獨(dú)立學(xué)院集成電路原理專業(yè)課程改革

張華斌 曾葆青 楊健君 劉黎明 陳卉

摘要：根據(jù)獨(dú)立學(xué)院本科學(xué)生的特點(diǎn)，結(jié)合我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路原理課程的實(shí)際教學(xué)情況，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)和教學(xué)方法進(jìn)行改革。具體做法是：增加重點(diǎn)章節(jié)學(xué)時(shí)，補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，使其連續(xù)性增強(qiáng)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的邏輯思維能力；對(duì)內(nèi)容的重新安排，以工藝為主線，先Bipolar后CMOS工藝，安排對(duì)應(yīng)的數(shù)字及模擬電路，保證學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的有序性。同時(shí)，在教學(xué)過程中，有目的地將所學(xué)單元電路組合起來形成實(shí)際的電路系統(tǒng)，與IC軟件建設(shè)平臺(tái)實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力，使培養(yǎng)出的人才滿足當(dāng)今IC行業(yè)應(yīng)用型人才的需求。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立學(xué)院；集成電路原理；電子科學(xué)與技術(shù)；教學(xué)方法；IC軟件平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）51-0080-03

電子信息產(chǎn)業(yè)是國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，因此，從國家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的角度來講，必須大力發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)。實(shí)際上，推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要核心動(dòng)力，來源于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而，集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展需要大量的高水平、高素質(zhì)的集成電路設(shè)計(jì)人才。但直到20世紀(jì)90年代，隨著國家“908、909”工程項(xiàng)目的實(shí)施，集成電路設(shè)計(jì)和制造技術(shù)開始正式起步，此時(shí)集成電路加工技術(shù)與國外先進(jìn)的微細(xì)加工技術(shù)相比，有相當(dāng)大的差距。不僅如此，行業(yè)集成電路設(shè)計(jì)和加工人才十分缺乏，而我國每年高校微電子專業(yè)畢業(yè)的研究生僅有幾百人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展需要。

因此，集成電路設(shè)計(jì)人才缺乏，已成為制約集成電路產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的瓶頸之一。要改變這種狀況，應(yīng)當(dāng)從本科教育開始做起，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)的集成電路設(shè)計(jì)人才[1]。為此，針對(duì)我院電子科學(xué)與技術(shù)（IC設(shè)計(jì)）專業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，我校將集成電路原理專業(yè)核心課程作為質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上。做了大量的工作，取得一定的效果。

一、集成電路原理課程內(nèi)容改革

我校集成電路原理課程安排在第6學(xué)期，共64學(xué)時(shí)，每周4節(jié)。教材選用朱正涌主編、清華大學(xué)出版社出版的微電子光電子系列教材《半導(dǎo)體集成電路（第二版）》。該教材涉及的內(nèi)容豐富，章節(jié)較多，獨(dú)立學(xué)院在選用此教材的過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)改革。教學(xué)內(nèi)容的變化，首先是刪除與該專業(yè)其他課程重復(fù)的內(nèi)容，這既有利于節(jié)省教學(xué)學(xué)時(shí)，又能保證學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)所學(xué)知識(shí)是新知識(shí)。其次，增加新內(nèi)容和知識(shí)關(guān)聯(lián)度。例如，講述反向器設(shè)計(jì)時(shí)，從最早采用PMOS工藝所設(shè)計(jì)的反向器開始，接著是電阻負(fù)載型的反向器，以及NMOS負(fù)載反向器分析電路發(fā)展過程，進(jìn)而發(fā)展到現(xiàn)在的CMOS反向器，在此過程中，設(shè)計(jì)人員可以解決如何降低功耗和縮小面積的問題。最后，重新安排教學(xué)內(nèi)容，將本書內(nèi)容概括為兩個(gè)部分：第一部分為MOS邏輯/模擬集成電路，第二部分為雙極邏輯/模擬集成電路，有利于學(xué)生以工藝為線索對(duì)知識(shí)進(jìn)行整體把握。通過這些改革，不僅可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且可以了解知識(shí)的來龍去脈，形成學(xué)生的系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高集成電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。

