“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程研究生教學(xué)實(shí)踐研究

李晉文，曹躍勝，郭 陽

(國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南長沙410073)

0 引言

近年來，我國的集成電路產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，在一些產(chǎn)業(yè)方向和應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)取得了突破性進(jìn)展。然而不難發(fā)現(xiàn)，這些進(jìn)展和突破主要集中在數(shù)字集成電路方面。我國在模擬及數(shù)模混合集成電路方面，包括設(shè)計(jì)能力和制造工藝上都與國際上先進(jìn)水平有較大差距。因此，培養(yǎng)合格、優(yōu)秀和具有創(chuàng)新精神的模擬與數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)人才一直是我們面臨的艱巨而迫切的任務(wù)。

2003年以來，國家出臺了一系列鼓勵(lì)政策推動(dòng)了相關(guān)高校采取有力的舉措確實(shí)培養(yǎng)了一大批集成電路設(shè)計(jì)人才[1]。然而，除少數(shù)高校、研究所和企業(yè)之外，模擬和數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)水平和能力都還是主要的技術(shù)軟肋;在大多數(shù)高校，“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程也是教學(xué)軟肋之一。

結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文針對“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程的一些特點(diǎn)，提出在教學(xué)內(nèi)容方面以模擬為中心，注意兼顧深度和廣度等原則;在教學(xué)方法上，采取教學(xué)對象細(xì)分，理論結(jié)合工程實(shí)踐以及分析與設(shè)計(jì)并重等思路，取得了良好的教學(xué)效果和課堂評價(jià)。

1 課程體系與設(shè)置

在國內(nèi)主要綜合性大學(xué)，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的碩士研究生課程體系中，絕大部分都開設(shè)了數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)方面的課程，其中大約60%左右的高校開設(shè)了模擬集成電路設(shè)計(jì)方面的課程，只有少數(shù)高校開設(shè)了“模擬與數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)”，也有極少數(shù)高校將其細(xì)分為“模擬集成電路設(shè)計(jì)”、“數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)”和“模擬集成電路設(shè)計(jì)實(shí)踐”三門課。

根據(jù)大多數(shù)研究所和企業(yè)的市場需求，以及研究生畢業(yè)后實(shí)際工作的情況，大部分做數(shù)字，小部分做模擬是比較正常穩(wěn)定的狀況。因此，對于大多數(shù)高校專業(yè)課程設(shè)置，開設(shè)“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程，以模擬集成電路為主要教學(xué)內(nèi)容，兼顧數(shù)?；旌霞呻娐穬?nèi)容，應(yīng)該是比較合適的。

2 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

2.1 兼顧深度和廣度

模擬和數(shù)模混合集成電路方面的教學(xué)內(nèi)容中，知識點(diǎn)多，即深又廣，從底層的基本器件物理基礎(chǔ)，到基本的多種形態(tài)單級和多級放大器、電壓電流基準(zhǔn)、濾波器、開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)、有源和無源電流鏡，再到比較復(fù)雜的運(yùn)放、比較器、鎖相環(huán)、振蕩器和混頻器，更復(fù)雜的有數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換以及并串變換(SerDes)等數(shù)?；旌霞呻娐?。而深度和廣度是矛盾的，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)兼顧教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，難度確實(shí)比較大。

本文的解決思路是:教學(xué)內(nèi)容盡可能注意寬廣一些，只在局部幾個(gè)關(guān)鍵知識點(diǎn)上，進(jìn)行比較深入的講授。具體辦法是選擇經(jīng)典國外教材作為主教材，比如文獻(xiàn)[2]，并推薦其它幾本書作為輔助教材，比如文獻(xiàn)[3]和[4]，再推薦文獻(xiàn)[5]和[6]作為補(bǔ)充教材。模擬集成電路的主要內(nèi)容，從基本的器件原理到復(fù)雜的模擬和數(shù)?；旌霞呻娐啡鏟LL、ADC甚至SerDes等，在教學(xué)中都講授到，避免學(xué)生知識面過窄。另一方面，選取幾個(gè)關(guān)鍵知識點(diǎn)，包括放大器的分析與設(shè)計(jì)、負(fù)反饋的分析與設(shè)計(jì)以及放大器的頻率特性，設(shè)立專題研究，加強(qiáng)深度，從電路設(shè)計(jì)到電路圖仿真以及版圖設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的參與度和實(shí)際動(dòng)手能力，避免學(xué)生僅僅浮在面上，對模擬電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識不夠深刻。

