研究生課程教學中“三位一體”創新思維培養

羅 萍，周澤坤，樊 華, 蘇 琦

(電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 610054)

0 引言

研究生教育是為國家培養具有堅實基礎理論和系統專業知識，以及良好創新精神的高級專門人才的環節，是整個教育鏈的最高端。高質量研究生培養對我國實現教育強國具有重要意義。

課程學習是我國研究生培養過程中的重要環節，直接關系到研究生的教育質量和創新能力的培養[1]。本科教學目標在于扎實數理基礎、開啟專業之門、拓寬知識視野、培養學生綜合能力。而研究生教學重在夯實學生的專業知識、提升其知識靈活運用與駕馭能力、培養其創新思維能力和科學精神。

本文瞄準研究生創新思維能力培養目標，基于課堂教學主陣地，提出如圖1所示建立知識體系、應用案例分析、培養思維方法“三位一體”的研究生課程教學新模式，并將其運用于“模擬集成電路分析與設計”研究生課程教學中。

圖1 “三位一體”的研究生課程教學模式

1 建立知識體系

完整的知識體系是創新思維的基礎。所謂知識體系，就是把具有內在聯系或邏輯關系的大量不同的知識點，系統、有序地組合成某種類型的知識架構。有了這個知識架構，才能更好地理解問題、解決問題。

研究生課程教學是構建研究生知識、素質、能力的重要渠道。目前“啟發式教學”“課堂討論”[2]“案例分析”[3]等教學手段在研究生課程教學中廣為應用。但是，若這些手段運用不當，可能會讓學生只關注于教師拋出問題所涉及的某些知識點，導致學生僅掌握一些碎片化知識而非完整知識體系。碎片化知識，只能“頭疼治頭、腳痛醫腳”。相較于單純的知識積累，知識體系可顯著提升信息提取的有效性，知道事實之間的聯系遠比知道事實本身重要[4]。因此，知識體系的建立非常重要。

在有限的課堂學時下，如何讓學生掌握更多的知識，給課程教學帶來了很大的挑戰。課程知識體系的構建有助于學生快速把握課程教學的知識架構、形成課程內容的整體觀，并理解碎片知識的關聯性。

“模擬集成電路分析與設計”是一門內容多、難度大的研究生課程。利用思維導圖構建如圖2所示的課程知識體系，在首次課時就向同學們展示該課程的教學內容、所含章節知識點及其關聯性，從而讓學生快速建立起本課程項目知識概念、搭好體系框架。

圖2 “模擬集成電路分析與設計”課程知識體系

在具體學習某章節知識點時，還可以進一步細分圖2中的每一條枝干，形成章節內局域知識體系。以“Differential Amps”為例，對其細化后可獲得教材第三章的主要知識點和知識體系，如圖3所示。教師借助知識體系作為知識牽引，學生通過對課程整體知識體系的了解和對局域知識體系的展開，可做到粗細分明、脈絡清晰、張弛有度，從而很好地掌握本門課程的要領。

圖3 Differential Amps局域知識體系

2 運用案例分析

案例分析教學法，針對課程重點、難點，選擇合適的問題或事例作為案例，學生基于已有知識點對案例進行分析，經教師點評得出最終結論。

2.1 運用案例分析學習知識點

知識傳授是課程教學的主要任務。課程知識體系搭建好后，需要把具體的知識點補充上去。

本?！澳M集成電路分析與設計”研究生課程選用Willy Sansen先生編寫的《Analog Design Essentials》作為課程教材。該教材共24章777頁，涉及的知識點很多。同時，該教材編撰方式異于傳統教材，采用PPT配上少許文字介紹的形式。全書共計1462頁PPT，正文沒有任何公式推導，僅極簡的原理闡述，因此課程學習難度很大。在課程教學過程中，運用案例分析，選取具有代表性的知識點進行分析，可在知識系統完整的前提下，突出重點和難點，保證教學效果。

