OBE理念下數字集成電路設計課程教學改革探索

摘要：文章基于OBE教育理念，針對教學內容滯后、學生高階思維能力培養(yǎng)不足及教學評價量化手段缺失等問題，探索“賽、教、育”融合的教學改革。具體通過賽教融合重構課程內容，開展項目化教學，并構建多階段反饋評價體系等舉措。實踐表明，此次改革有效提升了學生的學習成效和參與度。

關鍵詞：OBE教育理念；賽教融合；項目化教學；數字集成電路；評價體系

中圖分類號：G420" " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0149-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

1 課程現狀與背景分析

當前，集成電路產業(yè)正朝著低功耗、高性能、小型化的方向快速發(fā)展，集成電路設計、制造和封測環(huán)節(jié)對復合型專業(yè)人才的需求和要求進一步提高，不僅需要人才具備過硬的理論基礎，更要具有強大的實踐、創(chuàng)新和解決工程問題的能力。微電子科學與工程專業(yè)是針對培養(yǎng)應用型人才而開設的本科專業(yè)，數字集成電路設計是該專業(yè)本科三年級最為重要的專業(yè)核心課之一。課程內容圍繞數字集成電路中的單元電路、互連、時序模塊展開，涉及電路理論分析與實踐，同時與產業(yè)界“數字集成電路設計”崗位的知識和能力要求直接相關，具有鮮明的工程實踐特點。然而，當前課程教學存在諸多問題。從學生學習情況來看，成績分布呈兩級分化，高分段占比不足10%，低分占比較重；在實驗操作環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的CMOS工藝項目學生完成度較好，但在涉及自主創(chuàng)新設計拓展項目中，能夠獨立完成的學生占比低于9%，實踐創(chuàng)新能力不足；另外，集成電路技術具有技術前沿性，具有最新理論和架構的半導體器件和電路不斷涌現，基于傳統(tǒng)CMOS工藝的數字集成電路教學內容已逐漸與當前的技術主流相脫節(jié)，當前的數字集成電路設計課程急需補充建設與工程實踐、前沿技術相匹配的教學資源。

結合數字集成電路設計課程的特點，國內眾多高校開展了一系列的課程改革探索。例如，從科研項目中提煉知識點融入教學環(huán)節(jié)，探索一種基于科研項目的課程改革方法[1]。這種方法能夠將前沿的科技成果引入課堂，拓寬學生知識面激發(fā)學習興趣，但是該方法對教師的科研水平和教學能力要求較高，且項目的難度不易把控，可能導致部分學生因基礎薄弱而難以跟上教學節(jié)奏。一些高校在實驗課程中借助EDA仿真軟件的技術優(yōu)勢提高學生設計電路的能力[2-4]，這種方法提高了實驗效率，但是過于依賴于軟件模擬，在面對實際工程問題時，可能存在理論與實踐脫節(jié)的情況。引入翻轉課堂理論探索實驗教學方法的改革[5]，可以培養(yǎng)學生的自主學習能力。OBE教育理念是成果導向教育，強調定義學習產出，通過教學設計與實施，保證學生的學習成果。在工程教育領域，OBE教育理念得到廣泛的應用與認可。例如，一些高校基于OBE教學理念來進行教學改革的設計和創(chuàng)新[6-9]，學生的學習主動性和學習效果得到有效提升。

盡管國內各高校在數字集成電路設計課程的教學改革方面進行了一系列探索，但是目前仍然存在一些問題：教學內容未能及時跟進產業(yè)需求，導致學生所學知識與實際工作中的應用存在差距；在課堂教學中，側重知識的傳授，而對學生利用科學方法解決工程問題的高階思維能力培養(yǎng)不夠重視；教學評價方式單一，無法全面、準確地反映學生的學習過程和學習效果，缺乏持續(xù)改進可量化的評價優(yōu)化方法。

