“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程教改與探索

史 君，喻 玲

（上海建橋?qū)W院 機(jī)電學(xué)院，上海201306）

0 引言

“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程是微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)方向課，是承載集成電路設(shè)計(jì)與芯片制造工藝的橋梁。版圖設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響芯片設(shè)計(jì)、制造效率與成本，直接決定芯片電路的性能優(yōu)劣，可見(jiàn)課程的地位和重要性。在以往的版圖課程教學(xué)中，教師多沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教師在講臺(tái)上講授，學(xué)生邊聽(tīng)邊記筆記邊練，在課堂教學(xué)中，以教師為中心，教師系統(tǒng)地講解理論知識(shí)演示經(jīng)典案例，學(xué)生被動(dòng)地聽(tīng)講接受，課后通過(guò)作業(yè)敦促學(xué)生學(xué)習(xí)，教學(xué)過(guò)程缺乏有效互動(dòng)，不符合OBE-CDIO的教學(xué)理念，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)現(xiàn)代新的人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

隨著先進(jìn)的教育理念的引入，使多元化、信息豐富的課堂教學(xué)成為可能，探索新的教學(xué)模式、研究新的教學(xué)方法勢(shì)在必行［1］；同時(shí)，由于我院地處中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)，借助2019年8月國(guó)家在中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)總體方案中［2］，建設(shè)集成電路綜合性產(chǎn)業(yè)基地的東風(fēng)，加強(qiáng)“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程改革建設(shè)義不容辭，為此，我們?yōu)檎n程建設(shè)做了不少工作。

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育OBE（Outcomes-based Education）模式的核心是教育系統(tǒng)的每個(gè)構(gòu)成部分都以學(xué)習(xí)成果為基礎(chǔ)或?qū)颍诮虒W(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)［3］。OBE最早由美國(guó)學(xué)者Spady在1981年提出來(lái)的，這一教育模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，持續(xù)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)從以教為中心到以學(xué)為中心和從以知識(shí)體系為中心到以能力達(dá)成為目標(biāo)的轉(zhuǎn)變，這正是課程改革的方向。

構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operating）則是承MIT麻省理工大學(xué)30多年以來(lái)的工程教育大改革的理念，讓學(xué)生以主動(dòng)、實(shí)踐和課程之間有機(jī)聯(lián)系學(xué)習(xí)工程的方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、溝通交流與表達(dá)能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神，非常符合國(guó)家對(duì)人才培養(yǎng)的要求［4］。

高校作為人才第一資源、科技第一生產(chǎn)力、創(chuàng)新第一動(dòng)力和文化第一軟實(shí)力的重要結(jié)合點(diǎn)，充分發(fā)揮教育優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)合格的社會(huì)主義建設(shè)人才，服務(wù)區(qū)域發(fā)展和社會(huì)發(fā)展意義重大，同時(shí)，也會(huì)使有志學(xué)習(xí)微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生受益，“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”作為微電子科學(xué)與工程重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)方向課教改勢(shì)在必行。

1 課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

OBE-CDIO理念的核心就是學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，并在教育實(shí)施過(guò)程中達(dá)成能力目標(biāo)，為此，OBECDIO理念下我們對(duì)“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)大綱進(jìn)行修訂，制定課程目標(biāo)與專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求相關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)照專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求反過(guò)來(lái)制定課程要求，如表1所示為“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程與專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)性表。其中L031、L032為課程專(zhuān)業(yè)要求，L051為課程思政點(diǎn)要求，這也體現(xiàn)了教育以人為本的教學(xué)理念。

表1 課程與專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)性

課程目標(biāo)/課程預(yù)期學(xué)習(xí)成果必須是可測(cè)量或者是能夠證明的，以“微電子卓越計(jì)劃”的普通高等教育應(yīng)用型本科計(jì)劃為基礎(chǔ)，通過(guò)考察企業(yè)用人單位對(duì)集成電路版圖工程師的需求，對(duì)“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容進(jìn)行整合，按照“課程預(yù)期學(xué)習(xí)成果、課程目標(biāo)（細(xì)化的預(yù)期學(xué)習(xí)成果）、教與學(xué)方式、評(píng)價(jià)方式”進(jìn)行課程內(nèi)容安排。