以圖3中的局域知識體系為例。圖3中無填充色的知識點為與前序課程教學內容有交疊的地方，而有填充色的地方為本教材新知識點內容。為了保持知識體系的完整性，對基礎知識點，采用教師問學生答等方式快速復習鞏固；對于教材新內容，教師則會在課前完成這些知識點電路的公式推導和仿真，課堂上引導性地給出部分電路的分析和仿真結果；對帶虛框的有代表性的電路則讓學生選做為完成分析的電路案例。如圖4中4-Input Current Differential Amps的電路。分析此電路案例，一方面可對比電流差分與電壓差分的不同，另一方面可鞏固CG枝干中的Coscode知識點，并將其靈活應用于新電路中。對該知識點，教材只有圖4(a)所示電路結構和iout的差分表達式，而無原理分析和公式推導。案例分析作業前一周布置后，同學們課后先自行分析，然后在第二周課堂上進行案例分析交流。圖4(b)和式(1)分別為同學在案例分析中給出的小信號等效電路和等效輸入電阻Rin1的分析結果。

作為省會的長沙，是湖南省的政治、經濟、文化、交通和科教中心，并在2016年入選中國15個“新一線城市”之列，作為長株潭城市群的核心城市，長沙市城市建設日新月異，城市化水平不斷提高，但城市建設所帶來的環境地質問題也日益突出，影響和制約著城市的發展，如城市垃圾產生量快速增加造成對城市的污染等。目前，長沙市垃圾填埋場是否適宜問題研究程度較低，本文采用層析分析法對該課題進行了初步研究，并提出了城市未來垃圾填埋場選址建議。

(a)電路結構

(1)

式中，gm1、gm2、gm3和gds1、gds2、gds3分別代表圖4中M1、M2、M3管的跨導和漏源電導。

合理運用案例分析教學不僅可以在有限的課堂時間傳授更多的知識、提高課程教學效率，同時還可以有效調動學生的主動性、加深學生對知識點的理解和學習、提升學生的分析能力、思維能力和解決問題的能力。

2.2 運用案例分析拓展知識面

教材知識不足以讓學生了解本學科技術前沿。適時補充這方面知識可拓展工科研究生知識面、提升從事科研工作的興趣。

為了在有限的課堂時間內學習到更多的新知識，了解更多模擬集成電路IC(Integrated Circuits)新結構、新思想，“模擬集成電路分析與設計”課程開課18年來一直引入文獻閱讀案例分析環節。通過安排學生閱讀近期ISSCC，JSSC，TCAS等學科領域重要國際會議材料、SCI期刊中的專業文獻，并要求撰寫閱讀心得，而后遴選部分學生在課堂上用PPT分享他們所讀文獻的內容，完成文獻案例分析的教學過程。

在選取文獻案例時，除了考慮該文獻能被同學理解得透徹之外，更要考慮文獻對課程重要知識點的應用度、提升度和學生的受眾性，如高性能的基準和運放方面的文獻就比高性能模數轉換器受眾面更廣。

有的學生在閱讀文獻時，還會對文獻中的電路進行仿真驗證，不僅可深入領悟文獻中電路的優點，而且還發現其不足之處，并給出修改建議，這對學生來說無疑是一個創新的過程。

文獻閱讀作為案例分析，不僅可以彌補教材建設滯后、教學內容陳舊的問題[5]，而且可以拓展學生視野、共享前沿知識，并強化學生自主學習和科技創新的意識。

2.3 運用案例分析塑造價值觀

“模擬集成電路分析與設計”課程知識點多、學時有限。教師就利用課間時間跟學生分享每周IC新聞與動態，如“模擬芯片創業大有可為”“臺積電三星新一輪爭奪戰開打”“利潤同比增10倍！中國芯片巨頭打出漂亮仗”等。通過課間插播業界新聞信息、報道相關行業政策，讓學生了解國內外集成電路領域產業鏈建設、技術發展動態、行業發展趨勢和個人肩負的使命。并從行業新聞中選3-4個思政案例，每個思政案例分析占用課堂2-5分鐘的時間，跟學生討論國內外集成電路設計的差距、我國IC業存在哪些“卡脖子”的問題、如何實現突破和提升我國IC設計水平、新工藝下模擬IC的設計挑戰等等，一方面鼓勵學生認真學習、未來擔當重任，另一方面也打開了學生的腦洞、調節了課堂嚴肅的氣氛。起到了塑造學生價值觀、提高學生學習興趣、引導學生多方位思考問題的作用。圖5圖6表現了學生、教師在這方面的活動。

