淺談案例教學(xué)對本科集成電路設(shè)計教學(xué)的影響

曹 超邊 棟 陳延湖 郭海君

（1.山東大學(xué)微電子學(xué)院 山東·濟南 250100；2.濟南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東·濟南 250000）

0 引言

集成電路是信息社會的支柱性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，隨著近幾年國內(nèi)外形勢的變化，集成電路的發(fā)展極為迅猛，《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2019—2020年版）》統(tǒng)計表明：截至2019年年底，我國直接從事集成電路產(chǎn)業(yè)的人員規(guī)模在51.19萬人左右，增長11.04%。按當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢及對應(yīng)人均產(chǎn)值推算，預(yù)計到2022年前后，全行業(yè)人才需求將達(dá)到74.45萬人左右，其中設(shè)計業(yè)需求缺口為27萬人。這對高校集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文所作的教學(xué)改革依托我院集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“案例教學(xué)與課程設(shè)計”課程，是“模擬集成電路設(shè)計”課程基礎(chǔ)的實踐提高課程，內(nèi)容包括典型模擬集成電路模塊、系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、版圖設(shè)計、后仿真等設(shè)計全流程，主要針對模擬集成電路設(shè)計理論要求高，學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生理解困難，理論與實踐脫節(jié)等等問題。北京華大九天軟件有限公司（“華大九天”）致力于提供專業(yè)的EDA解決方案，其模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)包括原理圖編輯工具、版圖編輯工具、電路仿真工具、物理驗證工具、寄生參數(shù)提取工具和可靠性分析工具等，為用戶提供了從電路到版圖、從設(shè)計到驗證的一站式完整解決方案。采用華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，可以顯著降低高校本科集成電路設(shè)計教學(xué)中EDA軟件投入較大的問題。本文將以“案例教學(xué)與課程設(shè)計”課程為實踐教學(xué)平臺，依托華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，在教學(xué)中采用項目設(shè)計案例配合理論講授的教學(xué)方法，并對本次的教學(xué)考查情況成效進行了分析和討論。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

“模擬集成電路設(shè)計”是當(dāng)前國內(nèi)各大集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)的必修課程，為了更好地完成教學(xué)，我院開設(shè)了“案例教學(xué)與課程設(shè)計”課程，作為該課程基礎(chǔ)上的實驗實踐提高課程，強調(diào)實際工程案例，幫助學(xué)生徹底掌握集成電路設(shè)計流程，擁有工程設(shè)計研發(fā)能力。對此調(diào)研了已有的教學(xué)研究文獻。文獻[1]提出了在研究生課程中本文提出了基于真實工程項目設(shè)計的案例式教學(xué)方法，開展了歷時三年的教學(xué)改革研究與實踐，說明其對學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的好處；文獻[2]提出了探究了一種面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革方法，使用Cadence等仿真軟件對理論知識建模和仿真分析，加深對理論知識理解；文獻[3]探討了一種設(shè)計類課程的教學(xué)方法改革方案與措施，改革課程內(nèi)容、教學(xué)手段等，取得良好效果；文獻[4]探索了如何利用集成電路設(shè)計大賽促使學(xué)生加深理解，提高設(shè)計，推動創(chuàng)新；文獻[5]探索了項目教學(xué)法在實際教學(xué)中的應(yīng)用；上述研究從案例研究、考核方法和課賽結(jié)合等多個維度探索了針對集成電路設(shè)計課程的教學(xué)改革，本文將在此基礎(chǔ)上針對本課程特點做進一步的教學(xué)探討。

2 課程設(shè)計

本文采用的實際教學(xué)依托我院集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“案例教學(xué)與課程設(shè)計”課程，開展了一學(xué)期的案例教學(xué)實踐?！鞍咐虒W(xué)與課程設(shè)計”課程為專業(yè)選修課，授課對象為17級集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)本科生，學(xué)時為64學(xué)時。