針對以上三點問題，本項目立足數字集成電路設計課程，以OBE教育理念為引領，把學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為人才培養(yǎng)的核心產出目標，以學科競賽驅動教學內容更新迭代、推動教學方法變革創(chuàng)新、優(yōu)化考核評價方式，構建“賽、教、育”融合的教學模式改革，實現知識傳授與價值引領的有機統(tǒng)一，培養(yǎng)出理論實踐兼?zhèn)涞膹秃闲图呻娐吩O計人才，為我省集成電路產業(yè)發(fā)展貢獻力量。

2 課程教學改革研究內容

2.1 構建多維度閉環(huán)的課程教學體系

在課程教學體系建設過程中，以微電子專業(yè)學生必備的知識目標、能力目標、素質目標和思政目標為引導，引入多層次教學模式，從教學、數據、評估、優(yōu)化等維度，構建閉環(huán)的課程教學體系。在教學維度，采用理論與實踐融合、線上與線下融合等方式提升效能，如針對學生從半導體物理相關理論過渡到集成電路設計階段中存在的思維轉變困難問題，從器件建模入手，過渡到基本反相器、標準單元電路，再到線上集成電路設計EDA工具。在掌握這些基本知識技能之后，通過項目實訓、賽題實訓等，培養(yǎng)出學生分析解決問題及團隊協(xié)作的意識和愛國主義情懷。在數據維度，采集線上學習時間、視頻觀看次數等，線下作業(yè)完成情況、考試成績、項目成果等數據，量化分析。在評估維度，通過診斷性評價、過程性評價和總結性評價，及時跟蹤教學效果與教學目標的匹配度，分析差距。在優(yōu)化維度，基于數據和評估維度的反饋，總結經驗，動態(tài)調整，在“學生學”與“教師教”方面形成持續(xù)改進的閉環(huán)機制。

2.2 建設科教、產學融合的工程教學資源庫

數字集成電路設計課程具有較強的工程性，在學習時必須理論與實踐相結合，靈活地將基本的電路理論轉化為集成電路的設計思想，進而融入實際的工程實踐中。在這樣的教學需求下，需要配置豐富的教學資源庫，資源庫中的素材取自于學科競賽賽題、教師科研項目以及微電子現代產業(yè)學院科教融合平臺中的企業(yè)工程案例。數字集成電路設計課程工程項目案例庫開發(fā)框架如圖1所示，具體地，在課程改革的實施中，以科教融合、產學融合為目標，將大的競賽、科研或工程項目案例分解，挖掘出與教材內容產生交叉的知識點，形成集成電路設計知識的“點集合”；將基本的知識點進行總結歸納，形成一些集成電路的條線知識，例如基本反相器的混合式仿真；構建出條線知識后，形成涵蓋一類集成電路設計相關工程案例的“面集合”，通過各種項目案例素材形成系統(tǒng)的知識庫；在完成知識和技能的“點、線、面、體”循序漸進后，最終形成集成電路設計復合型人才培養(yǎng)體系的重要基礎。

下面以賽教融合為例來敘述教學案例的創(chuàng)建過程。從全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽海云捷迅杯賽題“基于FPGA機器視覺缺陷檢測的實現”中挖掘教學案例，如圖2所示。本賽題研究內容涵蓋半導體器件、集成電路設計和圖像處理算法知識，與課程相關度高，能有效鍛煉學生的能力。案例設計的目標是讓學生掌握有關理論知識，具備FPGA設計、圖像算法處理等實踐技能，培養(yǎng)團隊協(xié)作與創(chuàng)新思維。實施步驟如下：首先開展理論教學，從MOSFET晶體管講起，引入光電器件及外圍電路知識，剖析數字集成電路中的時序控制、模數轉換等關鍵電路等。接著以項目組形式開展教學，學生分組設計解析DVP攝像頭時序信號的FPGA模塊，學習圖像預處理算法，掌握ssd_detaction模型優(yōu)化方法，了解cnn加速器機制。最后學生利用開發(fā)板編寫Verilog HDL代碼，實現成像和識別功能，不斷調試軟硬件解決問題。

