基于OBE的模擬集成電路設計課程教學改革探索

許佳雄，劉振

摘? 要：該文采用基于學習產出的教育（OBE）理念，針對模擬集成電路設計課程教學存在的問題，從教學內容、教學方式、考核方式等方面進行教學改革。在教學內容上引入電路仿真實踐環節，運用線上與線下結合、課內與課外結合的教學方式進行課程的教與學，增加平時考核權重，期末考核側重于考查工程應用能力。該教學改革能夠提高學生的學習積極性，提高學生對模擬集成電路理論知識、設計思想的掌握，并提高分析和解決問題的能力及工程實踐能力，為后續課程學習、參加集成電路學科競賽和科研項目、從事集成電路設計工作打下堅實的基礎。

關鍵詞：OBE；模擬集成電路設計；電路仿真；教學內容；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）18-0134-04

Abstract： In order to solve the problems existing in the course of Design of AnalogIntegrated Circuit， the concept of outcomes-based education（OBE） is used for the teaching reform from the aspects of teaching content， teaching methods and examination methods. The circuit simulation practices are introduced into the teaching content. The teaching and learning of the course are carried out combining online and offline， in class and out of class methods. The ratio of usual performance is increased， and the final examination focuses on the assessment of engineering application ability. The course reform in this paper can enhance students' learning enthusiasm， mastery of theoretical knowledge and design ideas for analog integrated circuit， ability to analyze and solve problems， and engineering practice ability. It can establish solid foundations for learning follow-up course， participating in integrated circuit competitions and scientific projects， and engaging in integrated circuit design.

Keywords： OBE; design of analog integrated circuit; circuit simulation; content of courses; teaching reform

集成電路是現代信息技術的核心與基石，也是支撐國家經濟社會發展的戰略性和先導性產業。集成電路核心技術已成為中國高科技發展的“卡脖子”問題。發展中國自主的集成電路關鍵技術，打破國外壟斷，具有重要性和緊迫性。2021年1月，《國務院學位委員會 教育部關于設置“交叉學科”門類、“集成電路科學與工程”和“國家安全學”一級學科的通知》中決定，設立“集成電路科學與工程”一級學科，為培養集成電路產業發展急需的創新型人才提供有力保障[1]。在此背景下，對高校集成電路相關的專業建設、課程教學、學生培養等提出了更高的要求。本科教學是培養集成電路人才的重要途徑，通過教學改革提高集成電路相關課程的教學質量、人才培養質量，具有重要意義。

在集成電路產業鏈中，設計是首要環節，模擬集成電路設計在集成電路設計中占據舉足輕重的地位[2]。模擬集成電路設計是廣東工業大學微電子科學與工程專業的核心課程，學生主要學習單級放大器、差動放大器、電流鏡等基本模擬集成電路的分析與設計方法，教學目標為培養學生具備初步的模擬集成電路設計能力，包括高效率的模擬集成電路直覺分析能力、各項設計指標之間的綜合考慮與折中處理等。

本文首先分析當前模擬集成電路設計課程教學存在的問題，提出采用“基于學習產出的教育”（OBE）理念，從課程內容、教學方式、考核方式等方面對模擬集成電路設計課程進行教學改革。本文具體闡述基于OBE的教學改革措施，分析教學改革效果。本教學改革能夠提高學生的學習積極性、對模擬集成電路設計方法與思想的掌握、分析和解決問題的能力及工程實踐能力，對新工科專業的工程教育改革具有促進作用和推廣價值。

一? 模擬集成電路設計課程教學存在問題分析

模擬集成電路設計課程的學習難度較高。課程采用經典的拉扎維《模擬CMOS集成電路設計》教材，主要學習采用基本方法對基本結構的模擬集成電路進行分析與設計[3]。雖然基本分析方法本身不難，但應用到具體電路進行分析時，會遇到電路結構復雜性、參數變化對電路有較大影響、需要大量公式推導等問題，使初學者面臨一定的學習困難，閱讀教材、課堂聽講經常遇到不懂的地方，影響學習興趣和積極性。在以往的課程教學中，作者盡可能采用淺顯易懂的方式講解知識點，對學生反映的教材難懂語句進行深入、擴展講解，并強調各章節內容之間的關聯以構成課程有機整體，取得一定的教學效果。但由于課程本身難度的限制，如何使學生更有效地學習課程知識、提高學生的學習興趣、培養學生的專業技能與工程應用能力等，仍是本課程教學面臨的關鍵問題。

