探索微電子專業(yè)實踐教學(xué)新方法
——以參加“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”為例

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 鞠家欣 張 靜 張曉波 楊 兵 孫海燕

探索微電子專業(yè)實踐教學(xué)新方法
——以參加“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”為例

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 鞠家欣 張 靜 張曉波 楊 兵 孫海燕

通過改革微電子專業(yè)傳統(tǒng)實踐教學(xué)方法，以學(xué)生參加學(xué)科競賽為抓手，采取“以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的方式培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和工程化設(shè)計思想，具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義，也是探索微電子專業(yè)實踐教學(xué)新方法的一次嘗試。

微電子；集成電路設(shè)計大賽；實踐教學(xué)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電子信息產(chǎn)業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，各種通訊產(chǎn)品、計算機、電子設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。目前電子信息產(chǎn)業(yè)所需的集成電路與元器件的數(shù)量呈指數(shù)性增長，2015年中國進口價值2300億美元的集成電路和元器件，已超過石油成為進口量最大的商品。為改變集成電路進口份額過大的局面，提高國產(chǎn)集成電路市場占有率和電子信息產(chǎn)業(yè)安全，中國政府出臺了多種政策措施，扶持中國的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從設(shè)計、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)整體提升國產(chǎn)集成電路的水平，并設(shè)立多所微電子學(xué)院，提升微電子專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為2025年中國集成電路產(chǎn)品國產(chǎn)化率達到80%奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和人才技術(shù)儲備。

合格的集成電路人才是決定中國集成電路產(chǎn)業(yè)能否快速發(fā)展、自主可控的關(guān)鍵因素，這對微電子專業(yè)能否培養(yǎng)出適合產(chǎn)業(yè)需要的集成電路人才提出更高的要求：工程師能否在學(xué)生階段得到高水平系統(tǒng)的集成電路設(shè)計、工藝流程、封測實踐訓(xùn)練，具備理論基礎(chǔ)扎實，實際動手能力強的素質(zhì)，這也要求高校對目前微電子專業(yè)的人才培養(yǎng)方法和課程體系，特別是實踐類課程必須作出變革，以滿足時代和國家進步的要求。

目前開設(shè)微電子專業(yè)的高校，其教育目標是培養(yǎng)理論和實際相結(jié)合，適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的應(yīng)用型人才，但長期以來受國家財政資金和整體技術(shù)水平的時代限制，對微電子專業(yè)的資金投入和師資培訓(xùn)不能滿足微電子專業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要，仍然采用傳統(tǒng)教育模式培養(yǎng)人才：理論與實際相脫節(jié)，理論知識教學(xué)在課程體系中比重過大，實踐類課程偏離實際應(yīng)用，學(xué)生畢業(yè)進入企業(yè)后還需二次培訓(xùn)，造成重復(fù)的人力資源和時間浪費。如何讓學(xué)生在學(xué)校得到充分的實戰(zhàn)型培訓(xùn)，提高其實踐性以適應(yīng)未來進入企業(yè)解決實際問題的能力，是教育改革實踐教學(xué)的一個重要研究方向。

如何改善實踐教學(xué)方法和理論，提高學(xué)生實際動手能力，培養(yǎng)適合企業(yè)的合格人才，北方工業(yè)大學(xué)微電子系經(jīng)過幾年的探索，摸索出一條效果顯著的新型模式：以學(xué)科競賽為抓手，帶動實踐教學(xué)全方位的改革。

2 以賽促學(xué)，賽學(xué)結(jié)合

北方工業(yè)大學(xué)微電子系的教師深入多家集成電路企業(yè)進行調(diào)研，召開校企座談會，多方位探討企業(yè)的用人需求和特點，推進產(chǎn)學(xué)研一體化的人才培養(yǎng)方式，總結(jié)出目前的實踐教學(xué)課程存在的問題：實踐教學(xué)目標偏離實踐特色，實踐教學(xué)模式?jīng)]有突出學(xué)生主體地位，實踐教學(xué)方法滯后于行業(yè)發(fā)展要求?，F(xiàn)代的實踐教學(xué)目標應(yīng)以學(xué)生掌握基本理論，能動手解決實際問題為標志。目前的實踐教學(xué)只是理論課程的一個補充，以教師講課為主，學(xué)生完成理論課程的實驗驗證。現(xiàn)代的實踐教學(xué)模式應(yīng)該以學(xué)生為主體，教師起輔助引導(dǎo)作用，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生獨立完成實踐教學(xué)目標所規(guī)定的任務(wù)。目前的實踐教學(xué)模式是教師根據(jù)自己熟悉的知識結(jié)構(gòu)制定實踐教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容能否適合學(xué)生認知水平和應(yīng)用能力，都沒有做細致考慮和摸底調(diào)研，最終都是以一份實踐報告或小制作為最終考核依據(jù)，對實踐教學(xué)質(zhì)量無法做到全程控制?，F(xiàn)代的實踐教學(xué)方法應(yīng)突出工程化訓(xùn)練和EDA軟件的使用，結(jié)合實際需要以實戰(zhàn)化項目入手，賦予學(xué)生工程化思想，并使用EDA軟件完成一個項目全部設(shè)計流程。目前的實踐教學(xué)方法以理論分析為主，EDA軟件的使用僅限于部分單元，學(xué)生缺乏以工程化思想理解問題，往往造成學(xué)生動手能力得不到充分鍛煉，不能借助EDA工具完成任務(wù)。

