xué)必須開(kāi)展過(guò)程化考核。本課程考核方案分為三部分：課堂教學(xué)活動(dòng)、科研訓(xùn)練活動(dòng)和期末考試。其中科研訓(xùn)練活動(dòng)即是本次課程改革核心內(nèi)容，占到16個(gè)課時(shí)。該活動(dòng)過(guò)程中有論文翻譯、論文討論和整理記錄、電路設(shè)計(jì)三次考核，占總成績(jī)的40%。另外兩項(xiàng)：課堂教學(xué)活動(dòng)占20%，期末考試占40%。通過(guò)科研訓(xùn)練活動(dòng)貫穿理論課堂的教學(xué)活動(dòng)鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考能力、構(gòu)建學(xué)生工程思維，培養(yǎng)良好的工程師素養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)課程過(guò)程學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生科學(xué)研究能力。

三、課程改革成效和總結(jié)

通過(guò)教改活動(dòng)優(yōu)選了課程教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步明確了教學(xué)主題，并針對(duì)主題設(shè)置了不同考核內(nèi)容，在課程教學(xué)活動(dòng)中做到了讓學(xué)生忙起來(lái)。以“學(xué)”為主體的科研技術(shù)能力教學(xué)活動(dòng)形成了學(xué)生討論和分析集成電路的氣氛，學(xué)以致用增加了學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣。在課程改革中吸引了更多學(xué)生愿意參與課堂、主動(dòng)思考和動(dòng)手實(shí)踐，抓住了大部分學(xué)生學(xué)習(xí)課程。在后期學(xué)生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)工作中，從論文指導(dǎo)教師處得到反饋：學(xué)生在集成電路分析和EDA輔助設(shè)計(jì)能力上有所提高。部分畢業(yè)學(xué)生處得到反饋：在研究生一年級(jí)就順利進(jìn)入國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研工作。

依據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)過(guò)程必須注重?cái)?shù)理基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中理論性強(qiáng)，在課程改革中需要慎重考慮引入實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類(lèi)教學(xué)形式。本文借助對(duì)學(xué)生的科技論文研讀的指導(dǎo)、提取適合的主題項(xiàng)目，并引領(lǐng)學(xué)生針對(duì)項(xiàng)目構(gòu)建設(shè)計(jì)方法和流程，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新實(shí)踐能力。在三個(gè)階段的考核實(shí)施過(guò)程中開(kāi)展了一次新工科人才培養(yǎng)方式的探究。

參考文獻(xiàn)

[1]張紅偉，冉桂瓊.四川大學(xué)“以學(xué)生為中心”的教育教學(xué)改革與實(shí)踐[A].中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)大學(xué)素質(zhì)教育研究會(huì).2015年大學(xué)素質(zhì)教育高層論壇論文集—素質(zhì)教育與大學(xué)教育改革[C].北京：高等教育出版社，2015：108-114.

[2]Willy Sansen.Minimum Power in Analog Amplifying Blocks： Presenting a Design Procedure[J].IEEE Solid-State Circuit Magazine， 2015，7（4）：83-89.

[3]馬奎.集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)方法改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2020，（12）：125-127.

Exploration and Practice of Learning-centered Teaching Reform of Integrated Circuit Major

GAO Bo1， LI Jing-ying2

（1. College of Physics， Sichuan University， Chengdu， Sichuan， 610064， China;

2. Academic Affairs Office， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065， China）

Abstract： Under the background of the "emerging engineering" construction on microelectronics science and engineering， the major theoretical teaching classroom reform on Principles of Semiconductor Integrated Circuits is studied in order to cultivate engineers with innovative practice ability. Based on the teaching form of the international famous experts' lectures organized by the Ministry of Industry and Information Technology， it is proposed to integrate the scientific research discussion centered on "learning" into the theory classroom centered on teaching. Three learning stages are inserted into the traditional theory teaching process in classroom. They are the reading and research stage about international conference and journal papers， the discussion stage focusing on particular circuit design and the design practice stage using EDA tools. During practicing the course process assessment teaching model， the paper explores the inquiry teaching reform method in classroom. Students' learning ability is continuous improved after each learning stage. Students actively participate in small class project learning， which enhances their cognition of teaching contents， and strengthens their ability of solving practical problems.

Key words： innovation ability; integrated circuit; teaching reform; engineer