研究生課程教學中“三位一體”創(chuàng)新思維培養(yǎng)

羅 萍，周澤坤，樊 華, 蘇 琦

(電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 610054)

0 引言

研究生教育是為國家培養(yǎng)具有堅實基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)專業(yè)知識，以及良好創(chuàng)新精神的高級專門人才的環(huán)節(jié)，是整個教育鏈的最高端。高質(zhì)量研究生培養(yǎng)對我國實現(xiàn)教育強國具有重要意義。

課程學習是我國研究生培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到研究生的教育質(zhì)量和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。本科教學目標在于扎實數(shù)理基礎(chǔ)、開啟專業(yè)之門、拓寬知識視野、培養(yǎng)學生綜合能力。而研究生教學重在夯實學生的專業(yè)知識、提升其知識靈活運用與駕馭能力、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力和科學精神。

本文瞄準研究生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)目標，基于課堂教學主陣地，提出如圖1所示建立知識體系、應用案例分析、培養(yǎng)思維方法“三位一體”的研究生課程教學新模式，并將其運用于“模擬集成電路分析與設(shè)計”研究生課程教學中。

圖1 “三位一體”的研究生課程教學模式

1 建立知識體系

完整的知識體系是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。所謂知識體系，就是把具有內(nèi)在聯(lián)系或邏輯關(guān)系的大量不同的知識點，系統(tǒng)、有序地組合成某種類型的知識架構(gòu)。有了這個知識架構(gòu)，才能更好地理解問題、解決問題。

研究生課程教學是構(gòu)建研究生知識、素質(zhì)、能力的重要渠道。目前“啟發(fā)式教學”“課堂討論”[2]“案例分析”[3]等教學手段在研究生課程教學中廣為應用。但是，若這些手段運用不當，可能會讓學生只關(guān)注于教師拋出問題所涉及的某些知識點，導致學生僅掌握一些碎片化知識而非完整知識體系。碎片化知識，只能“頭疼治頭、腳痛醫(yī)腳”。相較于單純的知識積累，知識體系可顯著提升信息提取的有效性，知道事實之間的聯(lián)系遠比知道事實本身重要[4]。因此，知識體系的建立非常重要。

在有限的課堂學時下，如何讓學生掌握更多的知識，給課程教學帶來了很大的挑戰(zhàn)。課程知識體系的構(gòu)建有助于學生快速把握課程教學的知識架構(gòu)、形成課程內(nèi)容的整體觀，并理解碎片知識的關(guān)聯(lián)性。

“模擬集成電路分析與設(shè)計”是一門內(nèi)容多、難度大的研究生課程。利用思維導圖構(gòu)建如圖2所示的課程知識體系，在首次課時就向同學們展示該課程的教學內(nèi)容、所含章節(jié)知識點及其關(guān)聯(lián)性，從而讓學生快速建立起本課程項目知識概念、搭好體系框架。

圖2 “模擬集成電路分析與設(shè)計”課程知識體系

在具體學習某章節(jié)知識點時，還可以進一步細分圖2中的每一條枝干，形成章節(jié)內(nèi)局域知識體系。以“Differential Amps”為例，對其細化后可獲得教材第三章的主要知識點和知識體系，如圖3所示。教師借助知識體系作為知識牽引，學生通過對課程整體知識體系的了解和對局域知識體系的展開，可做到粗細分明、脈絡(luò)清晰、張弛有度，從而很好地掌握本門課程的要領(lǐng)。

圖3 Differential Amps局域知識體系

2 運用案例分析

案例分析教學法，針對課程重點、難點，選擇合適的問題或事例作為案例，學生基于已有知識點對案例進行分析，經(jīng)教師點評得出最終結(jié)論。

2.1 運用案例分析學習知識點

知識傳授是課程教學的主要任務(wù)。課程知識體系搭建好后，需要把具體的知識點補充上去。

本?！澳M集成電路分析與設(shè)計”研究生課程選用Willy Sansen先生編寫的《Analog Design Essentials》作為課程教材。該教材共24章777頁，涉及的知識點很多。同時，該教材編撰方式異于傳統(tǒng)教材，采用PPT配上少許文字介紹的形式。全書共計1462頁PPT，正文沒有任何公式推導，僅極簡的原理闡述，因此課程學習難度很大。在課程教學過程中，運用案例分析，選取具有代表性的知識點進行分析，可在知識系統(tǒng)完整的前提下，突出重點和難點，保證教學效果。