根據(jù)課程目標(biāo)要求設(shè)置課內(nèi)實(shí)驗(yàn)名稱及基本要求，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型（演示型、驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型）中大部分為設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)名稱及其基本要求

改革以往單一的閉卷筆試考試模式，采用1+X的評(píng)價(jià)方式，其中1表示期終考試（含上機(jī)考試）占比40%，X為平時(shí)多方面的表現(xiàn)評(píng)價(jià)，有課堂表現(xiàn)（X1）占20%、作業(yè)（X2）占20%、實(shí)驗(yàn)（x3）占20%來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終評(píng)定課程成績(jī)。

2 課堂教學(xué)改革與改善歷程

課堂教學(xué)改革是課程改革實(shí)施的主戰(zhàn)場(chǎng)，需要對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行周密教學(xué)設(shè)計(jì)，研究學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，科學(xué)利用BB網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、IOS9001國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及信息化多媒體多元化教學(xué)手段，圍繞著OBE-CDIO工程能力理念實(shí)施教學(xué)，本節(jié)主要從整合教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)實(shí)施方法和教學(xué)改善歷程三方面來(lái)進(jìn)行。

2.1 整合教學(xué)內(nèi)容

制訂好教學(xué)大綱，整合教學(xué)內(nèi)容是首要步驟，由于“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程沒(méi)有合適的教材，適用于我校應(yīng)用型普通高等教育本科微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，因此，我們自編講義，以O(shè)BE-CDIO工程能力本位為理念，優(yōu)化課程單元，將知識(shí)模塊設(shè)計(jì)成課程單元，同時(shí)，按照集成電路版圖設(shè)計(jì)流程組織課程單元，使課程內(nèi)容線索明晰，同時(shí)便于組織教學(xué)和實(shí)施，便于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中自我檢驗(yàn)和評(píng)估自身知識(shí)單元掌握情況，有針對(duì)性地解決重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容；在單元內(nèi)容的選擇上以“十三五”普通高等教育本科集成電路版圖設(shè)計(jì)教材為基礎(chǔ)，通過(guò)企業(yè)調(diào)研，將模塊單元以項(xiàng)目式組織與教學(xué)，引入項(xiàng)目式特色案例，逐漸形成自身特點(diǎn)。集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)理論環(huán)節(jié)極為重要，為了能夠有效地將集成電路知識(shí)和制造工藝結(jié)合起來(lái)，我們整合教學(xué)知識(shí)單元，在自編講義教材中很多地方都加入了器件剖面圖以幫助學(xué)生進(jìn)行電學(xué)分析，同時(shí)，結(jié)合器件平面圖幫助學(xué)生分析制造工藝與版圖的相互關(guān)系，通過(guò)為器件建立剖面圖和平面圖有效地將電學(xué)參數(shù)分析與工藝效應(yīng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

如表3所示，為單元3的半導(dǎo)體器件原理及版圖設(shè)計(jì)單元的教學(xué)內(nèi)容。其中，知識(shí)點(diǎn)以布魯姆的認(rèn)知教學(xué)目標(biāo)分類(lèi)（知道、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)）設(shè)置教學(xué)目標(biāo)要求，對(duì)每個(gè)知識(shí)單元所要達(dá)成的能力目標(biāo)提出要求，同時(shí)也指出單元學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