2.3 構建項目與競賽提升驅動的復合型人才培養(yǎng)模式

構建完成課程案例資源庫后，如何推動學生從知識獲取進階到能力提升是數字集成電路設計課程教學的關鍵。結合微電子科學與工程專業(yè)目標，通過探討“競賽、教學、育人”融合路徑，完善教學實驗實踐環(huán)節(jié)，增強科教融合的深度和廣度等措施增強學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，搭建復合型人才培養(yǎng)模式。

1） 探討“競賽、教學、育人”融合實施方案，培養(yǎng)學生的解決問題能力

在課程教學中，以競賽為紐帶，將其深度融入教學內容、方法與考核中，達成“競賽、教學、育人”融合。教學內容上，把學科競賽的前沿理念、行業(yè)標準和實際案例融入日常教學，為課程注入新活力。在講解基礎理論時，引入競賽案例，引導學生分析賽題設計思路，明確知識應用場景，增強學習動力；教學方法以競賽項目為驅動，強化問題導向與啟發(fā)性教學。以競賽題設置任務，學生分組模擬競賽場景，引導學生從需求分析到電路實現完成項目。結合案例教學，剖析競賽成敗案例，汲取經驗。采用任務驅動式教學，依競賽環(huán)節(jié)設計階段性任務，提升學生解決實際問題能力，培育團隊協(xié)助與溝通能力，實現育人目標。考核方式構建多元、動態(tài)且長效的評價機制，除傳統(tǒng)知識的考核外，把學生競賽項目的參與度、方案設計的創(chuàng)新度等納入考核，激勵學生借競賽提升能力，實現教學和育人的目標。

2） 優(yōu)化項目案例實踐教學環(huán)節(jié)，增強學生的創(chuàng)新能力

實驗實踐教學在培養(yǎng)學生知識應用、實際動手、創(chuàng)新及社會適應能力方面至關重要，是整個教學體系的關鍵樞紐。在教學改革的推進過程中，將從以下兩個方面進行深度優(yōu)化：j將豐富多樣的項目案例教學素材與翻轉課堂、線上線下混合教學模式巧妙融合。從關鍵工程技術難題中提煉出與課堂內容緊密對應的創(chuàng)新元素，全面融入課程實訓、實習以及畢業(yè)設計等專業(yè)實習實踐教學體系的各個環(huán)節(jié)，為學生提供全方位、多層次的學習體驗。k校企合作，接入企業(yè)真實研發(fā)的EDA平臺，校企導師聯合檢驗學生成果、攻克技術難點。讓學生接觸前沿技術，積累實戰(zhàn)經驗，進一步提升創(chuàng)新能力。

3） 加強科教融合的深度與廣度，增強學生的工程實踐開發(fā)能力

依托微電子現代產業(yè)學院的科教融合平臺深度整合校內外優(yōu)質的科教資源，并將其帶入到學生的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，通過設計項目實例，科學問題梳理、關鍵技術研發(fā)等手段引導學生參與，在課題實施過程中完成器件理論、電路設計、迭代優(yōu)化全流程的學習與掌握，最終提升學生個人的集成電路設計實踐能力。

