集成電路設(shè)計(jì)本科教學(xué)改革探索

卜丹等

摘 要：為了更好地發(fā)展集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，我國(guó)在集成電路設(shè)計(jì)本科教學(xué)工作上施行了相關(guān)的政策與措施。文章從黑龍江大學(xué)2014年本科教學(xué)計(jì)劃及人才培養(yǎng)方案的修訂工作出發(fā)，結(jié)合黑龍江大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)現(xiàn)狀，提出了完善集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)本科教學(xué)的措施。

關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計(jì)；本科；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2015）10-0031-02

集成電路作為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是現(xiàn)代電子信息科技的核心技術(shù)，是國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。鑒于我國(guó)集成電路市場(chǎng)持續(xù)快速的增長(zhǎng)，對(duì)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的人員需求也日益增加。集成電路是知識(shí)密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但人才缺失的問題是影響集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)對(duì)集成電路設(shè)計(jì)人才的需求是30萬(wàn)人 [1-2]。為加大集成電路專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，更好地滿足集成電路產(chǎn)業(yè)的人才需求，2003年教育部實(shí)施了“國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地”計(jì)劃，同時(shí)增設(shè)了“集成電路設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)”的本科專業(yè)，很多高校都相繼開設(shè)了相關(guān)專業(yè)，大力培養(yǎng)集成電路領(lǐng)域高水平的骨干專業(yè)技術(shù)人才[3]。

黑龍江大學(xué)的集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)自2005年成立以來(lái)，從本科教學(xué)體系的建立、本科教學(xué)內(nèi)容的制定與實(shí)施、師資力量的培養(yǎng)與發(fā)展等方面進(jìn)行不斷的探索與完善。本文將結(jié)合多年集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的本科教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)相關(guān)院校集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)本科教學(xué)的多方面調(diào)研，針對(duì)黑龍江大學(xué)該專業(yè)的本科教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析和研究探索，以期提高本科教學(xué)水平，切實(shí)做好本科專業(yè)人才的培養(yǎng)工作。

一、完善課程設(shè)置

合理設(shè)置課程體系和課程內(nèi)容，是提高人才培養(yǎng)水平的關(guān)鍵。2009年，黑龍江大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)制定了該專業(yè)的課程體系，經(jīng)過(guò)這幾年教學(xué)工作的開展與施行，發(fā)現(xiàn)仍存在一些不足之處，于是在2014年黑龍江大學(xué)開展的教學(xué)計(jì)劃及人才培養(yǎng)方案的修訂工作中進(jìn)行了再次的改進(jìn)和完善。

首先，在課程設(shè)置與課時(shí)安排上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)于部分課程調(diào)整其所開設(shè)的學(xué)期及課時(shí)安排，不同課程中內(nèi)容重疊的章節(jié)或相關(guān)性較大的部分可進(jìn)行適當(dāng)刪減或融合。如：在原來(lái)的課程設(shè)置中，“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程與“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程分別設(shè)置在教學(xué)第六學(xué)期和第七學(xué)期。由于“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程中是以門級(jí)電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，所以學(xué)生在未進(jìn)行模擬集成電路課程的講授前，對(duì)于各種元器件的基本結(jié)構(gòu)、特性、工作原理、基本參數(shù)、工藝和版圖等這些基礎(chǔ)知識(shí)都是一知半解，因此對(duì)門級(jí)電路的整體設(shè)計(jì)分析難以理解和掌握，會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及教學(xué)效果；而若在“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程中添加入相關(guān)知識(shí)，與“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程中本應(yīng)有的器件、工藝和版圖的相關(guān)內(nèi)容又會(huì)出現(xiàn)重疊。在調(diào)整后的課程設(shè)置中，先開設(shè)了“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程，將器件、工藝和版圖的基礎(chǔ)知識(shí)首先進(jìn)行講授，令學(xué)生對(duì)于各器件在電路中所起的作用及特性能夠熟悉了解；在隨后“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程的學(xué)習(xí)中，對(duì)于應(yīng)用各器件進(jìn)行電路構(gòu)建時(shí)會(huì)更加得心應(yīng)手，達(dá)到較好的教學(xué)效果，同時(shí)也避免了內(nèi)容重復(fù)講授的問題。此外，這樣的課程設(shè)置安排，將有利于本科生在“大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”的參與和競(jìng)爭(zhēng)，避免因?qū)W期課程的設(shè)置問題，導(dǎo)致學(xué)生還未深入地接觸學(xué)習(xí)相關(guān)的理論課程及實(shí)驗(yàn)課程，從而出現(xiàn)理論知識(shí)儲(chǔ)備不足、實(shí)踐操作不熟練等種種情況，致使影響到參賽過(guò)程的發(fā)揮。調(diào)整課程安排后，本科生通過(guò)秋季學(xué)期中基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐操作能力的鍛煉，在參與春季大賽時(shí)能夠確保擁有足夠的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有較充足的參賽準(zhǔn)備，通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作較好地完成大賽的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，贏取良好賽果，為學(xué)校、學(xué)院及個(gè)人爭(zhēng)得榮譽(yù)，收獲寶貴的參賽經(jīng)驗(yàn)。