2.2 以模擬電路為中心

考慮到在微電子學(xué)科碩士研究生課程體系設(shè)置中已經(jīng)有比較多的數(shù)字相關(guān)課程，而且數(shù)模混合集成電路的難點(diǎn)主要是在模擬部分，因此雖然課程名字設(shè)置為“數(shù)模混合集成電路”，實(shí)際在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，仍然堅(jiān)持以模擬電路為中心。我們應(yīng)該注意專門講授幾個(gè)重點(diǎn)問題:模擬與數(shù)字電路的分析與設(shè)計(jì)方法差異;模擬與數(shù)字電路工藝和版圖的差異;數(shù)?；旌吓c純數(shù)字和純模擬集成電路在設(shè)計(jì)方法、工藝及版圖方面的差異。

2.3 兼顧C(jī)MOS與非CMOS工藝

近年來，由于成本方面的優(yōu)勢，模擬集成電路越來越多地使用了CMOS工藝，甚至在越來越多的經(jīng)典教科書，比如文獻(xiàn)[2]的標(biāo)題都加上了“CMOS”作為限定詞，只介紹基于CMOS工藝的模擬電路設(shè)計(jì)。事實(shí)上，在實(shí)際教學(xué)中只講CMOS工藝是不合理也是不完備的，會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生不了解更多的模擬集成電路仍然并將繼續(xù)使用雙極型、BiCMOS和砷化鎵和鍺硅等多種工藝，而且這些工藝有著很多CMOS無法比擬和超越的特點(diǎn)和性能，在分析和設(shè)計(jì)方法上也有著不同之處。因此，在堅(jiān)持以CMOS工藝為中心，補(bǔ)充其它工藝，并進(jìn)行橫向比較，無疑是有益的。

2.4 注重銜接與層次提升

需要注意的是，絕大多數(shù)的微電子學(xué)科碩士研究生，在本科階段或多或少地都會(huì)學(xué)習(xí)模擬電路課程，比如經(jīng)典教材[7]，他們大部分都是具備一定模擬電路基礎(chǔ)的。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，需要注意與本科相關(guān)內(nèi)容的繼承與銜接。本科階段主要以雙極工藝為主，而研究生以CMOS為主。實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，以并列比較法進(jìn)行銜接和過渡的效果會(huì)比較好。

另外一方面，也要注意與本科層次模擬電路課程的區(qū)分與提升。一是要強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的深度?？梢钥紤]參照某些國外高校，將課程分為“初級數(shù)?；旌霞呻娐贰焙汀案呒墧?shù)?；旌霞呻娐贰眱蓚€(gè)層次[8，9];二是要擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容的廣度;三是要加強(qiáng)實(shí)踐性課程實(shí)驗(yàn)在研究生教學(xué)中的地位和所占比例，強(qiáng)化綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的作用;四是在教學(xué)中，結(jié)合每年IEEE國際固體電路會(huì)議—ISSCC上的文章，介紹國外模擬集成電路方面的熱點(diǎn)和最新進(jìn)展，做一些專題講座;介紹我校相關(guān)科研項(xiàng)目的背景情況，提升研究生對課程的興趣和熱情，提高研究性學(xué)習(xí)的能力。

3 教學(xué)方法優(yōu)化

3.1 教學(xué)對象細(xì)分

我校研究生的來源不同，本科階段的專業(yè)也不盡相同，有電子類專業(yè)，有計(jì)算機(jī)專業(yè)，也有控制類專業(yè)，甚至還有數(shù)學(xué)物理類專業(yè)，在模擬包括數(shù)字電路方面的基礎(chǔ)有較大差別。

我們?yōu)榇嗽趯?shí)際教學(xué)中，采用細(xì)分教學(xué)對象的方法。具體作法是，在第一次上課時(shí)對選課研究生的基本情況進(jìn)行摸底，包括本科學(xué)校及專業(yè)，本科模擬課程開設(shè)情況，研究生專業(yè)、類型和修課課目，以及碩士階段是否擬選擇混合集成電路設(shè)計(jì)作為研究方向等。然后對摸底情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，并據(jù)此適當(dāng)調(diào)整部分課程內(nèi)容。在實(shí)際教學(xué)過程中，在以大多數(shù)教學(xué)對象為主要教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，綜合兼顧各種不同情況的教學(xué)對象。在課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)上，采取過兩種策略，一是按學(xué)生類型分組，不同類型的組分配不同難度的題目;二是所有的組分配相同難度的題目，將不同類型的學(xué)生進(jìn)行混編分組，基礎(chǔ)好的帶基礎(chǔ)差的，實(shí)現(xiàn)互相學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。

