數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

康海燕 馮曉麗 蔡覺(jué)平

摘 ?要：總結(jié)分析了當(dāng)前高等院校數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，并提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式三個(gè)方面的改革措施。教學(xué)實(shí)踐表明，通過(guò)這三個(gè)方面的教學(xué)改革可以在很大程度上提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性與主觀能動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字集成電路;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;改革模式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）12-0141-03

Abstract： This paper summarizes and analyzes the existing problems in the experimental teaching of digital integrated circuits in colleges and universities， and puts forward reform measures from three aspects： experimental teaching content， teaching model and assessment method. The practices prove that students can greatly improve the enthusiasm and subjective initiative of the experiment through these three aspects of teaching reform measures.

Keywords： digital integrated circuit; experimental teaching reform; reform model

引言

為維護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)及國(guó)防安全，2018年集成電路被再次寫入政府工作報(bào)告，位列實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一位，要發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，高素質(zhì)的復(fù)合型創(chuàng)新人才是關(guān)鍵。而作為國(guó)家培養(yǎng)人才的高等院校，如何緊密圍繞我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展對(duì)高水平人才的迫切需求，遵循集成電路發(fā)展規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，這對(duì)集成電路專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系提出了更高的要求。

數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)是集成電路專業(yè)理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的一門基礎(chǔ)課程[1]，其在鞏固數(shù)字集成電路理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力以及數(shù)字集成電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)與靈活應(yīng)用的能力等方面起著重要作用[2-5]。如何在國(guó)家集成電路快速發(fā)展的大背景下，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐創(chuàng)新能力是數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)課的主要目標(biāo)所在[6]。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已不能適應(yīng)現(xiàn)代集成電路的發(fā)展需求，對(duì)數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容以及考核方式的改革勢(shì)在必行。

一、數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單

目前大多數(shù)高等院校的數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，而且基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)所占比重較大[7]?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)大都是基于EDA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[8-10]，例如CMOS反相器（inverter）實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先基于HSPICES軟件使用NMOS和PMOS搭建反相器，并分析二極管及CMOS反相器的直流特性;其次，通過(guò)改變電源電壓以及MOS管的寬長(zhǎng)比得到CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線（VTC）。通過(guò)這類基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生雖然能夠加深對(duì)CMOS反相器的理解，但是內(nèi)容簡(jiǎn)單，缺乏綜合性。

（二）教學(xué)手段落后

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即教師在課堂上給定學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[11]，并采用集中授課的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理以及操作步驟的講解，學(xué)生只須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師就給予實(shí)驗(yàn)合格，很顯然，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式較為僵化，學(xué)生在課堂上按部就班的完成實(shí)驗(yàn)即可，實(shí)驗(yàn)的提前預(yù)習(xí)工作以及課后的問(wèn)題討論等都不能落到實(shí)處，這種教學(xué)模式在很大程度上抑制了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的主觀能動(dòng)性。

（三）考核方式不合理

實(shí)驗(yàn)課作為理論課的輔助課程，其成績(jī)只占理論課總成績(jī)很小的比重[12]。而且實(shí)驗(yàn)課的最終成績(jī)主要是以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，然而學(xué)生課后所提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告相似率極高，通過(guò)學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象較為嚴(yán)重，明顯違背了培養(yǎng)大綱的要求。因此，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為考核實(shí)驗(yàn)的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)顯然不能真實(shí)地反映學(xué)生實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作能力。

二、數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)的改革措施

為了更好的解決現(xiàn)階段數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式三個(gè)層面著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，從根本上徹底改變學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)的觀念與態(tài)度，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)數(shù)字集成電路的綜合設(shè)計(jì)能力。

（一）設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容

我院數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)改革之前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都屬于基礎(chǔ)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如二極管及CMOS反相器直流特性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕鞘箤W(xué)生掌握HSPICES軟件的使用方法，通過(guò)改變不同參數(shù)得到電壓傳輸特性曲線，從而使學(xué)生理解CMOS反相器電壓傳輸特性曲線的影響因素和調(diào)整方法。又例如搭建反相器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕鞘箤W(xué)生理解多扇出反相器鏈的性能優(yōu)化方法。這些基礎(chǔ)性數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)理論課堂某一知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化與鞏固，旨在夯實(shí)學(xué)生的理論知識(shí)。然而不同課程內(nèi)容之間也無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的綜合和銜接，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新與綜合能力的培養(yǎng)不足。

