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>> “射頻集成電路設計”課程教學改革初探 應用于相控陣收發組件的射頻微波集成電路設計探討 納米尺度互連線寄生參數的仿真及應用于CMOS射頻集成電路設計 模擬集成電路設計教學探討 《集成電路設計》課程教學改革與探索 集成電路設計本科教學改革探索 集成電路設計與集成系統專業人才培養模式的探究 集成電路設計與集成系統專業CDIO培養模式的研究與實踐 集成電路設計專業課程體系改革與實踐 《數字集成電路設計原理》課程教學探索 集成電路設計作為專業核心課程設置的探討 集成電路設計方法及IP設計技術的探討 集成電路設計的本科教學現狀及探索 模擬集成電路設計教學方法探討 《專用集成電路設計》教學方法初探 結合集成電路設計大賽談創新能力的培養 同步數字集成電路設計中的時鐘偏移分析 《2012中國集成電路設計業發展報告》的統計及結論 模擬集成電路設計的自動化綜合流程研究 以工程需求為導向的集成電路設計閉環教育研究 常見問題解答 當前所在位置:l.
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收稿日期:2013-09-10
以集成電路為龍頭的信息技術產業是國家戰略性新興產業中的重要基礎性和先導性支柱產業。國家高度重視集成電路產業的發展,2000年,國務院頒發了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務院了《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業和信息化部印發了《集成電路產業“十二五”發展規劃》,我國集成電路產業有了突飛猛進的發展。然而,我國的集成電路設計水平還遠遠落后于產業發展水平。2013年,全國進口產品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務院總理在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產業,明確指出,要設立新興產業創業創新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數據、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領未來產業發展。2014年6月,國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》,加快推進我國集成電路產業發展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設計人才是集成電路產業發展的重要保障。2010年,我國芯片設計人員達不到需求的10%,集成電路設計人才的培養已成為當前國內高等院校的一個迫切任務[1]。為滿足市場對集成電路設計人才的需求,2001年,教育部開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業[2]。
我校2002年開設電子科學與技術本科專業,期間,由于專業調整,暫停招生。2012年,電子科學與技術專業恢復本科招生,主要專業方向為集成電路設計。為提高人才培養質量,提出了集成電路設計專業創新型人才培養模式[3]。本文根據培養模式要求,從課程體系設置、課程內容優化兩個方面對集成電路設計方向的專業課程體系進行改革和優化。
一、專業課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業基礎課的教學?!皩I物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設計的專業基礎課,為后續更好地學習專業方向課提供理論基礎。如果基礎不打扎實,將導致學生在學習專業課程時存在較大困難,更甚者將導致其學業荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結構、工作原理和工作特性,學生在后面學習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學得懂。
但國內某些高校將這些課程設置為選修課,開設較少課時量,學生不能全面、深入地學習;有些院校甚至不開設這些課程[4]。比如,我校電子科學與技術專業就沒有開設“晶體管原理”這門課程,而是將其內容合并到“模擬集成電路原理與設計”這門課程中去。
2.課程開設順序不合理。專業基礎課、專業方向課和寬口徑專業課之間存在環環相扣的關系,前者是后者的基礎,后者是前者理論知識的具體應用。并且,在各類專業課的內部也存在這樣的關系。如果在前面的知識沒學好的基礎上,開設后面的課程,將直接導致學生學不懂,嚴重影響其學習積極性。例如:在某些高校的培養計劃中,沒有開設“半導體物理”,直接開設“晶體管原理”,造成了學生在學習“晶體管原理”課程時沒有“半導體物理”課程的基礎,很難進入狀態,學習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學習MOS晶體管的工作狀態時,如果沒有半導體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關。