圖5 學生做文獻閱讀案例分析

圖6 教師課間分享IC新聞

3 培養思維方法

思維模式是人才創新的動力與源泉[7]。如果說研究生“三位一體”課程教學中“建立知識體系、運用案例分析”是方法、是途徑，那么思維方法、創新能力的培養則是研究生課程教學的目標。

3.1 邏輯思維的培養

邏輯思維是人們借助概念、判斷、推理等思維形式認識事物本質、把握對象規律的認知過程，是創新思維的基礎。在知識學習和科學研究過程中，邏輯思維無處不在。邏輯思維能力是研究生應具備的基本能力，也是其培養的重要目標。

邏輯思維是基于已有知識和經驗，對新事物、新問題的觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理。

巧婦難為無米之炊，基礎知識的學習和構建是邏輯思維培養的根本。在課程教學中，讓學生梳理課程知識體系中各個知識點的關聯性、總結知識點由淺入深的變化規律、找尋其邏輯關系，進而完善知識體系，是培養學生找尋邏輯規律、進行歸納總結的邏輯思維方法的很好手段。

運用案例分析則是利用他人的經驗，訓練學生的邏輯思維的有效方法?；诎咐治?，引導學生分析案例中的對象是由什么基本電路組成？為什么要這樣設計？這樣的設計在功能、性能上有什么提升？這一案例的物理意義是什么？數學關系是什么？工程的可實現性如何？性價比如何？學生在回答這些問題的過程中，可逐步建立類比推理、綜合判斷的邏輯思維方法。

3.2 創新思維的培養

創新思維是指以獨特新穎的方法解決問題的思維過程，它是邏輯思維的延伸。創新思維以超常規甚至反常規的方法、視角去提出問題、思考問題，并給出獨辟蹊徑、與眾不同的解決方案，從而產生新穎的、獨到的、量變到質變的成果。

研究生應該是具有堅實專業知識，具有獨立思考能力、很強學習能力、豐富實踐能力的、明確價值取向的綜合性人才。

為訓練研究生們發現問題的能力，教師在案例選取和分析上不是全部包攬，而是通過有的放矢的啟發引導，在后面案例的選取和分析時讓學生在逐漸增加知識點的理解基礎上自主解決，只是遇到難點時才開展交流商討。這樣可根據每一屆學生生源與基礎的不同而靈活調整，做到因勢利導、因地制宜。總之，閱讀文獻的選取由學生根據興趣自己選擇，教師僅給出大方向和整體要求。找到問題、確定關注目標后，則通過案例分析培養學生的思維能力。通過鼓勵學生批判式地閱讀文獻，發現文獻所給電路的不足之處，并進行修改，由此培養其創新思維能力。

“模擬集成電路分析與設計”課程還安排了課程設計作業，讓3～5位學生組成一組設計一個模擬IC電路，進行實踐訓練。學生必須自學Hspice或Spectre等仿真軟件，再利用課堂中所學基本電路知識點、電路設計方法以及文獻中電路的設計新思想，才能完成課程設計要求的電路分析、參數設計、功能/性能仿真。課程設計是一個主動思考、積極創新的實踐過程、也是團隊協作、科學研究的一次嘗試，挑戰雖大，一旦完成，則能很好提升學生的IC創新思維能力和動手能力。

4 結語

本文提出建立知識體系、運用案例分析、培養思維方法“三位一體”的研究生課程教學模式，這一教學模式能充分體現研究生課堂教學中教師以知識牽引為主、授人予漁，學生以方法學習為主、發揮主動思考的育人思想。

以知識體系為牽引、以案例分析為手段、以培養研究生邏輯思維和創新思維方法為目標，利用“三位一體”的課程教學模式，提升了學生對課程整體知識快速掌握的能力以及創新思維能力。同時，在知識傳授的過程中，還完成對學生價值的塑造。