面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路專業(yè)本科教學(xué)改革研究

姜 賽，張 含，邱建華

（常州大學(xué) 微電子與控制工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路作為電子工程領(lǐng)域的核心技術(shù)，在現(xiàn)代社會中扮演著舉足輕重的角色。從智能手機(jī)到人工智能系統(tǒng)，從物聯(lián)網(wǎng)到自動駕駛，集成電路的應(yīng)用無處不在，推動著科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，我國集成電路產(chǎn)業(yè)在技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新能力等方面都有了很大的提高，但與國際先進(jìn)水平相比還存在較大差距。因此，我國還需要加強(qiáng)自主創(chuàng)新和核心技術(shù)研發(fā)，提高產(chǎn)業(yè)鏈整合能力和國際競爭力。同時，集成電路的人才培養(yǎng)成為提高人才核心競爭力重要的方法。因此，集成電路本科教學(xué)改革研究成為備受討論的教學(xué)課題之一，引起產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府多方共同關(guān)注［1］。傳統(tǒng)的集成電路教學(xué)往往以理論知識為主導(dǎo)，側(cè)重于學(xué)生的理論知識掌握，忽視了學(xué)生在實際工作中所需的技能和實踐能力。而當(dāng)學(xué)生畢業(yè)后步入職場時，他們常常面臨實際工作任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性，從而出現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)的情況。這不僅對學(xué)生個人的職業(yè)發(fā)展造成了困擾，也對產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。因此，面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路教學(xué)改革勢在必行［2-3］。

本研究旨在探索面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路教學(xué)改革的策略和方法，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研融合的集成電路教學(xué)課程體系，進(jìn)一步提出明確的面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路本科教學(xué)改革具體實施策略，以提高學(xué)生的綜合能力和就業(yè)競爭力。通過與企業(yè)合作，將課程內(nèi)容與實際工作需求相結(jié)合，設(shè)計出符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的課程設(shè)置方案。同時，采用基于項目驅(qū)動的教學(xué)方法，通過實際項目的設(shè)計和實施，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和解決問題的能力。此外，我們還將重視實踐環(huán)節(jié)，在實驗室實踐、實習(xí)和實訓(xùn)等環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實際操作中，提升他們的實際技能和職業(yè)素養(yǎng)。本研究的意義在于，通過對面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路教學(xué)改革的深入研究，我們可以為高等教育提供更加適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的教學(xué)模式和培養(yǎng)方案。同時，該研究也對高校教師的教學(xué)改革提供借鑒和參考，促進(jìn)教育與產(chǎn)業(yè)之間的緊密對接。

一、面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路教學(xué)課程設(shè)置改革方法

（一）面向集成電路產(chǎn)業(yè)需求的課程設(shè)置原則

2020年8月，國務(wù)院印發(fā)《新時期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》。在“人才政策”部分，該政策稱，緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求及時調(diào)整課程設(shè)置、教學(xué)計劃和教學(xué)方式，努力培養(yǎng)復(fù)合型、實用型的高水平人才［4］。在國家政策和產(chǎn)業(yè)需求的背景下，集成電路專業(yè)的教學(xué)將更加注重產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，以應(yīng)對快速發(fā)展的行業(yè)要求和迫切的人才需求。課程的設(shè)置在保持基礎(chǔ)性的前提下，更加注重實用性和前瞻性。構(gòu)建“半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)—半導(dǎo)體制造工藝—集成電路設(shè)計實現(xiàn)—集成片上系統(tǒng)設(shè)計”的“自下向上”的完整漸進(jìn)式專業(yè)課程體系，通過校企融合教學(xué)和實訓(xùn)，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐能力和系統(tǒng)集成能力，融合面向產(chǎn)業(yè)需求的新器件、新工藝和新應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)方法，構(gòu)成滿足OBE教學(xué)理念的人才培養(yǎng)體系。