針對目前微電子專業(yè)實踐教學(xué)存在的問題，我們發(fā)現(xiàn)通過指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽，改變傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方法和模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，是提高和檢驗實踐教學(xué)水平的一個有效手段。

因此，從2011年起，北方工業(yè)大學(xué)微電子系的教師開始指導(dǎo)學(xué)生參加“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”，采取“以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的實踐教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式，連續(xù)參加6屆比賽，取得滿意的教學(xué)效果和獲獎名次。

3 更新教學(xué)理念，改變教學(xué)方法和教學(xué)手段

“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”主要面向開設(shè)微電子學(xué)與固體電子學(xué)及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生，參賽人員需要具備模擬/數(shù)字集成電路、混合信號集成電路、集成電路工藝、集成電路制造、集成電路測試、常用集成電路測試工具等使用方面的知識和應(yīng)用經(jīng)驗。大賽采用主流芯片生產(chǎn)廠實際流片工藝，統(tǒng)一配發(fā)的技術(shù)文檔和EDA工具等，按芯片面積、物理檢查要求學(xué)生自主完成采用全定制設(shè)計流程的模擬集成電路或數(shù)字集成電路芯片的設(shè)計任務(wù)。這要求指導(dǎo)教師改變教學(xué)理念，采取產(chǎn)學(xué)研一體化的教學(xué)方法，引入企業(yè)的工程師作為副導(dǎo)師進入實踐教學(xué)課堂，為學(xué)生講解工程化的設(shè)計思想和方法。（A）根據(jù)具體的賽題選擇設(shè)計工具。目前主流的集成電路設(shè)計EDA工具主要由美國的Cadence和Synopsys公司壟斷，并且由于工具的復(fù)雜性掌握往往需要大半年時間。我們從實際出發(fā)，采用性價比高，容易學(xué)習(xí)掌握的國產(chǎn)軟件：華大九天Aether入手，搭建集成電路EDA設(shè)計平臺。平臺的界面和功能完全兼容Cadence和Synopsys軟件，在版圖設(shè)計方面具有獨特的優(yōu)勢，國內(nèi)多家主流設(shè)計公司已經(jīng)采用此種軟件。（B）工藝選擇。工藝代表了集成電路加工的技術(shù)水準和先進程度。每一項工藝的說明書有上百頁，我們教師帶領(lǐng)學(xué)生從最簡單的器件說明開始研究，把每一項說明都研究通透，并對工藝涉及的材料特性進行講解說明，讓學(xué)生實際體會到一顆芯片的實際加工過程，從工藝理論和實際材料方面理解集成電路的物理含義：它是各種材料層的堆積，不同顏色的工藝代表不同材料和形狀。（C）電路架構(gòu)選擇。我們系利用長期積累的多種集成電路設(shè)計案例，挑選出十幾種經(jīng)典電路，由經(jīng)驗豐富的教師和企業(yè)工程師給學(xué)生講解設(shè)計思路和電路架構(gòu)方法，在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生仔細體會并動手實踐基本單元的設(shè)計方法和細節(jié)。同時，教師面對面與學(xué)生交流，和學(xué)生討論對賽題的理解，制定設(shè)計方案和流程，從這些交流中，能考核出學(xué)生的基本理論知識和對EDA工具的熟悉掌握程度，全方位的促進學(xué)生掌握集成電路設(shè)計的理論、方法和工具。學(xué)生通過獨立完成一個賽題的全過程，設(shè)計能力和工程化思維的培養(yǎng)得到建立和提高，為學(xué)生適應(yīng)未來工作的需要奠定了基礎(chǔ)。通過指導(dǎo)學(xué)生參加大賽，采用新穎的教學(xué)方法和教學(xué)手段，實踐教學(xué)水平也進入一個更高的層次，探索出一條理論與實踐相結(jié)合的新型教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式。

4 結(jié)束語

以上的方法和模式，經(jīng)過6年的教學(xué)實踐，取得了良好的效果，我們期待將此種實踐教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式應(yīng)用到更多的微電子專業(yè)課程中，探索出一個適合微電子本科專業(yè)實踐教學(xué)新模式。

[1]袁穎,胡小玲.以設(shè)計大賽為紐帶建設(shè)微電子實踐教學(xué)體系[J].電子世界,2015(23):73-74.

[2]謝星,楊玲玲.基于集成電路設(shè)計大賽的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式.[J].電子世界,2015(23):40-41.

[3]韋一,唐瑩.大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽對于教學(xué)的影響.[J].電子世界,2015(23):14-14.

[4]原渭蘭,邱杰.數(shù)字化實驗教學(xué)改革的研究與思考[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(7):138-140.

北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金。

鞠家欣，男，講師，研究方向為集成電路設(shè)計與測試技術(shù)。