二、集成電路原理課程教學(xué)方法的改革

針對(duì)我校是以教學(xué)型為主的獨(dú)立學(xué)院，課程的內(nèi)容變化立足于提高本科層次的學(xué)生能力，教學(xué)方法必須在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)改革，才會(huì)對(duì)教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生好的效果，尤其是培養(yǎng)本科層次應(yīng)用型人才，還處于不斷研究和探索階段，有大量工作要做。

1.強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)“學(xué)以致用”的原則。我們改變以往教師滔滔講解、學(xué)生被動(dòng)接受的局面，充分貫徹學(xué)以致用的教學(xué)思想，而且集成電路原理是一門實(shí)踐和動(dòng)手能力很強(qiáng)的課程[2]，必須對(duì)課程教學(xué)做一些探索和嘗試。首先，從實(shí)際生活出發(fā)，從身邊的電子產(chǎn)品入手，找出這些產(chǎn)品的工作特點(diǎn)。如實(shí)現(xiàn)這些工作方式應(yīng)采用什么樣的電路結(jié)構(gòu)，這些與電路知識(shí)有什么關(guān)系，這些關(guān)系正好又與電路工作原理一致，也就是說可通過電路實(shí)際工作原理實(shí)現(xiàn)它，通過這種步步引導(dǎo)的方式，既讓學(xué)生熟悉知識(shí)與產(chǎn)品之間的聯(lián)系，又讓學(xué)生找到學(xué)習(xí)知識(shí)的用途。其次，從使用元器件制作樣品開始，在制作過程中，學(xué)生會(huì)提出很多問題，而這些問題可通過教師引導(dǎo)查閱課本、資料等解決問題，從這個(gè)角度，使學(xué)生明白課本知識(shí)的真正用途。最后，指導(dǎo)學(xué)生將宏觀元器件通過采用微電子集成工藝方式，以更小的尺寸實(shí)現(xiàn)，同時(shí)讓學(xué)生看到顯微鏡下的電路版圖。通過以上幾種方式，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

2.強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)關(guān)聯(lián)性及延伸性的原則。強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，必須強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)本身之間的關(guān)聯(lián)性和延伸性。所謂關(guān)聯(lián)性，是前后知識(shí)之間的聯(lián)系，形成統(tǒng)一整體，這方面主要是通過教師在上課前對(duì)以前已講知識(shí)的概括，進(jìn)而引出本課內(nèi)容，表現(xiàn)知識(shí)的一環(huán)套一環(huán)的系統(tǒng)性原則。也可通過學(xué)生在課前或課后對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析、對(duì)比，找到知識(shí)之間的緊密關(guān)聯(lián)性，形成應(yīng)用知識(shí)的能力。

除此之外，講授知識(shí)時(shí)，要對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行延伸，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在對(duì)本課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)概括的基礎(chǔ)上提出問題，以便下節(jié)課重點(diǎn)解決該問題，給學(xué)生留下問題懸念。二是在課本基本理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，掌握當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展情況及技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這將對(duì)理論學(xué)習(xí)起到巨大的推動(dòng)作用。同時(shí)，使學(xué)生將所學(xué)理論與實(shí)踐（技術(shù)）結(jié)合起來，真正懂得知識(shí)的用途和如何應(yīng)用。

3.強(qiáng)化理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)相結(jié)合的原則。眾所周知，必須將所學(xué)理論知識(shí)付諸于實(shí)踐，才能提高學(xué)生的動(dòng)手能力和應(yīng)用知識(shí)的能力，才能達(dá)到學(xué)院所提出的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目的。在學(xué)校人才培養(yǎng)體系的計(jì)劃中，應(yīng)加大實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)化理論指導(dǎo)下的實(shí)踐應(yīng)用能力訓(xùn)練，將實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)所占學(xué)時(shí)比例提高到人才培養(yǎng)計(jì)劃課程體系總學(xué)時(shí)的25%以上。通過強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅能使學(xué)生學(xué)會(huì)做實(shí)驗(yàn)，還能引導(dǎo)他們學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[3]。如：根據(jù)專業(yè)涉及電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重電路性能指標(biāo)計(jì)算，選擇實(shí)驗(yàn)元器件參數(shù)。同時(shí)，為配套集成電路原理課程改革，提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)水平和應(yīng)用能力，學(xué)院專門設(shè)立40學(xué)時(shí)的專業(yè)實(shí)踐課程集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從而加大應(yīng)用型人才的培養(yǎng)力度[4]。另外，為了確保學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用相一致，學(xué)院建立8個(gè)專業(yè)實(shí)習(xí)基地。如：深圳方正微電子有限公司、中山市奧泰普微電子有限公司、木林森股份有限公司、廣州南科集成電子有限公司等。