其次，適當(dāng)降低理論課難度，將教學(xué)重點(diǎn)放在掌握集成電路設(shè)計(jì)及分析方法上，而不是讓復(fù)雜煩瑣的公式推導(dǎo)削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能夠較好地理解和掌握集成電路設(shè)計(jì)的方法和流程。

第三，在選擇優(yōu)秀國(guó)內(nèi)外教材進(jìn)行教學(xué)的同時(shí)，從科研前沿、新興產(chǎn)品及技術(shù)、行業(yè)需求等方面提取教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)時(shí)了解前沿動(dòng)態(tài)，使學(xué)生能夠積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。

二、變革教學(xué)理念與模式

CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行）理念，是目前國(guó)內(nèi)外各高校開始提出的新型教育理念，將工程創(chuàng)新教育結(jié)合課程教學(xué)模式，旨在緩解高校人才培養(yǎng)模式與企業(yè)人才需求的沖突[4]。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合黑龍江大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的“數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)”課程，基于“逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）”的課題項(xiàng)目開展教學(xué)內(nèi)容，將各個(gè)獨(dú)立分散的模擬或數(shù)字電路模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，使之成為具有連貫性的課題實(shí)踐內(nèi)容。在教學(xué)周期內(nèi)，以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的教學(xué)模式，令學(xué)生“做中學(xué)”，讓學(xué)生有目的地將理論切實(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，完成“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)踐和驗(yàn)證”的整體流程，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握集成電路全定制方案的具體實(shí)施方法及設(shè)計(jì)操作流程。同時(shí)，通過(guò)以小組為單位，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，在組內(nèi)或組間的相互交流與學(xué)習(xí)中，相互促進(jìn)提高，培養(yǎng)學(xué)生善于思考、發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)工作的能力及創(chuàng)新能力，并可以通過(guò)對(duì)新結(jié)構(gòu)、新想法進(jìn)行不同程度獎(jiǎng)勵(lì)加分的形式以激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新力。此外，該門課程的考核形式也不同，不是通過(guò)以往的試卷筆試形式來(lái)確定學(xué)生得分，而是以畢業(yè)論文的撰寫要求，令每一組提供一份完整翔實(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)告，鍛煉學(xué)生撰寫論文、數(shù)據(jù)整理的能力，為接下來(lái)學(xué)期中的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)。而對(duì)于教師的要求，不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)還應(yīng)具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此青年教師要不斷提高專業(yè)能力和素質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)參加研討會(huì)、專業(yè)講座、企業(yè)實(shí)習(xí)、項(xiàng)目合作等途徑分享和學(xué)習(xí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還應(yīng)定期邀請(qǐng)校外專家或?qū)I(yè)工程師進(jìn)行集成電路方面的專業(yè)座談、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)培訓(xùn)等，進(jìn)行教學(xué)及實(shí)踐的指導(dǎo)。

三、加強(qiáng)EDA實(shí)踐教學(xué)

首先，根據(jù)企業(yè)的技術(shù)需求，引進(jìn)目前使用的主流EDA工具軟件，讓學(xué)生在就業(yè)前就可以熟練掌握應(yīng)用，將工程實(shí)際和實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系，積累經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)增加學(xué)生就業(yè)及繼續(xù)深造的機(jī)會(huì)，為今后競(jìng)爭(zhēng)打下良好的基礎(chǔ)。2009—2015年，黑龍江大學(xué)先后引進(jìn)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)Xilinx和FPGA實(shí)驗(yàn)箱、華大九天開發(fā)的全定制集成電路EDA設(shè)計(jì)工具Aether以及Synopsys公司的EDA設(shè)計(jì)工具等，最大可能地滿足在校本科生和研究生的學(xué)習(xí)和科研。而面對(duì)目前學(xué)生人數(shù)眾多但實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)不足的情況，如果可以借助黑龍江大學(xué)的校園網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄，則在一定程度上可以滿足學(xué)生在課后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的需要[5]。