以圖3中的局域知識體系為例。圖3中無填充色的知識點為與前序課程教學內(nèi)容有交疊的地方，而有填充色的地方為本教材新知識點內(nèi)容。為了保持知識體系的完整性，對基礎(chǔ)知識點，采用教師問學生答等方式快速復習鞏固；對于教材新內(nèi)容，教師則會在課前完成這些知識點電路的公式推導和仿真，課堂上引導性地給出部分電路的分析和仿真結(jié)果；對帶虛框的有代表性的電路則讓學生選做為完成分析的電路案例。如圖4中4-Input Current Differential Amps的電路。分析此電路案例，一方面可對比電流差分與電壓差分的不同，另一方面可鞏固CG枝干中的Coscode知識點，并將其靈活應用于新電路中。對該知識點，教材只有圖4(a)所示電路結(jié)構(gòu)和iout的差分表達式，而無原理分析和公式推導。案例分析作業(yè)前一周布置后，同學們課后先自行分析，然后在第二周課堂上進行案例分析交流。圖4(b)和式(1)分別為同學在案例分析中給出的小信號等效電路和等效輸入電阻Rin1的分析結(jié)果。

作為省會的長沙，是湖南省的政治、經(jīng)濟、文化、交通和科教中心，并在2016年入選中國15個“新一線城市”之列，作為長株潭城市群的核心城市，長沙市城市建設(shè)日新月異，城市化水平不斷提高，但城市建設(shè)所帶來的環(huán)境地質(zhì)問題也日益突出，影響和制約著城市的發(fā)展，如城市垃圾產(chǎn)生量快速增加造成對城市的污染等。目前，長沙市垃圾填埋場是否適宜問題研究程度較低，本文采用層析分析法對該課題進行了初步研究，并提出了城市未來垃圾填埋場選址建議。

(a)電路結(jié)構(gòu)

(1)

式中，gm1、gm2、gm3和gds1、gds2、gds3分別代表圖4中M1、M2、M3管的跨導和漏源電導。

合理運用案例分析教學不僅可以在有限的課堂時間傳授更多的知識、提高課程教學效率，同時還可以有效調(diào)動學生的主動性、加深學生對知識點的理解和學習、提升學生的分析能力、思維能力和解決問題的能力。

2.2 運用案例分析拓展知識面

教材知識不足以讓學生了解本學科技術(shù)前沿。適時補充這方面知識可拓展工科研究生知識面、提升從事科研工作的興趣。

為了在有限的課堂時間內(nèi)學習到更多的新知識，了解更多模擬集成電路IC(Integrated Circuits)新結(jié)構(gòu)、新思想，“模擬集成電路分析與設(shè)計”課程開課18年來一直引入文獻閱讀案例分析環(huán)節(jié)。通過安排學生閱讀近期ISSCC，JSSC，TCAS等學科領(lǐng)域重要國際會議材料、SCI期刊中的專業(yè)文獻，并要求撰寫閱讀心得，而后遴選部分學生在課堂上用PPT分享他們所讀文獻的內(nèi)容，完成文獻案例分析的教學過程。

在選取文獻案例時，除了考慮該文獻能被同學理解得透徹之外，更要考慮文獻對課程重要知識點的應用度、提升度和學生的受眾性，如高性能的基準和運放方面的文獻就比高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器受眾面更廣。

有的學生在閱讀文獻時，還會對文獻中的電路進行仿真驗證，不僅可深入領(lǐng)悟文獻中電路的優(yōu)點，而且還發(fā)現(xiàn)其不足之處，并給出修改建議，這對學生來說無疑是一個創(chuàng)新的過程。

文獻閱讀作為案例分析，不僅可以彌補教材建設(shè)滯后、教學內(nèi)容陳舊的問題[5]，而且可以拓展學生視野、共享前沿知識，并強化學生自主學習和科技創(chuàng)新的意識。

2.3 運用案例分析塑造價值觀

“模擬集成電路分析與設(shè)計”課程知識點多、學時有限。教師就利用課間時間跟學生分享每周IC新聞與動態(tài)，如“模擬芯片創(chuàng)業(yè)大有可為”“臺積電三星新一輪爭奪戰(zhàn)開打”“利潤同比增10倍！中國芯片巨頭打出漂亮仗”等。通過課間插播業(yè)界新聞信息、報道相關(guān)行業(yè)政策，讓學生了解國內(nèi)外集成電路領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、技術(shù)發(fā)展動態(tài)、行業(yè)發(fā)展趨勢和個人肩負的使命。并從行業(yè)新聞中選3-4個思政案例，每個思政案例分析占用課堂2-5分鐘的時間，跟學生討論國內(nèi)外集成電路設(shè)計的差距、我國IC業(yè)存在哪些“卡脖子”的問題、如何實現(xiàn)突破和提升我國IC設(shè)計水平、新工藝下模擬IC的設(shè)計挑戰(zhàn)等等，一方面鼓勵學生認真學習、未來擔當重任，另一方面也打開了學生的腦洞、調(diào)節(jié)了課堂嚴肅的氣氛。起到了塑造學生價值觀、提高學生學習興趣、引導學生多方位思考問題的作用。圖5圖6表現(xiàn)了學生、教師在這方面的活動。