3.2 EDA結(jié)合工程實(shí)踐

EDA仿真和設(shè)計(jì)軟件在實(shí)際的模擬集成電路工程中具有十分重要的作用。在實(shí)際教學(xué)中，將EDA仿真軟件引入課堂教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對模擬電路基本概念的感性和直觀認(rèn)識，使用EDA軟件仿真驗(yàn)證理論推導(dǎo);增加物理設(shè)計(jì)專題課，結(jié)合EDA仿真、物理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證軟件，講授數(shù)?；旌霞呻娐返姆抡嬖O(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程;在課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合工程實(shí)踐，讓每個(gè)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手使用仿真和設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)小的電路模塊。

另一方面，我們也注意到，近年來在工業(yè)界甚至學(xué)術(shù)界都存在對于EDA仿真軟件過于依賴的趨勢，不少學(xué)生和工程技術(shù)人員甚至想完全由EDA軟件代替理論推導(dǎo)和人的思考，實(shí)際上是不科學(xué)的。因此，在強(qiáng)化EDA仿真軟件訓(xùn)練的同時(shí)，要求學(xué)生堅(jiān)持進(jìn)行手工推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)EDA仿真軟件的主要功能是驗(yàn)證人的設(shè)計(jì)思想。

3.3 MOOC 的探索

大規(guī)模開放在線課程MOOC的理念是借助于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)提供優(yōu)質(zhì)教育資源，已成為美國高等教育界最熱門的話題。MOOC與國內(nèi)多年前流行過的電視廣播教育和現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育有什么本質(zhì)的區(qū)別，這值得大家仔細(xì)對比研究和深入思考。

“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程在借鑒MOOC這些方面的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了一些嘗試。一是以“短課程+交互式練習(xí)”為基本教學(xué)單元的知識點(diǎn)組織模式和學(xué)習(xí)模式，根據(jù)“數(shù)模混合集成電路”課程的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了“多級放大器”、“負(fù)反饋”和“模擬電路版圖設(shè)計(jì)”幾個(gè)典型的MOOC實(shí)例，實(shí)際嘗試表明，短小精煉的教學(xué)單元有助于學(xué)生保持課堂注意力，提高教學(xué)效果，強(qiáng)化知識點(diǎn)的掌握。二是“基于學(xué)習(xí)的個(gè)性化教學(xué)”，根據(jù)每個(gè)學(xué)生的課堂反應(yīng)和反饋，包括作業(yè)、課程設(shè)計(jì)及綜合實(shí)驗(yàn)的情況，為每個(gè)學(xué)生設(shè)立學(xué)習(xí)情況數(shù)據(jù)庫，從中提取教學(xué)效果評價(jià)，綜合調(diào)整“數(shù)?；旌霞呻娐贰苯虒W(xué)內(nèi)容，定制個(gè)性化的練習(xí)、作業(yè)和思考題，嘗試實(shí)現(xiàn)因材施教。

4 結(jié)語

本文針對“數(shù)?；旌霞呻娐贰闭n程的特點(diǎn)，提出在教學(xué)內(nèi)容方面注意兼顧深度和廣度、以模擬為中心等基本原則;在教學(xué)方法上，采取教學(xué)對象細(xì)分，理論結(jié)合工程實(shí)踐以及分析與設(shè)計(jì)并重等思路，借鑒MOOC做了一些有益的嘗試，在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果和課堂評價(jià)。

[1]教高[2003]2號.教育部、科技部關(guān)于批準(zhǔn)有關(guān)高等學(xué)校建設(shè)國家集成電路人才培養(yǎng)基地的通知[J].北京:中國現(xiàn)代教育裝備，2004(02):61-62.

[2]拉扎維著，陳貴燦等譯，模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2003

[3]池保勇.模擬集成電路與系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009

[4]何樂年等.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:科學(xué)出版社，2008

[5]桑森著，陳瑩梅譯.模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008

[6]貝克著，劉艷艷等譯.CMOS電路設(shè)計(jì)、布局與仿真(第二版)[M].北京:人民郵電出版社，2008

[7]康華光主編，模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)第五版[M].北京:高等教育出版社2008.

[8]粟濤等，“模擬集成電路”課程教學(xué)內(nèi)容的探討[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，3(6):39-41

[9]王豪等，工程碩士“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，12(6):1－3