表3 半導(dǎo)體器件原理及版圖設(shè)計(jì)單元

2.2 課堂教學(xué)實(shí)施方法

課堂教學(xué)實(shí)施是整個(gè)教學(xué)改革的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)，要在有限的90分鐘里完成預(yù)定教學(xué)內(nèi)容的多元化教學(xué)難度不小，以正態(tài)分布概率來(lái)考慮全班學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果的個(gè)體特點(diǎn)，我們的教學(xué)設(shè)計(jì)主要包含這樣的教學(xué)模式，BB平臺(tái)的利用、IOS9001質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的單元內(nèi)容和信息化多媒體多元化教學(xué)手段，教學(xué)內(nèi)容在教學(xué)學(xué)期開(kāi)始前全部上BB網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)上網(wǎng)訪問(wèn)所需教學(xué)資料和相關(guān)內(nèi)容；上海建橋?qū)W院2018年6月通過(guò)ISO9001質(zhì)量管理體系驗(yàn)證以來(lái)，“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程注重課程內(nèi)涵建設(shè)，以質(zhì)量文化促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量，形成良好的課堂教育與學(xué)風(fēng)教育，把質(zhì)量?jī)r(jià)值觀落實(shí)到課程教學(xué)當(dāng)中；借助信息化多媒體使課堂教學(xué)多元化，通過(guò)科學(xué)調(diào)動(dòng)學(xué)生的眼、耳、腦、手和口的積極性有效地吸收課堂知識(shí)，將多種教學(xué)法運(yùn)用到課堂：?jiǎn)l(fā)式教學(xué)、理實(shí)一體化教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等教學(xué)方法，充分利用多媒體電子教室的虛擬桌面、屏幕廣播、學(xué)生演示、班級(jí)管理、投屏廣播與投影錄制等多重功能，引入線上、線下混合教學(xué)模式，有效實(shí)現(xiàn)與學(xué)生及時(shí)互動(dòng)，能夠及時(shí)反饋學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，解決了以往單一的教學(xué)模式。

2.3 教學(xué)改善歷程

“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程在2001年微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)建之時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，而課程建設(shè)得以迅速發(fā)展則是從2014年開(kāi)始，2014年上海市政府為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新提供185萬(wàn)元的專(zhuān)項(xiàng)扶植資金，2015年項(xiàng)目建設(shè)完成，利用這筆資金我們完成了電子技術(shù)EDA實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備更新和軟件升級(jí)改造，為“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”等課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)踐教學(xué)提供了升級(jí)設(shè)備和軟件，同時(shí)，通過(guò)校企合作，建立了從傳統(tǒng)0.6μm工藝、深亞微米0.18μm/0.13μm工藝到納米55 nm工藝的CMOS、MEM（存儲(chǔ)器）、RF（射頻）多套工藝庫(kù)。在課程建設(shè)過(guò)程中，2017年獲首批上海建橋?qū)W院重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)，2019年獲上海市重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目資助，成為微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)重要專(zhuān)業(yè)方向課程，使該課程獲得卓有成效地發(fā)展。在每個(gè)教學(xué)實(shí)施學(xué)期結(jié)束后，我們都會(huì)形成“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”教學(xué)改善歷程報(bào)告，對(duì)剛完成的教學(xué)實(shí)施情況進(jìn)行分析總結(jié)，以便進(jìn)行改進(jìn)。

3 能力培養(yǎng)

課程改革的重點(diǎn)在于學(xué)生能力培養(yǎng)，以學(xué)生掌握目標(biāo)知識(shí)和技能為目的，同時(shí)，能夠?qū)W有所用，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)在企業(yè)中找到一席之地，發(fā)揮自己的所長(zhǎng)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，僅靠課堂教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)是不夠的，我們實(shí)施的辦法有三個(gè)，一是通過(guò)版圖綜合實(shí)訓(xùn)來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)地訓(xùn)練，使學(xué)生能夠獲得工程版圖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生具有系統(tǒng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；二是，每學(xué)期開(kāi)展集成電路設(shè)計(jì)及驗(yàn)證第二拓展素質(zhì)學(xué)分課堂，適時(shí)介紹并引入拓展知識(shí)，旨在拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高認(rèn)知度和應(yīng)對(duì)綜合應(yīng)用問(wèn)題的能力；三是引導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽［5］，指導(dǎo)老師每年都為參賽學(xué)生舉辦集成電路競(jìng)賽培訓(xùn)班，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意思，在2019年組建的“創(chuàng)新之星”隊(duì)首獲第三屆全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新大賽“創(chuàng)新實(shí)踐”杯華東賽區(qū)三等獎(jiǎng)，有效地激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新積極性。

