集成電路專業(yè)的分層次遞進式實驗教學探索

殷 樹 娟

(北京信息科技大學 理學院，北京 100192)

0 引 言

現(xiàn)階段，高校集成電路專業(yè)的主要培養(yǎng)目標是培養(yǎng)學生具有較寬厚的電路與系統(tǒng)學科專業(yè)知識，較強的集成電路設計和技術創(chuàng)新能力，較好的科學研究和工程實踐能力[1]。針對該培養(yǎng)目標，各校在開展理論教學的同時,紛紛提升實驗教學手段、豐富實驗教學內容、優(yōu)化實驗教學形式等，主要目的是進一步提高學生動手能力、分析問題與解決問題能力，更好服務于國家對于普通高等院校應用型人才培養(yǎng)目標的要求[2-3]。

在分析了集成電路專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀的基礎上[4]，以“全定制四位減法器設計”實驗為例，探索分層次遞進式實驗教學的實施方式，闡述分層次遞進式實驗教學在拓展學生思維、發(fā)揮學生主觀創(chuàng)造性等方面的優(yōu)勢。

1 集成電路專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀

集成電路設計是指設計人員根據(jù)電路功能和性能的要求，在正確選擇系統(tǒng)配置、電路形式、器件結構、工藝方案和設計規(guī)則的情況下，盡量減小芯片面積，降低設計成本，縮短設計周期，以保證全局優(yōu)化，設計出滿足要求的集成電路[5-6]。因此，集成電路專業(yè)的實驗教學內容主要圍繞基本集成電路單元的設計及應用開展。本文以集成電路專業(yè)“全定制四位減法器設計”實驗教學為例，簡要介紹現(xiàn)階段集成電路專業(yè)實驗教學的基本實驗流程，如圖1所示。其中，指定電路結構、給定設計參數(shù)是由實驗指導教師完成[7]。學生完成實驗步驟1～3的相關內容。

圖1 全定制四位減法器實驗流程

從圖中可以看到：整個設計流程目標明確、實驗內容簡潔、實驗步驟簡單、實驗考核方式一致。在長期的實驗教學過程中，發(fā)現(xiàn)：①這樣的實驗流程忽略了學生的主觀能動性，學生逐漸變成了實驗操作的機器，難以調動其實驗積極性；②電路結構、設計參數(shù)等都是由老師給定，學生把實驗教學只當作是一種理論知識的驗證手段，無法發(fā)揮實驗教學在提升學生分析和解決問題能力方面的關鍵作用；③由于實驗的具體內容一樣，所以最終實驗結果也幾乎一樣，從而造成部分學生在實驗過程中偷懶甚至抄襲的現(xiàn)象，不僅不利于提高學生實驗積極性,同時也不利于實驗成績評定的公平公正；④由于實驗最終考核標準單一，會造成部分學生只一味地追求實驗報告的質量而忽略實驗過程的重要性，很難公正地評判學生的實踐能力。

2 分層次遞進式實驗教學的探索

為了發(fā)揮學生的主觀能動性，提高學生分析問題并解決問題的能力，更好服務于應用型人才培養(yǎng)目標，集成電路專業(yè)教師提出了分層次遞進式實驗教學模式[8-9]。圖2給出了“全定制四位減法器設計”實驗的分層次遞進式實驗教學流程。

從圖2中可見：①本實驗流程將原有的實驗內容進行多層次分解，即由四位減法器的設計分解為四位加法器的設計，再由四位加法器設計分解為一位全加器的設計；②根據(jù)分解結果，學生設計子模塊電路、設置仿真內容并完成電路功能驗證；③利用已經(jīng)驗證后的子模塊搭建四位加法器，并由四位加法器電路遞進地完成最終四位減法器電路設計。

圖2 全定制四位減法器分層次遞進式實驗流程

對于實驗的多層次分解，由于學生在計算機組成原理課程的相關學習中可以得到：

(1)

從而可以得到：A-B=A+B反+1-2n，即四位減法器電路設計可以轉化為四位加法器電路設計。而四位加法器的運算可以簡單轉化為4個一位全加器電路的級聯(lián)，如圖3所示。

圖3 四位加法器實現(xiàn)形式

圖3中每一個模塊為一個一位全加器，A0～A3為A信號的四位輸入，B0～B3為B信號的四位輸入，S0～S3為輸出S信號的四位輸出，C為進位輸出。上述的實驗多層次分解過程由指導教師帶領學生完成，既強化了理論知識又擴展了學生思維。實驗多層次分解過程貫穿著理論知識如何應用到具體實際應用、各課程知識點如何交叉融合[10]的思想。同時，實驗的逐層分解正是集成電路設計“自上而下”設計思想的一個實例，可以為學生展示工業(yè)界實際電路設計方式方法，貼合應用型培養(yǎng)目標。