三、集成電路原理課程實(shí)驗(yàn)的改革

對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說，四年大學(xué)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于，具有較強(qiáng)的IC專業(yè)知識(shí)和應(yīng)用能力，形成這方面能力的重點(diǎn)是IC實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過IC實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以很好地將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際中去，達(dá)到熟悉集成電路知識(shí)的本質(zhì)含義及在實(shí)際中的應(yīng)用，既可訓(xùn)練學(xué)生的思維能力，又能鍛煉動(dòng)手能力，起到專業(yè)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的目的。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，面臨的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多年不變、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏系統(tǒng)化、實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練不規(guī)范等問題，對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才產(chǎn)生很大影響。因此，必須對(duì)IC實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等進(jìn)行改革[5]。

1.IC實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的轉(zhuǎn)變。①從分立元器件仿真到建設(shè)IC設(shè)計(jì)平臺(tái)仿真。原初的集成電路原理課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡管是電路設(shè)計(jì)性質(zhì)，但由于期初沒有投入集成電路設(shè)計(jì)軟件資金，該課程的實(shí)驗(yàn)采用PSPICE軟件仿真工具，對(duì)分立元器件進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)，應(yīng)用PCB板焊接電路。為了提高學(xué)生的專業(yè)水平，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，學(xué)校加大實(shí)驗(yàn)室投入，建設(shè)使用Cadence集成電路的設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)相關(guān)IC內(nèi)容進(jìn)行修改，從軟件應(yīng)用到單元電路設(shè)計(jì)，從單元電路到系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，完成一整套電路技術(shù)參數(shù)的修改，同時(shí)結(jié)合具體工藝線進(jìn)行有特定參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，提高專業(yè)集成電路和版圖設(shè)計(jì)能力。②IC實(shí)驗(yàn)從驗(yàn)證性向綜合、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)發(fā)展。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，學(xué)生只要重復(fù)實(shí)驗(yàn)的步驟，得到相關(guān)結(jié)果，但這種以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生將來創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)有限，學(xué)生的創(chuàng)新思維也得不到很好訓(xùn)練。因此，為了提高學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，以便將來工作時(shí)能充分發(fā)揮應(yīng)用能力，在實(shí)驗(yàn)安排上做了調(diào)整，并將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比例做了相應(yīng)降低，大幅度地增加設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn)，尤其重要的是，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形成一個(gè)完整的項(xiàng)目體系。即，通過一連串的實(shí)驗(yàn)，最后形成工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，而不僅僅是各個(gè)分散實(shí)驗(yàn)。通過這種方法，可以幫助學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和要求，形成專業(yè)工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變。①IC仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)。對(duì)集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)而言，如果做出具體的實(shí)物集成電路，涉及的缺點(diǎn)很明顯：一是將設(shè)計(jì)電路通過版圖形式，借助網(wǎng)絡(luò)方式，將CIF或GDSII數(shù)據(jù)包發(fā)送給代工廠，代工的成本很高。二是制作周期較長，一般需要半年以上。這些缺點(diǎn)對(duì)學(xué)校教學(xué)具有很強(qiáng)的滯后性，相對(duì)來說，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，IC仿真實(shí)驗(yàn)如何與硬件結(jié)合，需要采取一些特別的方法，所采取的辦法是確定整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目，將其分解成一個(gè)個(gè)單元電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，制作版圖。硬件部分是這次項(xiàng)目所完成的集成塊，可以通過市場購買，這樣，硬件實(shí)驗(yàn)就涉及芯片測(cè)試、性能分析、解剖和版圖分析等，正好將IC仿真與實(shí)物結(jié)合在一起，讓學(xué)生將仿真結(jié)果與實(shí)物相比較，得到結(jié)論。②規(guī)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)合自主性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)規(guī)定學(xué)生做什么內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，怎么做，這在一定程度上會(huì)限制學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生反饋意見，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行適當(dāng)改革，將規(guī)定性實(shí)驗(yàn)和自主性實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。規(guī)定性實(shí)驗(yàn)重在對(duì)某項(xiàng)技能和方法的訓(xùn)練與培養(yǎng)，自主性實(shí)驗(yàn)重在學(xué)生自我能力的挖掘和綜合能力的培養(yǎng)。規(guī)定性實(shí)驗(yàn)包括驗(yàn)證性基本實(shí)驗(yàn)和課程內(nèi)綜合性實(shí)驗(yàn)，是必修實(shí)驗(yàn)。