圖5 學生做文獻閱讀案例分析

圖6 教師課間分享IC新聞

3 培養(yǎng)思維方法

思維模式是人才創(chuàng)新的動力與源泉[7]。如果說研究生“三位一體”課程教學中“建立知識體系、運用案例分析”是方法、是途徑，那么思維方法、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)則是研究生課程教學的目標。

3.1 邏輯思維的培養(yǎng)

邏輯思維是人們借助概念、判斷、推理等思維形式認識事物本質(zhì)、把握對象規(guī)律的認知過程，是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。在知識學習和科學研究過程中，邏輯思維無處不在。邏輯思維能力是研究生應具備的基本能力，也是其培養(yǎng)的重要目標。

邏輯思維是基于已有知識和經(jīng)驗，對新事物、新問題的觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理。

巧婦難為無米之炊，基礎(chǔ)知識的學習和構(gòu)建是邏輯思維培養(yǎng)的根本。在課程教學中，讓學生梳理課程知識體系中各個知識點的關(guān)聯(lián)性、總結(jié)知識點由淺入深的變化規(guī)律、找尋其邏輯關(guān)系，進而完善知識體系，是培養(yǎng)學生找尋邏輯規(guī)律、進行歸納總結(jié)的邏輯思維方法的很好手段。

運用案例分析則是利用他人的經(jīng)驗，訓練學生的邏輯思維的有效方法。基于案例分析，引導學生分析案例中的對象是由什么基本電路組成？為什么要這樣設(shè)計？這樣的設(shè)計在功能、性能上有什么提升？這一案例的物理意義是什么？數(shù)學關(guān)系是什么？工程的可實現(xiàn)性如何？性價比如何？學生在回答這些問題的過程中，可逐步建立類比推理、綜合判斷的邏輯思維方法。

3.2 創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

創(chuàng)新思維是指以獨特新穎的方法解決問題的思維過程，它是邏輯思維的延伸。創(chuàng)新思維以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角去提出問題、思考問題，并給出獨辟蹊徑、與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨到的、量變到質(zhì)變的成果。

研究生應該是具有堅實專業(yè)知識，具有獨立思考能力、很強學習能力、豐富實踐能力的、明確價值取向的綜合性人才。

為訓練研究生們發(fā)現(xiàn)問題的能力，教師在案例選取和分析上不是全部包攬，而是通過有的放矢的啟發(fā)引導，在后面案例的選取和分析時讓學生在逐漸增加知識點的理解基礎(chǔ)上自主解決，只是遇到難點時才開展交流商討。這樣可根據(jù)每一屆學生生源與基礎(chǔ)的不同而靈活調(diào)整，做到因勢利導、因地制宜?？傊?，閱讀文獻的選取由學生根據(jù)興趣自己選擇，教師僅給出大方向和整體要求。找到問題、確定關(guān)注目標后，則通過案例分析培養(yǎng)學生的思維能力。通過鼓勵學生批判式地閱讀文獻，發(fā)現(xiàn)文獻所給電路的不足之處，并進行修改，由此培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力。

“模擬集成電路分析與設(shè)計”課程還安排了課程設(shè)計作業(yè)，讓3～5位學生組成一組設(shè)計一個模擬IC電路，進行實踐訓練。學生必須自學Hspice或Spectre等仿真軟件，再利用課堂中所學基本電路知識點、電路設(shè)計方法以及文獻中電路的設(shè)計新思想，才能完成課程設(shè)計要求的電路分析、參數(shù)設(shè)計、功能/性能仿真。課程設(shè)計是一個主動思考、積極創(chuàng)新的實踐過程、也是團隊協(xié)作、科學研究的一次嘗試，挑戰(zhàn)雖大，一旦完成，則能很好提升學生的IC創(chuàng)新思維能力和動手能力。

4 結(jié)語

本文提出建立知識體系、運用案例分析、培養(yǎng)思維方法“三位一體”的研究生課程教學模式，這一教學模式能充分體現(xiàn)研究生課堂教學中教師以知識牽引為主、授人予漁，學生以方法學習為主、發(fā)揮主動思考的育人思想。

以知識體系為牽引、以案例分析為手段、以培養(yǎng)研究生邏輯思維和創(chuàng)新思維方法為目標，利用“三位一體”的課程教學模式，提升了學生對課程整體知識快速掌握的能力以及創(chuàng)新思維能力。同時，在知識傳授的過程中，還完成對學生價值的塑造。