模擬集成電路設計課程的課堂教學與教材以理論學習為主，較少涉及電路仿真等實踐環節。課程對電路的分析側重公式推導，得到所需表達式進行定性分析，較少涉及包含具體數值的定量分析。課程考核存在重理論輕實踐的問題，平時成績以考勤和作業為主，期末考試命題以常規電路分析題為主，缺少對解決實際電路設計問題的考核。這些因素導致學生在課程學習中局限于對電路的理論分析，與電路設計實踐存在脫節，對實際的集成電路設計的折中處理思想缺乏直觀地認識和理解，難以有效、全面地理解電路設計，缺乏從工程應用角度進行設計的能力。在后續的集成電路課程設計實踐課中，大部分學生在對設計的電路進行調試時，無法有效應用所學知識，只能隨意地調節器件參數，設計效率低。

二? 教學改革措施

針對上述分析的模擬集成電路設計課程教學存在的問題，有必要進行教學改革以滿足集成電路學科對工程教育培養的新要求。OBE（Outcomes-Based Education）指“基于學習產出的教育”，采用以學生“學”為中心的教學方式，區別于傳統的以教師“教”為主的教學模式[4，5]。OBE理念圍繞學生通過課程學習取得的成果開展教學活動。OBE教學模式著重于培養學生的學習與創新能力、分析與解決問題能力，培養適應社會需求的創新型工程人才。鑒于模擬集成電路設計課程的理論體系與實踐需求，適合應用OBE理念與教學模式進行課程教學改革。

基于OBE理念，在模擬集成電路設計課程課程教學內容上引入電路仿真實踐環節，使學生對模擬集成電路有更全面、深入地理解。在教學方式上運用雨課堂等網絡教學工具，增加課堂練習以實時掌握學生的學習效果，并采用線上與線下結合、課內與課外結合的方式進行課程的教與學。課程考核方面，增加平時成績權重，將課堂練習與電路仿真納入平時考核，期末考試命題增加電路仿真、設計類和綜合類題型的比例，側重于考查學生的工程應用能力。以下具體闡述課程教學改革措施。

（一）? 增加電路仿真教學內容

根據模擬集成電路設計課程（以下簡稱“本課程”）教學內容，設置電阻負載共源級仿真、共源共柵級仿真、基本差動對仿真、五管運算放大器的頻率特性和噪聲仿真四個基本電路仿真實踐。在同一學期開設的集成電路設計與布局實驗課程中，學生先學習集成電路仿真軟件的基本操作，包括繪制電路原理圖、生成網表文件、電路的直流與瞬態仿真等。在本課程的每個基礎電路仿真實踐中，給定電路結構和器件參數，按學生學號的尾數設置不同的參數值。學生在電路仿真軟件中繪制電路圖，輸入器件參數，并學會輸入電壓源的設置方法，包括大信號輸入與小信號輸入、共模輸入與差模輸入等。將電路原理圖轉換為網表文件，根據學號尾數加載不同的模型文件。接著進行電路仿真，對前三個電路通過直流仿真確定電路的靜態工作點或輸入共模電平；根據獲得的輸入直流條件，進行小信號傳輸函數仿真，得到電路的小信號增益、輸入阻抗和輸出阻抗，再通過瞬態仿真得到輸出電壓隨輸入電壓的變化曲線，計算出電路的小信號增益或差模增益、共模增益、共模抑制比等。根據模型文件的參數值和對電路的理論分析，手工計算電路的增益，與仿真結果進行對比。最后改變器件參數值，例如負載電阻阻值、晶體管尺寸等，分析對電路性能的影響，應用所學知識解釋仿真結果。對于第四個電路五管運算放大器的仿真，先設置輸入為共模，進行直流仿真，得到輸出電壓隨輸入共模電平變化曲線，確定合適的輸入共模電平，確保電路所有場效應晶體管處于飽和區；在輸入共模電平基礎上疊加差模輸入，進行瞬態仿真，得到輸出電壓、輸入電壓隨時間變化曲線，計算差模增益；進行交流仿真，將輸入設置為兩個反相的交流電壓源，仿真輸出電壓的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，計算低頻增益、-3 dB帶寬、單位增益帶寬、相位裕度等；進行噪聲仿真，仿真輸出噪聲電壓、輸入噪聲電壓隨頻率的變化曲線，解釋仿真結果。