除了開(kāi)設(shè)類似反相器這種基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)外，我實(shí)驗(yàn)中心為了更好的提高學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，設(shè)計(jì)了一款基于Altera 片上系統(tǒng)（SoC）與FPGA的DE1-SoC 開(kāi)發(fā)套件實(shí)驗(yàn)箱以及實(shí)驗(yàn)講義，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)箱將最新的雙核 Cortex-A9 嵌入式處理器與行業(yè)領(lǐng)先的可編程邏輯結(jié)合起來(lái)，能夠提供強(qiáng)大的硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中與軟件配套使用，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，而且加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性。

基于實(shí)驗(yàn)箱（SME2016型）與Quartus II 設(shè)計(jì)工具，我實(shí)驗(yàn)中心面向集成電路專業(yè)的學(xué)生增加了LED點(diǎn)燈、交通信號(hào)燈、頻率計(jì)以及數(shù)碼管等六個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以數(shù)碼管掃描顯示電路實(shí)驗(yàn)為例，其主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生理解數(shù)碼管的顯示原理以及掃描顯示原理，掌握基于Verilog HDL語(yǔ)言的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法以及FPGA的基本開(kāi)發(fā)流程。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)能夠熟練掌握 FPGA的開(kāi)發(fā)流程，并且根據(jù)自己的能力水平，還能夠自行設(shè)計(jì)一些難度較大的組合時(shí)序電路并通過(guò)將其加載至 FPGA 中進(jìn)行驗(yàn)證。此FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了用于支撐本科生基于FPGA的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展，而且，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供了豐富的外設(shè)資源，便于研究生設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的且綜合性較高的數(shù)字電路科學(xué)研究項(xiàng)目。

除了借助實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)外，我實(shí)驗(yàn)中心循序漸進(jìn)的開(kāi)展了一些具有綜合性設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)，數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)以及SPI串行外設(shè)接口實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)是采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫可綜合的代碼，利用工具M(jìn)odelsim編寫測(cè)試平臺(tái)TestBench，給出輸入信號(hào)，驗(yàn)證RTL代碼與SPEC的一致性。再使用Synopsys 公司的Design Compiler（DC）進(jìn)行電路的邏輯綜合。Design Compiler的操作由Tcl命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，還需要使用Modelsim進(jìn)行時(shí)序仿真，利用Synopsys的Prime Time（PT）進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，查看設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序要求。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的前端設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境都是在Linux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)完成。

這類綜合性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的拓展、延伸和深化，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)這些綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐操作，使學(xué)生能夠深刻了解現(xiàn)代數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)流程，熟練掌握數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)“利器”，即EDA工具的使用方法以及Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，而且能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為學(xué)生日后從事數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）多樣化的教學(xué)模式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革必須采用多樣化的教學(xué)模式，我實(shí)驗(yàn)中心提出“微課”+ 集中教學(xué) + 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放三者相結(jié)合的教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)集中授課之前，學(xué)生利用“微課”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告;在傳統(tǒng)集中授課課堂上，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果有針對(duì)性的進(jìn)行講解，學(xué)生在課堂上完成實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容;對(duì)于綜合性的數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，課堂之后學(xué)生可以在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中碰到的問(wèn)題可以相互討論或者隨時(shí)咨詢開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的值班教師，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)情況如圖2所示。待實(shí)驗(yàn)完成后有計(jì)劃的安排學(xué)生進(jìn)行分組答辯，并將答辯成績(jī)計(jì)入實(shí)驗(yàn)總成績(jī)。通過(guò)這種多重的教學(xué)模式改革，從根本上提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性和主觀能動(dòng)性。