3. 課程內容理論性太強,嚴重打擊學生積極性。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業基礎課程本身理論性就很強,公式推導較多,并且要求學生具有較好的數學基礎。而我們有些教師在授課時,過分強調公式推導以及電路各性能參數的推導,而不是側重于對結構原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學生(尤其是數學基礎較差的學生)學習起來很吃力,學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業課程體系。形成“4+3+2”專業課程體系模式:“4”是專業基礎課“專業物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業方向課“集成電路原理與設計”、“集成電路工藝”和“集成電路設計CAD”;“2”是寬口徑專業課“集成電路應用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優化和循序漸進的原則,根據學習每門專業課所需掌握的基礎知識,環環相扣,合理設置各專業課的開課先后順序,形成先專業基礎課,再專業方向課,然后寬口徑專業課程的開設模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養模式,也就是三個本科專業
大學一年級、二年級統一開設課程,主要開設高等數學、線性代數、力學、熱學、電磁學和光學等課程,重在增強學生的數學、物理等基礎知識,為各專業后續專業基礎課、專業方向課的學習打下很好的理論基礎。從大學三年級開始,分專業開設專業課程。為了均衡電子科學與技術專業學生各學期的學習負擔,大學三年級第一學期開設“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業基礎課程。其中“固體物理與半導體物理”這門課程是將固體物理知識和半導體物理知識結合在一起,課時量為64學時,由2位教師承擔教學任務,其目的是既能讓學生掌握后續專業方向課學習所需要的基礎知識,又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設“電子器件基礎”、“集成電路原理與設計”、“集成電路設計CAD”和“微電子工藝學”等專業課程。由于“電子器件基礎”是其他三門課程學習的基礎,為了保證學習的延續性,擬將“電子器件基礎”這門課程的開設時間定為學期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學生在學習專業方向課時具有高的學習效率和大的學習興趣。另外,“集成電路原理與設計”課程設置96學時,由2位教師承擔教學任務。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為6~17周;再講授“CMOS數字集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為8~19周。大學四年級第一學期開設“集成電路應用”和“集成電路封裝與測試技術”等寬口徑專業課程,并設置其為選修課,這樣設置的目的在于:對于有意向考研的同學,可以減少學習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學,可以更多了解專業方面知識,為找到好工作提供有力保障。 2.優化專業課程的教學內容。由于我校物理與電子科學學院本科生采用信息科學大類培養模式,專業課程要在大學三年級才能開始開設,時間緊湊。為實現我校集成電路設計人才培養目標,培養緊跟集成電路發展前沿、具有較強實用性和創新性的集成電路設計人才,需要對集成電路設計方向專業課程的教學內容進行優化。其學習重點應該是掌握基礎的電路結構、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結于電路各性能參數的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業基礎課程教學中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導,側重于對基本原理及特性的物理意義的學習,以免削弱學生的學習興趣。MOS器件是目前集成電路設計的基礎,因此,在“晶體管原理”中應當詳細講授MOS器件的結構、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業方向課程,教師不但要講授集成電路設計方面的知識,也要側重于集成電路設計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關內容的教學。