對CMOS集成電路課程項目教學(xué)模式的探討

黃卓冕　左新娥

【摘 要】CMOS集成電路課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門比較重要的課程，主要涉及CMOS集成電路的分析和設(shè)計原理。文章主要介紹了如何將項目教學(xué)法應(yīng)用于CMOS集成電路課程教學(xué)，讓教師和學(xué)生在整個課程學(xué)時的過程當(dāng)中實現(xiàn)雙贏的局面。

【關(guān)鍵詞】CMOS集成電路；項目教學(xué)；分工合作

【中圖分類號】TN432-4；G642【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2017）03-0069-03

0 引言

由于集成技術(shù)和大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計的飛速進步，電子工業(yè)在過去的幾十年里得到了驚人的發(fā)展。集成電路在高性能計算、通信及消費類電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用一直在飛速發(fā)展，已成為各行各業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的基礎(chǔ)。因為具有低功耗、大噪聲容限及易于設(shè)計等固有特點，CMOS集成電路在RAM、CPU、DSP及ASIC等方面得到了廣泛應(yīng)用。隨著在筆記本電腦、個人數(shù)字助理PDA、便攜式電話和多媒體代理等芯片開發(fā)方面對于低功耗、低噪聲電子系統(tǒng)日益增長的需要，CMOS集成電路的廣泛應(yīng)用將持續(xù)增長[1-2]。在這樣的大環(huán)境下，大部分高校電子類專業(yè)都開設(shè)了關(guān)于CMOS集成電路的專業(yè)課程，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其知識內(nèi)容也不斷地更新發(fā)展，日益豐富。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中既要重視知識的介紹，又要重視對學(xué)生能力的培養(yǎng)。而常規(guī)的教學(xué)方法無法使學(xué)生真正理解和掌握CMOS集成電路的精髓，更難以學(xué)以致用。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

CMOS集成電路課程是湖南工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解集成電路的發(fā)展動態(tài)，掌握CMOS集成電路的基本原理及分析和設(shè)計方法，初步熟悉集成電路的設(shè)計流程。這門課程不僅要為今后學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)的后續(xù)課程打下基礎(chǔ)，而且該課程本身涉及一些基本原理和基本分析及設(shè)計方法對于培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力也十分重要。

而目前湖南工業(yè)大學(xué)對于該課程采用的教學(xué)方式過分強調(diào)理論教學(xué)，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生對CMOS集成電路的分析和設(shè)計的能力。主要表現(xiàn)如下。

（1）教學(xué)手段比較單一，缺乏靈活性。雖然目前課程早已經(jīng)采用多媒體教學(xué)，但是其本質(zhì)仍然是以教師課堂授課為主，學(xué)生被動地聽課。而且本課程涉及很多CMOS集成電路的功能演示和性能分析，但是缺乏相應(yīng)的電子仿真軟件來輔助教學(xué)。CMOS集成電路課程的專業(yè)性較強，因此只能面向高年級的學(xué)生開課，由于受找工作、考研等方面的影響，學(xué)生本來就沒有什么心思上課，單一的課堂授課方式、枯燥無味理論性教學(xué)內(nèi)容無疑更加影響了課程的授課效果。

（2）缺乏實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一味地重視理論教學(xué)而忽視了設(shè)計的實踐性。作為專業(yè)課，本課程的課時本來就不多，要將大量的理論內(nèi)容在較短的時間里灌輸給學(xué)生，而又沒有相應(yīng)的實踐手段加以輔助，根本不能使學(xué)生接受和消化課程知識，更不能讓學(xué)生體會到CMOS集成電路的原理和性能在實際設(shè)計過程中所起作用的重要性。

（3）考試方法單一，不能全面體現(xiàn)學(xué)生的綜合思維和創(chuàng)造能力。目前，湖南工業(yè)大學(xué)對該課程所采用的考試方法仍然是理論考試，學(xué)生只能通過對書本知識的死記硬背來達到考核的目的，對該課程的認識是只知其然而不知其所以然，就算考試通過了，在面對具體問題時無從下手，即使能下手也方寸大亂，這樣的結(jié)果更加打擊了學(xué)生對本專業(yè)知識學(xué)習(xí)的積極性，也使得學(xué)生對自己所學(xué)專業(yè)的就業(yè)前途感到茫然。