對于實驗遞進式綜合，學生在完成實驗內容分解后，需要根據(jù)數(shù)字集成電路設計課程內容,依據(jù)數(shù)字集成電路全定制設計流程完成最小模塊—一位全加器電路的設計與功能驗證。對于一位全加器電路，其布爾函數(shù)為:

(2)

雖然布爾函數(shù)唯一確定，但具體電路實現(xiàn)形式可以完全不同，此時指導教師需引導學生基于已有的信號與系統(tǒng)、數(shù)字電子技術等相關知識分析選擇合適電路結構，完成一位全加器電路的搭建，并給出相關仿真結果截圖、實驗數(shù)據(jù)等驗證電路功能。在一位全加器電路功能正確前提下[11-12]，學生需要根據(jù)圖3所示的級聯(lián)結構完成四位全加器電路搭建并設置仿真內容完成電路功能驗證。由于四位加法器存在進位，實驗過程中指導教師需在驗證階段從旁給予學生一定指導，將實際電路仿真波形與理論加法器數(shù)字輸出對比分析，強化學生理論知識映射實際應用的能力。實驗最后一個環(huán)節(jié)是基于式(1)利用四位加法器實現(xiàn)四位減法器電路搭建，并完成電路功能驗證。當電路功能驗證成功后，實驗結束，學生根據(jù)實驗過程撰寫實驗報告。

3 分層次遞進式實驗教學的優(yōu)勢

從上面的分析中可見,與傳統(tǒng)實驗教學不同，分層次遞進式實驗教學能充分調動學生作為實驗主體的主觀能動性，同時最大限度地發(fā)揮了指導教師在實驗過程中的引導作用[13-15]，更加符合面向應用型人才培養(yǎng)目標。具體地說：

(1) 在實驗步驟設置方面。分層次遞進式實驗將復雜的實驗內容逐層簡化，再由最小模塊遞進式綜合完成最終實驗目標。多層次簡化過程側重于理論分析，遞進式綜合側重于動手實踐。實驗步驟劃分合理，不但教會學生如何利用理論知識將復雜問題簡單化，同時灌輸了學生集成電路設計“自上而下”的設計思想。

(2) 在實驗開展形式方面。分層次遞進式實驗結果并不唯一，電路結構可以完全不同，因此學生需要根據(jù)已知條件并結合已有知識儲備在理論推導、電路搭建及仿真內容設置等方面進行巧妙設計，探索解決問題的不同途徑。多樣化的實驗形式可更好調動學生實驗積極性，提高學生分析問題、解決問題的能力。

(3) 在實驗角色分配方面。分層次遞進式實驗的主體是學生，指導教師只起到引路人的角色。不論是多層次分解實驗目標部分還是遞進式綜合實驗內容部分，學生都是實驗的主導者，電路結構選擇、實驗參數(shù)確定、仿真內容設置等一系列實驗內容都由學生判斷和選擇，因此，學生的主觀能動性得到了進一步提高，有利于提高實驗效率。

(4) 在實驗考核標準方面。分層次遞進式實驗教學將實驗的重點放在學生的能力提升方面，強化了實驗過程弱化了實驗報告，從而可以更全面地評價和考核實驗的優(yōu)劣[16]。當前有一部分學生舍本逐末，片面追求實驗報告質量，忽略實驗過程的重要性，而強化實驗過程的考核標準可以讓學生將更多的精力放在實驗過程部分，更好地體現(xiàn)實驗教學的宗旨。

4 結 語

為了更好發(fā)揮實驗教學在培養(yǎng)學生工程實踐能力和開拓創(chuàng)新思維的重要作用，在詳細分析了現(xiàn)階段集成電路專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀及存在的問題，基礎上提出了分層次遞進式實驗教學思想。以“全定制四位減法器”分層次遞進式實驗為例，詳細闡述了分層次遞進式實驗教學在多層次分解、遞進式綜合兩方面具體實施方式，指明分層次遞進式實驗教學在調動學生主觀能動性、提高學生分析問題并解決問題的能力、拓展學生創(chuàng)新思維等方面具有明顯的優(yōu)勢。分層次遞進式實驗更加符合我國高等院校集成電路專業(yè)的主要培養(yǎng)目標，相信在廣大師生的共同努力下分層次遞進式實驗的實驗手段會越來越多樣、實驗內容會越來越豐富、實驗形式也會越來越優(yōu)化。