實驗實踐教學是培養學生的知識應用能力、實際動手能力、創新能力和社會適應能力的重要環節。因此,在專業方向課程中要增加實驗教學的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設計”課程中,總課時量為48學時不變,理論課由原來的38學時減少至36學時,實驗教學由原來的10學時增加至12個學時。36學時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關電路等多種電路結構。12個學時的實驗教學中2學時作為EDA工具學習,留給學生10個學時獨自進行電路設計。從而保證學生更好地理解理論課所學知識,融會貫通,有效地促進教學效果,激發學生的學習興趣。
關鍵詞:微電子;集成電路;課程群;親產業
中圖分類號:G642.0文獻標志碼:A文章編號:1674-9324(2019)19-0163-02
一、引言
微電子(集成電路)被稱為現代信息社會的“食糧”,是一個國家工業化和信息化的基礎。自2014年我國《國家集成電路產業發展推進綱要》,設置千億級的集成電路發展基金以來,南京、合肥、重慶、成都、武漢、廈門等地相應出臺了區域性的集成電路發展政策。廈門依據毗鄰臺灣的區位優勢,設立了500億人民幣的集成電路產業基金,并陸續了《廈門市加快發展集成電路產業實施意見》和《廈門集成電路產業發展規劃綱要》,擬形成區域性的集成電路產業集聚地,打造集成電路千億產業鏈,最終形成我國集成電路的東南重鎮。
在此背景下,廈門政府在集成電路設計、生產制造、封測以及人才儲備,全方位進行布局和規劃。設計方面:紫光集團投資40億元設立紫光展銳產業園、研發中心項目,引進展訊等國內通信芯片設計的龍頭企業。廈門優訊、矽恩、科塔等集成電路設計企業也在高速、射頻芯片領域取得可喜進展,僅2016年,廈門就新增加60余家集成電路設計企業。2017年整體產值達到140億元;生產制造方面:與臺灣集成電路巨頭聯華電子合資設立了聯芯12寸晶圓廠項目,總投資達62億美元,已于2016年12月正式投產;三安集成電路有限公司和杭州士蘭微電子股份有限公司,主攻三五族化合物半導體芯片生產;泉州晉華12寸存儲器廠則著眼于動態存儲器的生產和銷售;封測方面則引入通富微電子股份有限公司,力爭打造一小時產業生態圈;人才儲備方面:廈門政府與中國科學院微電子所共建中國科學院大學廈門微電子工程學院,輔以廈門大學、廈門理工學院、華僑大學等微電子學科,為廈門集成電路的生產和設計輸送人才。
在此背景下,我校于2016年12月建立微電子學院,聯合臺灣交通大學、元智大學等微電子老牌名校,共同探索適合廈門及周邊地區的微電子人才培養策略,力求建立較為完善的課程群體系,為在閩的微電子企業培養專業人才。
二、微電子工程專業特點
首先,微電子專業與傳統的機械、化工、電子等專業不同,是一門交叉性很強的學科,需要該專業學生系統地學習數字、物理、電子、半導體器件、集成電路設計、電路封裝、計算機等多方面的知識理論,并且能夠將各門學科融會貫通,熟練運用。其次,微電子專業入門門檻高、知識體系更新速度快,貼近產業。這就要求學生在具有堅實理論基礎的同時,實踐動手能力較強,才能在短時間內將所學理論和實踐結合,迅速融入工業界或者科學研究。第三,微電子是一個龐大的系統專業。從大類上可以分成工藝、器件、設計、封裝、測試五個大方面。但每一個大類又可分為幾個甚至數十個小門類。如設計類又可細分為模擬集成電路、數字集成電路、射頻集成電路、混合信號集成電路等四個門類。而例如數字集成電路,又可繼續分為數字前端、數字后端、驗證、測試等小方向。各個方向之間知識理論差異較大,對學生素質提出了極高的要求[1]。
三、微電子工程課程群實踐
(一)微電子工程專業培養策略
結合廈門微電子產業特點,以市場需求為導向,同時充分利用海峽兩岸交流方面的優勢,立足于我?!坝H產業、重應用”的辦校原則,我校微電子工程專業設置為工藝和設計兩大類方向,應對周邊產業需求,對該專業學生進行差異化培養。在本科前兩年公共課的基礎上,大三學年,根據學生興趣及教師雙向篩選,確定學生未來兩年的學習方案,分別在器件/制造、模擬/數字集成電路設計兩方面進行課程教授和實踐鍛煉,培養專業門類細化、適應企業實用化需要的高素質、實踐型人才。同時,在一些專業課程講授上,聘請臺灣方面有經驗的教師和工程師,結合產業現狀進行教授和輔導。
(二)微電子工程專業培養目標
對于我校應用型本科院校的定位,區域產業經濟和行業的發展是重要的風向標,因此在微電子專業人才培養上必須突出“工程型、實用型和快速融入型”的特點。主要培養目標如下:(1)掌握半導體器件及工藝的基本理論基礎、電子線路的基本理論與應用、計算機使用、電子系統信號處理的基本知識、集成電路及板級設計的基本技能。(2)具備半導體及集成電路設計、制造,PCB板級設計、制造、測試的基本能力,工程項目管理、品質管理、設備維護的基本素養。(3)能在半導體、集成電路設計、制造行業,從事集成電路設計、制造、研發、測試、品質管理、廠務管理、設備維護等相關工作,畢業三到五年后通過自身學習逐步成長為本領域的骨干技術人員和具有較強工作能力的核心工程師[2]。