為了使學(xué)生完整掌握模擬集成電路設(shè)計全流程，分析解決遇到的復(fù)雜問題，教學(xué)中采用的案例為兩級運算放大器的設(shè)計。首先介紹和學(xué)習(xí)華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，其次在每一個設(shè)計環(huán)節(jié)講解中完成對應(yīng)功能模塊的設(shè)計，逐步推進最終完成整體案例項目設(shè)計。在整個教學(xué)中，突出以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)生的主觀能動性，減少傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)，增加參與式教學(xué)。轉(zhuǎn)變教師的角色，由傳統(tǒng)的教學(xué)活動主導(dǎo)者變?yōu)榻虒W(xué)活動協(xié)助者和參與者，解決指導(dǎo)學(xué)生們在設(shè)計過程中遇到的各種問題。在案例教學(xué)中，學(xué)生們可以完整經(jīng)歷實際工程設(shè)計中的完整流程，包括指標(biāo)分析、電路原理圖設(shè)計、仿真優(yōu)化、版圖設(shè)計、寄生參數(shù)提取、后仿真等。鼓勵學(xué)生根據(jù)設(shè)計指標(biāo)選擇不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，加大學(xué)生間的交流討論，提高學(xué)生分析問題和研發(fā)方案的能力。

3 分析與討論

經(jīng)過一學(xué)期學(xué)習(xí)，教學(xué)效果考核主要通過學(xué)生的項目實踐及實驗報告。學(xué)生的成績分布如圖1所示：

圖1：學(xué)生成績分析

可以看到采用華大九天Aether EDA工具，學(xué)生掌握并實現(xiàn)項目的情況較好。同時針對學(xué)生的問卷調(diào)查顯示，對于華大九天Aether EDA工具的優(yōu)點，83%的學(xué)生認(rèn)為界面清晰，操作便捷；67%的學(xué)生認(rèn)為仿真強大，功能多樣。對于其缺點，83%認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)資源太少，自主學(xué)習(xí)不便。

學(xué)生評教情況優(yōu)秀，反饋課程難度情況如圖2所示：

圖2：學(xué)生課程難度反饋

45%的學(xué)生認(rèn)為課程難度適中，說明采用華大九天AetherEDA工具，學(xué)習(xí)成本較小。18%同學(xué)認(rèn)為課程過難，不同水平的同學(xué)對課程的反饋差別較大，需要后續(xù)改進。

通過以上討論分析，可以看到案例教學(xué)可以提高學(xué)生分析、解決問題和設(shè)計研發(fā)的能力，做到以學(xué)生為中心，但是如何針對不同水平、不同特點的學(xué)生因材施教，保證參與課程的學(xué)生能夠全員實現(xiàn)是一個問題。針對此次教學(xué)中存在的問題和不足，后續(xù)采用如下方法進一步改進教學(xué)：

（1）設(shè)計和改進教學(xué)案例，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況及時調(diào)整增減設(shè)計案例；（2）劃分學(xué)習(xí)小組，組織學(xué)生討論、報告和展示，提高學(xué)生的參與度和主動性；（3）與同一課程組內(nèi)前后的相關(guān)課程做好銜接，做好課組內(nèi)教學(xué)活動的協(xié)調(diào)配合；（4）合理安排教學(xué)的課時學(xué)時，采用線上線下混合方式，增加線上的教學(xué)資源，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

模擬集成電路設(shè)計是集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，涉及復(fù)雜而全面的工程研發(fā)，如何通過案例教學(xué)形式將之前相關(guān)課程中的知識和技能融會貫通，把抽象的理論知識和具體的工程實踐結(jié)合起來，讓學(xué)生具有解決集成電路專業(yè)工程問題的能力，滿足用人單位的需求是教學(xué)中的一個難題。本文的工作在“案例教學(xué)與課程設(shè)計”課程中，提出了基于國產(chǎn)華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具的案例教學(xué)，開展了一學(xué)期的教學(xué)改革和實踐并介紹了具體的實施過程和實際的教學(xué)效果，所獲的教學(xué)數(shù)據(jù)表明采用案例教學(xué)能提高學(xué)生分析、解決問題和設(shè)計研發(fā)的能力，教學(xué)反饋較好，但不同水平學(xué)生的主觀感受和客觀表現(xiàn)存在差異，并提出了多條措施進一步改進案例教學(xué)。