3 教學方法與過程實施

以問題為導向創(chuàng)新教學方法，借助線上線下結合的方式，貫穿課前、課中、課后三個階段，旨在培養(yǎng)學生的高階思維能力與實踐能力，同時融入思政教育，培養(yǎng)學生的憂患意識與愛國情操。教學過程實施方案如圖3所示。課前對于基本理論采用自學引導法，學生自學線上資源完成對基本概念和重難點的了解，對于EDA仿真平臺實訓，則通過線下輔導法引導學生完成電路原理復現和性能指標仿真操作，并將預習過程中遇到的問題歸納整理，為課堂學習做好準備；課中是深度學習的過程，主要采用啟發(fā)式教學法和互動討論法。教師首先分析課前導學情況，重組教學內容，將其分為A階和B階內容。A階內容教為主導，教師梳理知識要點，進行理論推導，以板書、隨堂測驗、翻轉課堂等形式開展教學。B階內容學為中心，實施工程實踐教學，按照背景介紹、任務解析、分組點評、小組討論、項目總結復盤、拓展任務的流程進行，提升高階思維能力；課后實施項目化教學落實知識遷移應用，面對項目實際問題，提煉核心知識要點，教師引導學生拆解問題、分析原因、提出解決方案并驗證，鼓勵學生創(chuàng)新。表現優(yōu)秀的小組推薦參加電路類相關比賽或前往企業(yè)交流，探究“研-賽-創(chuàng)”融合實踐落實理論解決實踐、提升學生實踐和創(chuàng)新能力。

4 教學評價優(yōu)化

在新工科“以學生發(fā)展為中心”背景下，課程采用多階段跟蹤反饋評價體系，貫穿教學全過程，全方位考核學生的學習效果。評價指標包括診斷性評價、過程性評價和總結性評價，占比分別為5%、25%、70%。診斷性評價考核導學任務完成情況，在課程開始前，統(tǒng)計學生線上學習時長、視頻觀看率，發(fā)放課程小測試。利用標準化考核和非標準化考核完善過程性評價，兩者在過程性評價中的分值比例為60%和40%，標準化考核包括課堂在線測試（20%） 、作業(yè)（10%） 、練習（10%） 、實驗操作成績（20%） 四項，非標準化考核包括出勤率（10%） 、課堂互動（10%） 、小組任務完成情況（20%） 。出勤率采用簽到系統(tǒng)記錄，缺勤一次扣5分，遲到或早退一次扣2分。課堂互動環(huán)節(jié)主動發(fā)言且觀點有價值的每次記3 ～ 5分，參與討論但觀點普通的每次記1 ～ 2分，課程結束后統(tǒng)計總分。小組任務完成情況量化指標包括完成質量、團隊協(xié)作有效性及成果水平，三方面都比較好的得85 ～ 100分，部分存在問題的得60 ～ 85，較差得60分以下。總結性評價包括期中（40%） 和期末考試成績（60%） 。利用課程目標達成度分階段監(jiān)控整個教學過程。

5 總結

將OBE教學理念融入數字集成電路設計的教學實踐中，利用“賽、教、育”融合方式進行課程教學改革，取得了如下的實施效果：j課程目標達成度情況提升明顯。通過對比授課班級在教學改革實施前和實施后的課程目標達成情況，如圖4所示，發(fā)現實施前課程目標平均達成率為85%，實施后提升至97.5%，整體提升幅度達12.5%。就具體目標而言，課程目標2聚焦于學生對復雜電路設計的掌握，改革后達成率提升了一倍多。目標3著重培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，改革后提升幅度達37.5%；k學生參與度、滿意度提升。教改后，學生在課前預習、課堂互動、小組討論等考核環(huán)節(jié)的分值有明顯提升，這說明學生參與度明顯提高。另外調查問卷顯示班級大多數學生對課程采取的創(chuàng)新方法持積極態(tài)度；l學生申報各類大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和參加各類學科競賽的熱情增加，比如，2024年微電子專業(yè)學生參加比賽的隊伍較2023年增加了33%，由原來的30支隊伍增加到40支，獲獎數由原來的5項增加到12項。綜上所述，通過教學改革的實施與持續(xù)改進，將在數字集成電路設計課程方面形成一套科學合理的科教融合、產教融合學科課程體系，有效提升微電子科學與工程專業(yè)本科生的工程實踐能力。未來，將進一步擴大研究范圍，持續(xù)優(yōu)化教學改革，提高研究結果的普適性。

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【通聯編輯：朱寶貴】