2 引入項目教學(xué)法的教學(xué)模式

引入項目教學(xué)模式的目的是為了讓學(xué)生能夠積極主動地參與CMOS集成電路的課堂學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，進一步提高課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的實踐能力，以期培養(yǎng)高素質(zhì)、高能力的電子專業(yè)人才。

本文提出的項目教學(xué)模式在實施流程上主要分為以下幾個步驟：確定項目選題、課堂案例分析、項目分組及分工合作、項目驗收及考核。由于項目教學(xué)是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式，所以要想保證該課程項目教學(xué)的質(zhì)量，關(guān)鍵是如何有效地激發(fā)并持續(xù)保持學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

2.1 確定項目選題

在確定項目選題的過程中，首先必須以該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容為選題依據(jù)，項目理論基礎(chǔ)應(yīng)包含課程核心知識點，確保能與所學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，而且項目比較簡單、具體，具有可操作性，學(xué)生容易理解，這樣才能讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程當(dāng)中完成項目內(nèi)容。而在確定選題并論證的過程中，教師需要不斷地查閱相關(guān)專業(yè)書籍和文獻，以及進行實驗實踐操作等，不斷地提升教師的專業(yè)能力和學(xué)習(xí)能力。同時，項目在經(jīng)過充分的論證選取后，可以加入到項目庫中，并逐年更新。這樣在以后每年該課程的開始階段，教師就可以向?qū)W生安排項目。

2.2 課堂案例分析

項目選題確定以后，由于學(xué)生剛開始對課程內(nèi)容不了解，對項目內(nèi)容也不了解，所以教師可以先選取一個選題，以該項目為例，安排一定的課時在課堂講授包括課程核心知識點、項目的具體操作方法及需要得到什么樣的結(jié)果。例如，可以以74HC138集成譯碼器芯片為例，利用自頂向下的分析方法，從芯片級到電路級，從功能到性能，從輸入級到輸出級，掌握CMOS電路的構(gòu)成原理和規(guī)則，了解如何實現(xiàn)電路功能和達到對應(yīng)的性能，并采用Hspice軟件設(shè)計具體電路，并對電路進行仿真，通過分析仿真結(jié)果，達到掌握靜態(tài)CMOS邏輯電路直流和瞬態(tài)特性的目的。然后再根據(jù)動態(tài)CMOS電路的構(gòu)成特點，再次重復(fù)上述過程，并再次分析設(shè)計結(jié)果，并與靜態(tài)CMOS電路對比，從而達到真正理解和掌握CMOS集成電路的目的。

2.3 項目分組及分工合作

學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況和興趣及教師指導(dǎo)相結(jié)合的方式選擇題目，同時按照項目分析、設(shè)計、測試的角色組成5～6人的團隊，選舉1人作為項目負責(zé)人，明確各自的分工和職責(zé)，并與同學(xué)協(xié)作完成，以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神、溝通能力和團隊管理能力等。這樣將學(xué)生分為多個小組，在實際操作過程中可避免相同題目過多，防止發(fā)生相互抄襲的情況，便于完成對學(xué)生的考核。

在分工合作的過程中，教師與各組成員各司其職。教師除了要在最開始講授案例和課程核心知識點以外，還要在整個項目完成過程當(dāng)中充當(dāng)技術(shù)顧問，為學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和解決問題的方法及手段的建議，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考和討論。而小組成員除了組長要分配工作外，所有成員還要完成項目分析、設(shè)計、測試等工作，主要安排如下。

（1）分析項目。根據(jù)項目選題，分析項目要求，確定需要完成的CMOS電路功能，然后分析直流特性和瞬態(tài)特性的性能要求，確定可以完成該功能和性能的靜態(tài)CMOS電路和動態(tài)CMOS電路的構(gòu)成，給設(shè)計人員提出滿足要求的可行性的思路。分析人員在根據(jù)要求分析電路的同時，可以查閱相關(guān)文獻資料，比如所需元器件型號、功能、性能等，這樣既培養(yǎng)了學(xué)生查閱文獻資料的能力，又可以將查詢的相關(guān)結(jié)果交付給設(shè)計人員，以便設(shè)計人員更好地構(gòu)建電路。