4 課程思政在教學(xué)中的運(yùn)用

“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程教改建設(shè)是為了更好地為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，在課堂教學(xué)過(guò)程中，將課堂思政融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)主義核心價(jià)值觀是教書(shū)育人的重要組成部分；集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)事關(guān)國(guó)之重器，挖掘思政元素注重價(jià)值引領(lǐng)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、責(zé)任意識(shí)和工作作風(fēng)［6］，將家國(guó)情懷、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維方法、工程實(shí)踐、科學(xué)實(shí)踐、大國(guó)工匠精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、做人道理、科技報(bào)國(guó)，使命擔(dān)當(dāng)?shù)人颊赜袡C(jī)地融入課程內(nèi)，有效發(fā)揮了專(zhuān)業(yè)課程作為思政主渠道的作用。如表4為部分知識(shí)單元融入課程思政教學(xué)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

表4 知識(shí)單元與課程思政教學(xué)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過(guò)在課堂中生動(dòng)地介紹思政元素人物及其事跡，使學(xué)生能夠有效理解對(duì)應(yīng)章節(jié)內(nèi)涵，對(duì)促進(jìn)課堂教學(xué)效果明顯，有助于達(dá)成課程目標(biāo)。

5 考核方式改革

改革單一的考試模式，以培養(yǎng)學(xué)生工程能力為目標(biāo)的考核方式應(yīng)該是科學(xué)化和多樣化的，綜合教學(xué)目標(biāo)，我們制定了幾種評(píng)價(jià)方式，圍繞評(píng)價(jià)方式，制定考核方案，如表5所示為課程目標(biāo)達(dá)成度中的評(píng)價(jià)方式，每個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)都設(shè)置有評(píng)價(jià)，以便及時(shí)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋；學(xué)生課程考核成績(jī)?cè)u(píng)定采用1+X的評(píng)定方式進(jìn)行，1為期末考試考核，包括筆試和上機(jī)操作考核（占比40%），X為平時(shí)評(píng)價(jià)考核（占比60%），分課堂表現(xiàn)評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)和課后評(píng)價(jià)三部分，各占20%分值，全面考核學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)，其中，線上、線下表現(xiàn)都記錄在3個(gè)X評(píng)價(jià)中，形成多元化全方位的評(píng)價(jià)考核模式。

表5 課程目標(biāo)達(dá)成度中的評(píng)價(jià)方式

6 結(jié)語(yǔ)

“集成電路版圖分析與設(shè)計(jì)”課程在OBE-CDIO教育理念的指引下，在課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)改革與改善歷程、能力培養(yǎng)、“課程思政”在教學(xué)中的運(yùn)用和考核方式改革五個(gè)方面進(jìn)行了有意義地教學(xué)改革和探索，做到課堂教學(xué)環(huán)節(jié)每堂課都有明確的知識(shí)單元，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)；根據(jù)版圖設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探索出課堂練習(xí)獨(dú)特操作方式，確保基本知識(shí)點(diǎn)分解透徹、練習(xí)到位。

以掌握好理論知識(shí)和操作技能為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合思政指標(biāo)，有機(jī)地在課堂上運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)以課程學(xué)習(xí)帶動(dòng)創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)；課外項(xiàng)目環(huán)節(jié)（拓展知識(shí)培訓(xùn)，競(jìng)賽項(xiàng)目，科技素質(zhì)小組，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目）激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、頭腦風(fēng)暴、團(tuán)結(jié)協(xié)作。在選題上關(guān)注國(guó)家、社會(huì)、民生問(wèn)題，激發(fā)同學(xué)們?yōu)閷?shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)一份自己的力量，深化“專(zhuān)業(yè)”素質(zhì)、“創(chuàng)新”精神、“工匠”精神和“責(zé)任”感，社會(huì)主義價(jià)值引領(lǐng)建設(shè)思路，同時(shí)，踐行了“感恩、回報(bào)、愛(ài)心、責(zé)任”的校訓(xùn)。