(三)微電子工程專業課程群制定實踐
基于我校應用型本科“親產業”的學校定位,在微電子專業課程群建設中,我們首先引入CDIO的教學理念。CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate,即構思—設計—實施—運作)工程教育是以理論教學為基礎,工程實際反饋互動為主要形式的培養方案[3,4]。基于此,課程群制定從知識邏輯(課程環節)和項目實施(工程實踐)兩個角度,對學生的綜合素質進行培養、鍛煉。
集成電路設計實踐主要是提供學生一個實踐平臺,采用先進的集成電路仿真軟件,將書本上的知識采用模擬的方法進行加深理解。實踐內容既是電路、模擬電子技術、數字電子技術以及課程設計中所學知識的應用,又是與最前沿科技緊密聯系的。而傳統的教學內容和教學模式,缺乏對學生創造力的培養,也缺乏與前沿科技的聯系,因此需要進行教學改革的探討和實踐。隨著教育改革的不斷深入,傳統的實踐教學中“以教師為中心”、“以灌輸為主要方式”的教學模式已無法適應時代的要求。先進的教學模式是人才培養的關鍵措施。研究型教學模式,又稱為研討式教學模式,是指教師以課程內容和學生的知識積累為基礎,引導學生創造性地運用知識、自主地發現問題、研究問題和解決問題,以學生為中心,以知識掌握為基礎,以能力培養為主線,以提高素質為目的的一種新模式。集成電路設計實踐同樣需要采用先進的教學方式,提高學生的創新能力,培養研究型IC設計人才。
2研究型實踐教學模式的作用分析
集成電路設計實踐引入研究型實踐教學模式,可以使相關領域的學生真正實現學有所用,不僅學習了集成電路設計的軟件知識,同時可以將課堂的理論知識通過工藝模型、電路設計、仿真方法來復現,從而更深入的理解理論知識,而且可以通過一些電路實例來解釋生活中的一些現象,激發學習的興趣。集成電路設計是實踐性很強的一個方向,要求將工藝、器件、電路、版圖四個方面的理論課程融會貫通,而傳統的實踐教學旨在加強學生對軟件的認識,忽略對理論內容的加深與貫通。通過研究型實踐教學模式的開展,可以在保證教學大綱不變的前提下,通過選擇適用性較強的實踐內容,使學生一方面能夠將各門理論課的知識加深及貫通,另一方面可以使學生接觸到用人單位感興趣的課題內容,有利于學生加強實踐的動力和持續進步。通過研究型實踐,對學校而言,可以培養更優秀學生;對學生而言,可以掌握前沿知識、促進就業。研究型實踐成果的實現為學生的晉升、發展提供支持。學生的實踐研究成果如能公開發表或獲獎,能解決實際工作中的問題,這無形中為學生在工作崗位上的晉升、發展增加籌碼。這在最大程度上激發學生的實踐興趣,是其他任何實踐模式都不可比擬的。同時,研究型實踐教學鼓勵學生多看文獻、多寫總結報告,這也為學生撰寫本科畢業論文打下良好的基礎。
3研究型實踐教學模式的具體實施
3.1課程結構優化
指導學生接觸各類資料,能夠提出問題,進而解決問題以掌握知識、應用知識,完成對知識的一個探求過程;對實驗內容進行適當調整和完善,使課程體系更全面更科學,更能貼近行業發展,更能體現學生的主動性。
3.2采用課堂討論進行專題研討的教學方法
在研究型實踐教學模式中,師生互動有助于學生對基本概念、基本理論、基本方法的理解和掌握。根據課程需要,結合國內外的研究現狀和發展趨勢,采用與行業內吻合的實驗軟件,挑選合適的電路原型做仿真設計,并共同探討電路的優化方案。
3.3專業資料查詢能力培養
為學生提供研究資料或指導學生進行資料查詢、整理,鼓勵學生從圖書館、書店、網絡等各種途徑查閱文獻資料,以充實自己的研究基礎。提醒學生要對已收集的資料進行批判性的研究,去偽存真,指導學生從這些資料中總結、分析、解釋與實踐研究課題相關的理論、知識經驗以及前人的研究成果。
3.4指導學生撰寫專題論文(報告)
在研究型實踐教學過程中,指導學生通過論文、調查報告、工作研究、分析報告、可行性論證報告等形式記錄實踐研究成果。在撰寫論文時,要求學生要了解實踐課題研究報告的一般撰寫格式;要先擬訂論文的寫作提綱,組織好論文的結構,做到綱舉目張;會用簡練、嚴謹、準確的語言表達自己的思想,不追求文章的長短。指導學生開展專題電路討論,由學生根據自己感興趣的課題來查找文獻資料,進行研究,完成電路設計和仿真,最后完成專題論文的撰寫。
3.5鼓勵學生參與課題研究
為調動學生參與科研創新活動的積極性,激發學生的創新思維,提高學生實踐創新能力,鼓勵學生參加老師的課題,鍛煉學生的動手能力,培養“研究型”的思維模式。
4研究型實踐教學模式對教師和學生的要求
4.1研究型實踐教學模式對教師的要求