課前撰寫每個仿真實踐的指導書，給定仿真任務、電路圖、器件參數，對于重要的仿真步驟提供仿真方法指導和參考語句。在學習相關的電路理論內容之后，將電路仿真指導書提供給學生，布置電路仿真任務。學生根據前期已學習的軟件操作基礎，參照指導書進行電路仿真與分析。學生完成電路仿真后，撰寫仿真報告，內容包括電路原理圖、仿真程序、仿真波形圖和仿真結果分析等。教師評閱學生提交的仿真報告，根據電路仿真完成情況，評定五級制分數，作為課程平時成績的一部分。

（二）? 線上與線下結合、課內與課外結合的教學方式改革

線上教學采用微信、雨課堂等工具，課前給學生推送預習內容，課后給學生推送習題、網絡學習資源等。錄制對部分課程內容、教材內容、習題的補充講解視頻，提供給學生觀看學習；課余時間與學生通過網絡進行課程交流、討論與答疑。

線下的課堂教學在教師講解知識點的基礎上，增加基于雨課堂的課堂練習與題目講解[6-7]。課堂練習題以選擇題、判斷題為主，每次課設置5道左右習題，考查學生課前預習及課堂聽課效果。題目包括基礎題和提高題，以基礎題為主。基礎題是對課程基礎知識的考查，學生只要認真預習、課堂聽課就能正確作答，基礎題能夠反映學生的學習態度，了解學生學習的薄弱環節。提高題為中等難度，在課本、課堂教學中無答案，學生需要應用基礎知識進行初步的分析、推理，相比基礎題進一步考查學生對知識點的掌握和應用情況。此外，運用雨課堂的簽到、不懂反饋、投稿、課堂表現統計等功能，及時掌握學生的課堂學習效果。

（三）? 完善課程考核方式

增加課程過程考核，將平時成績比例提高到40%。平時成績包括電路仿真、課堂練習、作業和考勤，四個電路仿真按五級制評分進行折算。通過雨課堂平臺自動統計每位學生的課堂練習得分率，對課本習題進行適當改編作為作業題，部分作業題的難度較高，需要學生綜合應用基礎知識對電路進行深入分析，且存在多個易錯點，對學生學習能力要求較高。批改每章作業題，登記作業得分。每次課進行考勤登記，考勤只作為平時成績的扣分項。

期末考試占總成績比例降為60%。考試命題適當增加與電路仿真相關的題目，例如根據網表文件畫出電路圖、分析網表文件存在的錯誤并修正、分析電路仿真波形出現的錯誤并給出修改方法等類型的題目，考查學生的仿真實踐能力。增加設計類、綜合類題目，注重考查學生應用知識解決問題的能力。減少常規的基本概念類、電路計算分析類題型。

三? 教學改革效果

在2019—2020學年因新冠病毒感染疫情實行全部課時線上教學基礎上，2020—2021學期18級微電子科學與工程專業的模擬集成電路設計課程實行全面的OBE教學改革。絕大多數學生能夠按時完成電路仿真任務，提交電路仿真報告。表1為各次仿真成績統計，每次仿真的優良率均超過90%，表明大部分學生能夠按照仿真指導書的指引，應用所學課程知識進行相應電路的仿真實踐。第4次仿真涉及確定輸入共模電平、交流仿真獲得放大器的頻率特性與噪聲仿真等，難度較高，導致優秀比例低于前3次仿真。部分學生能夠對電路、仿真結果進行詳細分析，獲得所需數據，較好地將所學基礎知識應用于電路仿真。仿真得到的某些變化曲線與課程所學內容存在偏差，部分學生能夠從晶體管不同工作區間的角度進行有效分析與解釋。除了仿真指導書提供的仿真方法與仿真語句，有學生能夠自學其它的仿真語句并應用于仿真實踐，可以更有效地進行電路仿真，或得到更多的仿真結果。通過電路仿真實踐，學生學會基本的模擬集成電路原理圖繪制及直流、瞬態、交流仿真方法，通過理論學習與仿真實踐的結合，對模擬集成電路有更全面、深入的理解，對模擬集成電路的直覺分析、各設計指標之間的折中處理有更直觀的認識，有利于提高運用知識解決實際問題的能力，提高課程學習效果。