（二）融合產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)需求的課程改革方法

面向改革需求，我們構(gòu)建了面向產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、面向產(chǎn)業(yè)需求核心理論課程、面向產(chǎn)業(yè)需求校企融合實踐和面向產(chǎn)業(yè)需求企業(yè)級實訓(xùn)的閉環(huán)課程體系，形成“從產(chǎn)業(yè)中來，到產(chǎn)業(yè)中去”的核心思想（見圖1）。首先，針對產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，我們將教學(xué)細(xì)分為集成電路制造—工藝開發(fā)、集成電路設(shè)計、集成電路制造—晶圓生產(chǎn)和集成電路封測四個主流階段。其次，對于每一個產(chǎn)業(yè)細(xì)分，再融合產(chǎn)學(xué)研的發(fā)展需求，建立“基礎(chǔ)理論—校企實踐—企業(yè)級實訓(xùn)”課程。基礎(chǔ)理論課設(shè)置兼具基礎(chǔ)性和前瞻性，以“面向集成電路制造—工藝開發(fā)階段”為例，其核心理論課程包含半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件與工藝和集成電路設(shè)計基礎(chǔ)等基礎(chǔ)課程；其核心實踐課程包括半導(dǎo)體器件TCAD設(shè)計仿真、功率器件建模仿真和納米FinFET器件物理與模型等校企融合課程。該類課程以校內(nèi)教師為教學(xué)主體，企業(yè)導(dǎo)師講授應(yīng)用性知識并指導(dǎo)實踐環(huán)節(jié)。最后，該課程體系還建立企業(yè)級PLL設(shè)計實踐、企業(yè)級MCU設(shè)計實戰(zhàn)和企業(yè)級Macro布局布線等企業(yè)級實訓(xùn)。面向產(chǎn)業(yè)前沿新興技術(shù)領(lǐng)域的課程設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合，以產(chǎn)業(yè)的實際需求，快速更新教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)市場和企業(yè)發(fā)展。這樣，學(xué)生所學(xué)的知識和技能將與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求緊密契合，有助于提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

圖1 面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路教學(xué)課程設(shè)置流程

因此，融合產(chǎn)業(yè)前沿新興技術(shù)需求的課程設(shè)置方法是一種面向未來的教育策略，它能夠滿足將學(xué)生培養(yǎng)成具備多學(xué)科知識和實踐能力的復(fù)合型人才，以適應(yīng)快速發(fā)展的科技產(chǎn)業(yè)，以及推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和進(jìn)步的需求。這種方法不僅有利于學(xué)生個人職業(yè)發(fā)展，也能為社會和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

二、面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路本科教學(xué)改革具體實施策略

（一）面向產(chǎn)業(yè)需求的集成電路本科教學(xué)改革核心

在集成電路本科教學(xué)中，我們需要將OBE教學(xué)理念和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面的改革。OBE教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。以O(shè)BE教學(xué)理念為導(dǎo)向，加強(qiáng)學(xué)生對集成電路設(shè)計基本原理和方法的掌握，強(qiáng)化學(xué)生對制造工藝、成本管理和環(huán)境安全等方面的了解，加強(qiáng)學(xué)生對半導(dǎo)體測試流程和測試設(shè)備的了解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實操能力。以企業(yè)項目作為教學(xué)體系的中心，構(gòu)建系統(tǒng)的校內(nèi)理論和實驗課程，以及校外理論和實訓(xùn)課題。通過實際項目的教學(xué)，讓學(xué)生對半導(dǎo)體芯片設(shè)計、制造工藝和封測充分理解，了解實際工作中所面臨的問題和解決方法，提高其實踐能力和解決問題的能力。對于課程評價改革，通過引入企業(yè)導(dǎo)師和校內(nèi)導(dǎo)師雙軌評價機(jī)制，對學(xué)生實訓(xùn)參與度、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊合作能力等因素進(jìn)行全面綜合評價。基于這些改革，我們可以更好地滿足集成電路行業(yè)對特定性、緊缺型人才的需求，培養(yǎng)出更具競爭力的集成電路專業(yè)本科人才。

（二）面向產(chǎn)業(yè)需求的SOC（System on Chip）設(shè)計教學(xué)實施方法舉例

集成電路設(shè)計是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的首要環(huán)節(jié)。伴隨人工智能、萬物互聯(lián)和自動駕駛等領(lǐng)域快速發(fā)展，具有系統(tǒng)性集成電路芯片設(shè)計能力的學(xué)生成為行業(yè)急需的對象。所以，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件協(xié)同芯片設(shè)計能力極為重要。面向產(chǎn)業(yè)需求，我們將系統(tǒng)性構(gòu)建基于SOC芯片設(shè)計的課程體系和企業(yè)實訓(xùn)課題，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的方式，完成SOC設(shè)計教學(xué)實施。該教學(xué)主要基于產(chǎn)業(yè)超低功耗SOC設(shè)計需求，以ARM Cortex M3軟核為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)設(shè)計、仿真、綜合工具完成設(shè)計，并用FPGA進(jìn)行部署驗證，以此為基礎(chǔ)完成本課理論和實驗教學(xué)［5］。