其次，根據(jù)企業(yè)崗位的需求可合理安排EDA實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加實(shí)踐課程的學(xué)時(shí)。如通過(guò)運(yùn)算放大器、差分放大器、采樣電路、比較器電路、DAC、邏輯門電路、有限狀態(tài)機(jī)、分頻器、數(shù)顯鍵盤控制等各種類型電路模塊的設(shè)計(jì)和仿真分析，令學(xué)生掌握數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)方法及流程，在了解企業(yè)對(duì)于數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)以及版圖設(shè)計(jì)等崗位要求的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行模塊課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的鍛煉，使學(xué)生對(duì)于相關(guān)的EDA實(shí)踐內(nèi)容真正融會(huì)貫通，為今后就業(yè)做好充足的準(zhǔn)備。

第三，根據(jù)集成電路設(shè)計(jì)本科理論課程的教學(xué)內(nèi)容，以各應(yīng)用軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體的教學(xué)方法，選取結(jié)合于理論課程內(nèi)容的實(shí)例，制定和編寫相應(yīng)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課件及操作流程手冊(cè)，如黑龍江大學(xué)的“CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)”和“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程，都已制定了比較詳盡的實(shí)踐手冊(cè)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容課件；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使學(xué)生能夠更加方便地分享教學(xué)資源并充分利用資源隨時(shí)隨地地學(xué)習(xí)。

四、搭建校企合作平臺(tái)

近年來(lái)，北京電子協(xié)會(huì)著手主辦了“全國(guó)大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”，為各高校的在校大學(xué)生提供了一個(gè)集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)競(jìng)賽的良好平臺(tái)。通過(guò)大賽的舉辦，不僅提高了本科教學(xué)工作的積極性和教學(xué)質(zhì)量，更加有利了提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[6]。同時(shí)，大賽以集成電路產(chǎn)業(yè)為背景，聯(lián)合各高校與企業(yè)參與其中，促進(jìn)了高校間和校企間的交流與合作，并且通過(guò)大賽可以幫助企業(yè)發(fā)掘有潛力的優(yōu)秀專業(yè)人才，而對(duì)于參賽學(xué)生而言亦是為其就業(yè)拓寬了渠道。2012—2015年期間，黑龍江大學(xué)連續(xù)參加多屆“全國(guó)大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”，本科生及研究生組都分別取得過(guò)特等獎(jiǎng)和一、二、三等獎(jiǎng)的好成績(jī)，并獲得了華潤(rùn)上華0.35umCMOS工藝的多次流片機(jī)會(huì)，這對(duì)于本科階段的學(xué)生來(lái)說(shuō)是彌足珍貴的學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

通過(guò)參加大賽，學(xué)生不僅積累了實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，完善了知識(shí)結(jié)構(gòu)，更對(duì)競(jìng)技精神有了一種新的認(rèn)識(shí)與體會(huì)，增強(qiáng)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的意識(shí)和能力。同時(shí)，在競(jìng)賽過(guò)程中，令學(xué)生對(duì)自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)有了明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)于其專業(yè)能力和發(fā)展?jié)撡|(zhì)也是一次很好的發(fā)掘。在今后的賽事中，我們會(huì)借鑒以往的大賽經(jīng)驗(yàn)，對(duì)參賽的本科生和研究生進(jìn)行合理的培訓(xùn)和實(shí)踐訓(xùn)練，成員以高年級(jí)帶低年級(jí)、老隊(duì)員帶新隊(duì)員、理論型學(xué)生與實(shí)踐性學(xué)生相結(jié)合的模式組隊(duì)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)傳承、知識(shí)共享與交流、創(chuàng)新實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作等優(yōu)勢(shì)，有利于專業(yè)的發(fā)展以及各屆學(xué)生專業(yè)能力和創(chuàng)新能力的提高。

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