（2）設(shè)計項目。按照分析人員給出的分析思路，選取適當(dāng)型號的CMOS電路元器件，自底向上地設(shè)計具體的電路，包括靜態(tài)CMOS電路和動態(tài)CMOS電路及各自的輸入和輸出級的設(shè)計，并將電路圖樣交給測試人員。設(shè)計人員在設(shè)計電路的過程中不僅可以掌握CMOS電路的構(gòu)成原理和規(guī)則，還能了解一些實際電路的制作過程和工序，這有利于半導(dǎo)體工藝課程的學(xué)習(xí)。

（3）測試項目。將設(shè)計人員設(shè)計的電路圖樣利用Hspice軟件繪制出來，然后通過軟件仿真功能對電路進行仿真，根據(jù)最終仿真數(shù)據(jù)和波形判斷是否達到項目要求。測試人員在進行電路測試之前，必須先掌握測試軟件Hspice的具體操作，包括如何制圖、如何運行電路及如何仿真等，此軟件也可以應(yīng)用于其他課程設(shè)計或者畢業(yè)設(shè)計。

2.4 項目驗收及考核

2.4.1 項目驗收

在完成項目任務(wù)要求后，由教師組織學(xué)生召開項目驗收會，學(xué)生按照分組各自進行項目答辯，首先介紹項目內(nèi)容及任務(wù)要求，然后演示項目成果，匯報包括設(shè)計思路、元器件選取依據(jù)、采用的技術(shù)、電路的優(yōu)勢及存在的問題等，同時接受教師和其他同學(xué)的提問，以團隊形式提交項目任務(wù)書、分析過程、設(shè)計過程及測試過程和結(jié)果資料，包括元器件清單，以及每周工作報告和任務(wù)跟蹤表等材料，統(tǒng)一建檔交給任課教師保管。

2.4.2 考核

課程考核主要分為3個部分，其中理論考核占40%，以期末開卷考試形式完成，主要考核學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)對具體案例進行思考、分析和解決問題的能力；實踐考核占40%，主要由各組驗收材料及答辯結(jié)果構(gòu)成，此部分由答辯時回答提問情況及項目成果完成情況綜合評分；平時成績占20%，主要根據(jù)每周工作報告和任務(wù)跟蹤表由任課教師綜合評價。

教師要及時進行總結(jié)，在教學(xué)過程中逐一分析，并提出解決方案，撰寫相關(guān)書面材料，與學(xué)生項目材料一并存檔，以便下次開課使用。

3 結(jié)語

作為一門電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課程，CMOS集成電路課程具有相當(dāng)重要的承前啟后的作用，但是傳統(tǒng)教學(xué)方式只會讓學(xué)生在眾多的專業(yè)課程的轟炸中變得茫然而乏味，不利于學(xué)生主動有效地學(xué)習(xí)專業(yè)知識，而且教師花費大量時間備課并講授而得不到足夠的回應(yīng)，也會打擊教師授課的積極性。因此，通過引入項目教學(xué)模式，不僅可以讓教師在論證項目選題和解答學(xué)生問題的過程中得到教學(xué)能力和專業(yè)素質(zhì)的提升和肯定，還可以讓學(xué)生轉(zhuǎn)變被動的學(xué)習(xí)觀念，樹立自主學(xué)習(xí)的理念，不斷增強主體意識和自我構(gòu)建意識，主動參與教學(xué)、積極思考、大膽探究，從而能夠讓教師和學(xué)生在整個課程學(xué)時的過程當(dāng)中實現(xiàn)雙贏的局面。

參 考 文 獻

[1]Sung Mo Kang.CMOS數(shù)字集成電路——分析與設(shè)計[M].第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]甘學(xué)溫.集成電路原理與設(shè)計[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[3]郁書好，蘇守寶，劉正余.基于項目驅(qū)動的軟件工程教學(xué)模式研究[J].皖西學(xué)院學(xué)報，2009（5）：60-62.

[4]周前能，李紅娟，吳貴能.模擬CMOS集成電路課程教學(xué)改革探索[J].素質(zhì)教育論壇，2011（1）：46-47.

[5]范會聯(lián)，仲元昌.基于項目驅(qū)動的軟件工程課程教學(xué)改革探索[J].教育與職業(yè)，2013（5）：147-148.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]