采用雨課堂工具進行課堂和課后習題練習，大部分習題為基礎題，通過課堂習題練習，可以及時檢驗學生預習、聽課、復習效果，使學生加強平時課程學習，避免僅在期末考試之前進行突擊學習。課堂習題練習環節還可以增強課堂互動，每道題答題結束后展示答題情況統計，有針對性進行講解。整個課程共安排138道課堂和課后習題，圖1為習題得分率的分段人數統計。答題總體情況不夠理想，得分率超過80%的學生僅3人，占3.6%；得分率為60%～70%的人數最多；得分率不及格的人數達到38人，比例高達45%。習題得分率低的原因包括答題時間較短不足夠充分思考、網速較慢導致未在規定時間內作答、部分學生遺忘課后習題作答、少數學生缺勤拉低得分率及課程難度高使部分學生的學習跟不上課程進度等。

作業完成情況優于往年，優良率超過80%。絕大多數學生能夠按時完成并提交作業，作業雷同情況少見。大部分學生能夠正確作答基礎題，表明能掌握課程基礎知識。對于難度較高的分析或計算題，特別是分析電路某個參數的變化趨勢類題目，部分學生能夠對各種可能存在的情況進行詳細分析并進行半定量計算，獲得變化曲線，但也存在部分學生僅能簡單列出晶體管工作區間和基本公式，未能有效分析參數變化原因等問題。

圖2為期末考試卷面分數統計，最高分96分，80～89分數段的人數最多，超過80分的比例為38.1%，及格率76.2%，平均分69.1分。表2為兩道仿真題的得分情況統計，兩道題作答情況差別較大。畫電路圖題要求根據給出的網表文件畫出電路原理圖，大部分學生能夠正確作答，超過一半的學生得滿分，表明學生能夠掌握網表文件語句的含義、網表文件與電路原理圖之間的對應關系。網表文件改錯題的作答情況一般，該題作答時需留意網表文件的細節，得滿分難度較高，此外部分學生將正確的語句誤認為錯誤，平均得分率僅52.4%說明學生較依賴軟件直接生成相關語句，對于基本語句的結構與用法的掌握仍較薄弱。

四? 結束語

采用基于學習產出、以學生學習為主的OBE理念對微電子科學與工程專業的核心課程模擬集成電路設計進行教學改革。課程教學內容增加基礎模擬集成電路的仿真實踐環節，課堂教學方式采用雨課堂平臺進行課堂練習、課堂交流互動，課后進行線上學習與交流，考核方面增加平時成績比例，期末考試命題增加電路仿真、電路綜合設計與分析等題型。以電路仿真為主的教學改革可以使學生提高學習積極性，提高對模擬集成電路設計方法與思想的掌握，初步掌握模擬集成電路的直覺分析能力，提高分析和解決實際問題的能力及工程實踐能力，有利于學生參加與集成電路相關的科技競賽、申報大學生創新創業訓練項目等。

模擬集成電路設計課程教學仍需進行持續改進，可設置更多的電路仿真任務供學生選擇，提供更有效的仿真方法，與課程內容聯系更緊密的電路仿真結果分析，適當增加模擬集成電路版圖設計內容等；針對學生學習薄弱環節，修改或增加相應的課堂和課后習題、作業題；課程教學增加翻轉課堂、課堂討論環節，講解更多的電路設計實例；提供更多的網絡學習資源；進一步提高課程預習的考核比重等。

參考文獻：

[1] 國務院學位委員會 教育部關于設置“交叉學科”門類、“集成電路科學與工程”和“國家安全學”一級學科的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-01/14/content_5579799.htm.

[2] 劉偉景，湯乃云，陳磊，等.模擬集成電路分析與設計教學實踐研究[J]．高教學刊，2018（5）：118-120.

[3] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計（第2版）[M].西安：西安交通大學出版社，2018.

[4] 孫元.OBE-PBL模式下電路分析課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（52）：206-207.

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[7] 高震森，孫粵輝．雨課堂+翻轉課堂在通信工程新工科專業教學中的應用探索[J]．高教學刊，2021（18）：115-118，122.