首先，基于產(chǎn)業(yè)合作，建立與SOC設(shè)計相關(guān)產(chǎn)業(yè)企業(yè)的合作關(guān)系，獲取產(chǎn)業(yè)新技術(shù)需求和設(shè)計規(guī)范。與企業(yè)共同制定教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，確保教學(xué)緊密貼合產(chǎn)業(yè)需求。以產(chǎn)業(yè)研究為導(dǎo)向，引入科研項目，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力。學(xué)生可以參與具有一定挑戰(zhàn)性的SOC設(shè)計項目，從而加深對知識的理解和應(yīng)用，并培養(yǎng)解決實際問題的能力。建立產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師，聘請產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師參與教學(xué)，提供實際項目指導(dǎo)和專業(yè)知識支持。產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師將帶領(lǐng)學(xué)生深入了解產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)前沿，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識。

在教學(xué)過程中，充分貫徹產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的教學(xué)方法和OBE教學(xué)理念。設(shè)定明確的OBE教學(xué)目標(biāo)，明確學(xué)生在SOC設(shè)計方面應(yīng)該掌握的知識和技能，包括ARM Cortex M3軟核架構(gòu)、超低功耗設(shè)計技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計和仿真工具的使用、融合產(chǎn)業(yè)超低功耗SOC設(shè)計需求和規(guī)范等。設(shè)計OBE教學(xué)策略，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該緊密貼合學(xué)習(xí)目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)需求。采用積極互動的教學(xué)方法，如案例教學(xué)、項目驅(qū)動教學(xué)和團(tuán)隊合作項目，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和實踐。教師將介紹SOC設(shè)計的基本原理和相關(guān)知識，包括ARM Cortex M3軟核架構(gòu)、低功耗設(shè)計技術(shù)、時鐘和電源管理等。學(xué)生將學(xué)習(xí)SOC設(shè)計的整體框架和流程，繼續(xù)開展實驗教學(xué)，學(xué)生將參與具體的SOC設(shè)計項目。首先，學(xué)生將使用先進(jìn)的設(shè)計、仿真、綜合工具，如Vivado、Quartus等，進(jìn)行SOC設(shè)計和驗證。其次，學(xué)生將在FPGA平臺上部署驗證設(shè)計，測試功能和性能。最后，建立產(chǎn)業(yè)合作框架，學(xué)生還將參與產(chǎn)業(yè)合作項目，與企業(yè)合作完成SOC設(shè)計任務(wù)。學(xué)生將與企業(yè)合作完成具體功能模塊的設(shè)計和驗證，深入了解產(chǎn)業(yè)需求和設(shè)計規(guī)范。實施OBE教學(xué)評估，建立完善的學(xué)生評估體系，通過課堂作業(yè)、實驗報告和項目評估，對學(xué)生的理論知識和實際應(yīng)用能力進(jìn)行綜合評估。產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師和校內(nèi)教師將共同對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和評價，并對OBE教學(xué)成果進(jìn)行監(jiān)測和反饋。通過OBE教學(xué)理論和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的SOC設(shè)計教學(xué)實施方法，學(xué)生將掌握先進(jìn)的設(shè)計和仿真工具，提高實際應(yīng)用能力。

結(jié)語

本文以“從產(chǎn)業(yè)中來，到產(chǎn)業(yè)中去”為核心思想，構(gòu)建“半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)—半導(dǎo)體制造工藝—集成電路設(shè)計實現(xiàn)—集成片上系統(tǒng)設(shè)計”的“自下向上”的閉環(huán)課程體系。課程體系的設(shè)計以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，緊密結(jié)合集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前沿，確保培養(yǎng)出符合行業(yè)需求的專業(yè)人才。設(shè)計課程內(nèi)容時，注重涵蓋集成電路產(chǎn)業(yè)的核心理論，融合行業(yè)發(fā)展前沿知識，幫助學(xué)生建立扎實的理論基礎(chǔ)。將校內(nèi)教學(xué)與企業(yè)合作實踐結(jié)合，讓學(xué)生接觸真實的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，提高他們的工程實踐能力和系統(tǒng)集成能力。通過開設(shè)企業(yè)級實訓(xùn)課程，讓學(xué)生深入?yún)⑴c集成電路產(chǎn)業(yè)項目，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，構(gòu)建滿足OBE教學(xué)理念的人才培養(yǎng)體系。這樣的課程體系將有助于填補(bǔ)我國集成電路產(chǎn)業(yè)在專業(yè)人才培養(yǎng)方面的短板，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力的支持。