此外，實(shí)驗(yàn)中心計(jì)劃建立信息化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)此平臺(tái)，教師可以實(shí)時(shí)管理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，查看開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的使用情況，還可以實(shí)時(shí)的發(fā)布實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)布置，作業(yè)批閱等功能，學(xué)生也可以進(jìn)行課程資源共享、實(shí)驗(yàn)報(bào)告遞交等任務(wù)，并可在線參與課程討論答疑，為師生的交流和研討等環(huán)節(jié)提供更便捷的途徑，方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展。該網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程當(dāng)中需要的課程文檔，產(chǎn)生的課程資料記錄在“案”，不僅動(dòng)態(tài)記錄了實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展進(jìn)度，同時(shí)也記錄了學(xué)生不斷學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的腳步。

（三）“一對(duì)一”的考核方式

改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課輔助理論課觀念，將實(shí)驗(yàn)作為一門擁有獨(dú)立學(xué)分的必修課程?？己朔绞接袑?shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)答辯以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰_(dá)標(biāo)測(cè)試。而實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)驗(yàn)答辯成績(jī)占總成績(jī)的20%，總成績(jī)的80%來(lái)源于“一對(duì)一”的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰_(dá)標(biāo)測(cè)試，即一個(gè)同學(xué)對(duì)應(yīng)一套設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，這種考核方式能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的緊迫感。

“一對(duì)一”的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y(cè)試考題范圍覆蓋所有已授內(nèi)容且根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平的高低有難易度區(qū)分。學(xué)生首先在達(dá)標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)里預(yù)約與自己專業(yè)相關(guān)的測(cè)試題目，并根據(jù)預(yù)約時(shí)間到指定預(yù)約地點(diǎn)參加測(cè)試。測(cè)試時(shí)間段，學(xué)生按題目要求完成版圖設(shè)計(jì)、電路搭建、測(cè)試以及數(shù)據(jù)記錄和分析等，老師現(xiàn)場(chǎng)評(píng)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)并按評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定成績(jī)。如果初測(cè)不達(dá)標(biāo)者，給予一次補(bǔ)測(cè)的機(jī)會(huì)，若補(bǔ)測(cè)不合格，直接影響學(xué)生的正常畢業(yè)。

三、教學(xué)改革成效

經(jīng)過(guò)師生雙方的共同努力，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革取得了不錯(cuò)的成效，學(xué)生對(duì)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的積極性與主觀能動(dòng)性有了很大的提高。實(shí)驗(yàn)教改之前，數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)課是隸屬于理論課的一部分，考試成績(jī)只占理論課很小的比分，學(xué)生認(rèn)為只要聽(tīng)好每一節(jié)理論課即可，對(duì)待實(shí)驗(yàn)課的積極性不高，而且對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，缺乏挑戰(zhàn)性。

實(shí)驗(yàn)教改之后，數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)作為一門擁有獨(dú)立學(xué)分的課程，擁有自己獨(dú)立的考核制度。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前不僅需要提前查找資料，做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作，而且還需要充分利用課外時(shí)間繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，方可在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)作業(yè)。實(shí)踐表明，雖然綜合性實(shí)驗(yàn)的難度相對(duì)較大，但是大部分集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生不僅能夠接受這種實(shí)驗(yàn)，而且表現(xiàn)出濃厚的興趣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程以小組的形式組隊(duì)，隊(duì)員們根據(jù)各自的興趣愛(ài)好分工協(xié)作，極大地提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性。

實(shí)驗(yàn)教改之后，學(xué)生對(duì)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)流程有了一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，熟練掌握了EDA軟件以及Verilog HDL程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。這在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段體現(xiàn)的尤為明顯，由于前期在實(shí)驗(yàn)課程中熟練掌握了設(shè)計(jì)工具以及程序語(yǔ)言，且能夠透徹的理解每個(gè)電路模塊的作用，因此，在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段能夠快速完成電路設(shè)計(jì)，直接進(jìn)入創(chuàng)新性難點(diǎn)攻克階段，不僅縮短了畢業(yè)設(shè)計(jì)的周期，而且提高了論文的質(zhì)量。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式三個(gè)方面的教學(xué)改革措施后，學(xué)生對(duì)數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)態(tài)度有很大的轉(zhuǎn)變，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作能力有很大的提升。然而，隨著集成電路的不斷發(fā)展，數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革仍然是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，如何將虛擬仿真應(yīng)用到集成電路實(shí)驗(yàn)中將是我們下一步的工作重點(diǎn)。

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