通過規(guī)定性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)清楚地掌握專業(yè)基礎(chǔ)和基本技能。自主性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的自主性，自己確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?，教師只是一個(gè)建議者和引導(dǎo)者，培養(yǎng)學(xué)生間的合作精神。自主實(shí)驗(yàn)均以小組形式組成，采用合作方式完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。學(xué)生在已有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新事物，創(chuàng)新新方法，解決新問題，從而鍛煉創(chuàng)新思維和動(dòng)手設(shè)計(jì)操縱能力。

3.實(shí)驗(yàn)考核方式的轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核與理論教學(xué)考試相比，有其特殊性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核，重在評(píng)價(jià)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)在解決實(shí)際問題上的靈活運(yùn)用。因此，我們采用過程考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書的方式，兩者各占50%。前者主要考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)操縱的熟練程度、實(shí)驗(yàn)完成的正確程度等；后者著重考核學(xué)生是否獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告作圖、書寫是否規(guī)范，內(nèi)容是否正確及實(shí)驗(yàn)心得等。

強(qiáng)化隨堂考核，突出素質(zhì)評(píng)價(jià)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果關(guān)鍵在課堂，課堂將有效地反映出學(xué)生的這次實(shí)驗(yàn)應(yīng)如何操作，明確知道先做什么，后做什么，哪些步驟較關(guān)鍵，該注意什么，防止出現(xiàn)什么問題，出現(xiàn)問題該怎么處理，該記錄哪些數(shù)據(jù)，記錄的數(shù)據(jù)是否正確，如何處理等。這都可以通過教師在課堂上進(jìn)行指導(dǎo)，在引導(dǎo)學(xué)生時(shí)發(fā)現(xiàn)。這種考核方式，不僅可以客觀地反映實(shí)際情況，而且可以實(shí)時(shí)地解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的問題。這種評(píng)價(jià)方式不僅可以看到學(xué)生的基本操作技能，而且可以考查學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)中解決問題的能力。

注重實(shí)驗(yàn)報(bào)告，考查學(xué)生的圖、表、內(nèi)容的處理能力。采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告手寫方式，可從多角度考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。學(xué)生對(duì)已經(jīng)做好的實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將會(huì)對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用圖、表進(jìn)行表達(dá)，這能更明確地了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，知道為什么需要這些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是否正確，如何消除誤差等。通過反思，明白實(shí)驗(yàn)是實(shí)際情況的真實(shí)反映。另外，書寫實(shí)驗(yàn)心得，將幫助學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)缺陷和失誤，客觀地幫助教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行真實(shí)評(píng)價(jià)。

根據(jù)我校獨(dú)立學(xué)院的實(shí)際情況，對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)集成電路原理課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程實(shí)驗(yàn)的改革。改革實(shí)施后，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)方向的學(xué)生，有了明確的學(xué)習(xí)方法和努力方向，產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和積極性，形成自己的看法和新的思維學(xué)習(xí)習(xí)慣，對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)目的與就業(yè)之間的關(guān)系有了清晰認(rèn)識(shí)，對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)更加自信。尤其在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生明顯效果，達(dá)到學(xué)院提出的培養(yǎng)集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用型人才的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]段吉海.“半導(dǎo)體集成電路”課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（5）：11-15.

[2]徐太龍，孟堅(jiān).集成電路原理與設(shè)計(jì)課程的教學(xué)優(yōu)化[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（3）：57-58.

[3]蘭其斌.新形勢(shì)下獨(dú)立學(xué)院信息技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)方法研究[J].中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：66-67.

[4]金蕾.集成電路工藝原理課程的教學(xué)與實(shí)踐[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，（S1）：60-61.

[5]田健仲，吳敏華，張俊方，王凡.電路原理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與教學(xué)改革實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（10）：142-145.