研究型實踐教學模式的實施對任課教師提出了新的要求:一是要熟練地掌握課程的基礎知識和內在結構,還要掌握與課程相關的專業基礎知識和實踐的基本技能;二是要掌握學科最新信息,不斷更新知識,了解課程所涉及學科的最新動態和取得的最新研究成果;三是要熟練運用科學研究的方法和手段。這些都對教師提出了更高的要求。
4.2研究型實踐教學模式對學生的要求
關鍵詞:電子科學與技術;課程建設;實踐創新能力
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)25-0103-02
電子科學與技術作為信息技術發展的基石,伴隨著計算機技術、數字技術、移動通信技術、多媒體技術和W絡技術的出現得到了迅猛的發展,從初期的小規模集成電路(SSI)發展到今天的巨大規模集成電路(GSI),成為使人類社會進入了信息化時代的先導技術。電子科學與技術專業是國家重點扶植的學科,本專業作為信息領域的核心學科,培養國家急需的電子科學與技術專業高級人才。
在新的歷史條件下,開展電子科學與技術專業課程建設的改革與實踐研究是非常必要的,這對于培養出具有知識、能力、素質協調發展的微電子技術應用型創新創業人才具有重要的指導意義和戰略意義。本文依據電子科學與技術專業本科生課程建設的實際情況,詳細分析了本專業在課程建設過程中存在的問題,提出了關于電子科學與技術專業課程建設的幾點改革方案,并進行了一定的探索性實踐。
一、目前課程建設中存在的一些問題
1.在課程設置方面,與行業發展結合不緊密,缺乏專業特色和課程群的建設,課程之間缺少有效地銜接,難以滿足當前人才培養的需求。本專業的課程設置應當以培養具有扎實的微電子技術領域理論基礎和工程實踐能力,能從事超大規模集成電路設計、半導體器件和集成電路工藝制造以及相關電子信息技術應用工作的高級工程技術人才和創新創業人才為培養目標來進行課程建設。
2.在創新實踐教學方面,存在重理論教學和課堂教學,缺乏必要的實踐環節,尤其是創新實踐環節的教學,相關實踐和實驗教學手段和教學方法過于單一,僅在教師課堂教學講授范例和實驗過程的基礎上,指導學生進行課程實驗,學生按照課程實驗手冊上的具體步驟逐一進行操作,完成課程所要求的實驗。單一的實驗和實踐教學方式難以提升學生的創新實踐和動手能力,更難以實現對所學知識的實踐和靈活運用,難以滿足當前強調以實踐為主,培養實踐型創新人才的要求。
二、課程建設改革的目的與任務
結合集成電路行業未來的發展趨勢以及電子科學與技術專業總體就業前景和對人才的需求結構。根據我國電子科學與技術產業的現狀和發展需求,通過對電子科學與技術專業的課程建設進行改革,重點強調工程實訓與創新實踐,在課程教學中體現“激發興趣、夯實基礎、引導創新、全面培養”的教學方針。重新規劃專業培養方案和課程設置,以集成電路工藝與設計為重點,設置課程群,構建新的科學的課程體系,突出特色,強化能力培養。
三、課程建設改革的具體內容
人才培養目標以厚基礎、寬口徑、重實踐、偏工程為宗旨,培養具有扎實的微電子技術領域理論基礎和工程實踐能力,能從事超大規模集成電路設計、半導體器件和集成電路工藝制造以及相關電子信息技術應用工作的高級工程技術人才和創新創業人才。以大規模集成電路設計、制造和工藝、電子器件和半導體材料、光電子技術應用等方面為專業特色進行課程建設改革,具體的改革內容如下。
1.課程設置。首先,根據本專業人才培養目標要求按需設課,明確設課目的,并注意專業通識課、專業基礎課、專業限選課和專業任選課之間的銜接與學時比例,加強集成電路設計與集成電路工藝方面的課程設置,突出微電子技術方向的特色,明確專業的發展目標和方向,將相關課程設置為課程群,通過相關課程的有效銜接,突出能力培養。其次,隨著電子科學與技術的不斷發展,注重本專業課程設置的不斷更新和調整。
2.教學方式。首先,加強對青年教師的培養和訓練,注重講課、實驗、考試及課下各個環節的相互結合,即課堂與課下相結合,講課與實驗相結合,平時與考試相結合。其次,講課中注重講解和啟發相結合,板書和多媒體相結合;實驗中注重方法和原理相結合,知識和能力相結合;考試中注重面上與重點相結合,概念與計算相結合,開卷與閉卷相結合,重點開展課程的網絡化建設,將相關實驗課程的教學錄像上網,通過網絡教學加強學生的實驗實踐能力培養和提高。第三,注重雙語課程的開設與優秀經典教材的使用相結合,雙語課程與國際該課程接軌。
四、結語
科學與技術專業課程建設應當圍繞電子科學與技術專業應用型人才的培養和專業特色,通過制訂適用集成電路人才培養目標的培養方案、課程設置、實驗體系和教學計劃,突出集成電路工藝與設計實踐環節,進而有效地提高實驗和實踐教學質量,為培養具有實踐創新能力的科技創新型人才奠定了基礎。
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Reform and Exploration of Course Construction of Electronic Science and Technology
CHEN Li-ying
(School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)