淺談創(chuàng)新背景下的集成電路專業(yè)實驗教學(xué)

殷樹娟

（北京信息科技大學(xué)理學(xué)院，北京100192）

0 引 言

加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，創(chuàng)新育人方式是國家對高等教育改革的基本指導(dǎo)思想，是對高等教育本質(zhì)目標(biāo)的深刻剖析。實驗教學(xué)是高等教育中最能體現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)形式。實驗教學(xué)是理論與實踐完美結(jié)合的重要體現(xiàn)形式，是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和開拓創(chuàng)新思維的重要表現(xiàn)方式。優(yōu)秀的實驗教學(xué)不僅可以強化理論教學(xué)的效果，更重要的是可以為學(xué)生提供一個“學(xué)以致用”的場合和機會［1-2］。實驗教學(xué)的實施形式多樣，從實驗具體實施方式的不同可以將實驗教學(xué)簡單劃分為驗證性與探究性兩類實驗。

以集成電路專業(yè)實驗教學(xué)為例，驗證性實驗教學(xué)側(cè)重于教授學(xué)生通過實驗驗證電路輸入輸出結(jié)果；探究性實驗教學(xué)側(cè)重于學(xué)生基于已有的理論基礎(chǔ)通過實驗過程探究真實的“電路”工作原理［3-4］?，F(xiàn)階段高等教育中，實驗教學(xué)更多地采用驗證性實驗方式。近年來，隨著創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的提出，探究性實驗開始逐漸展現(xiàn)其重要性。

本文以集成電路專業(yè)基礎(chǔ)實驗全定制四位減法器電路設(shè)計為例，闡述現(xiàn)階段該實驗的驗證性實驗教學(xué)形式及效果，分析創(chuàng)新背景下驗證性實驗暴露的問題［5］，探討該實驗的探究性實驗教學(xué)形式及呈現(xiàn)的實驗效果。在此基礎(chǔ)上，進一步分析創(chuàng)新背景下如何將探究性實驗與驗證性實驗兩種教學(xué)形式相結(jié)合，更好地發(fā)揮實驗教學(xué)在集成電路專業(yè)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的重要作用。

1 驗證性實驗教學(xué)

1.1 驗證性實驗的實施

驗證性實驗教學(xué)的實驗?zāi)繕?biāo)定位在：“檢驗”“證實”兩個方面?！皺z驗”即教師通過實驗檢查學(xué)生理論學(xué)習(xí)的成果；“證實”即學(xué)生通過實驗證實理論教學(xué)內(nèi)容的正確性。圖1所示給出了全定制四位減法器電路設(shè)計驗證性實驗教學(xué)流程。從圖中可見：在實驗教學(xué)的實施過程中，教師的主要作用是“檢驗員”，學(xué)生只是扮演著“操作員”的角色。實驗內(nèi)容是被精心設(shè)計的，因此，在“檢驗員”的監(jiān)督下，“操作員”按照步驟完成相關(guān)實驗內(nèi)容，從而強化理論教學(xué)效果。而在全定制四位減法器設(shè)計過程中，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)選擇合適的電路結(jié)構(gòu)需要設(shè)計者基于常見加法器結(jié)構(gòu)類型以功耗、速度等指標(biāo)為依據(jù)選擇合適的一位加法器電路結(jié)構(gòu)，并進一步搭建四位減法器電路系統(tǒng)。因此，電路結(jié)構(gòu)的選擇過程對設(shè)計者的綜合創(chuàng)新能力，理論結(jié)合實際的應(yīng)用能力等具有一定的鍛煉和提升。而這些在驗證性實驗中無法實現(xiàn)。

圖1 驗證性實驗基本流程

1.2 驗證性實驗的優(yōu)勢

在現(xiàn)階段高等教育教學(xué)中，驗證性實驗教學(xué)占據(jù)主要地位［6-7］，其根本原因在于：① 實驗內(nèi)容的設(shè)置精煉；由于驗證性實驗具體實驗內(nèi)容由教師擬定，而教師們憑借其在相關(guān)實驗方面的豐富操作經(jīng)驗，可以精準(zhǔn)、簡練地提煉實驗內(nèi)容。②實驗考核標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；由于實驗內(nèi)容一致，從而可以保證最終實驗結(jié)果統(tǒng)一，因此，對于實驗結(jié)果的考核簡單可行。③實驗步驟簡潔、易操作；為保證實驗效果和控制實驗學(xué)時，驗證性實驗的實驗步驟大都是固定、簡潔的，從而保證在規(guī)定時間內(nèi)大部分學(xué)生能得到相應(yīng)的實驗結(jié)果。

1.3 驗證性實驗的不足

對于高等教育而言，大學(xué)生已經(jīng)具備一定綜合分析能力、理論結(jié)合實際的應(yīng)用能力，驗證性實驗對于在培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才中逐漸暴露了不足之處：①驗證性實驗將教師放置于主體地位，忽略了學(xué)生的主觀能動性；由四位減法器的實驗流程可以看出，學(xué)生在實驗過程中，按照實驗步驟可以逐步完成最終電路功能，完全不需要加入自己的想法。②驗證性實驗忽略了學(xué)生的個體差異性；參與實現(xiàn)的學(xué)生在理論水平、動手能力等方面具有一定的差異性，而驗證性實驗在內(nèi)容設(shè)置方面需保證大部分學(xué)生能在規(guī)定學(xué)時內(nèi)完成相應(yīng)實驗內(nèi)容，從而造成理論基礎(chǔ)好、動手能力強的學(xué)生“吃不飽”，理論基礎(chǔ)弱、動手能力差的學(xué)生“吃不了”。

③驗證性實驗的成績評定標(biāo)準(zhǔn)單一，實驗步驟和實驗內(nèi)容統(tǒng)一，因此，每位學(xué)生根據(jù)相同的實驗步驟所得到的實驗結(jié)果大同小異，實驗成績評定更多地依靠報告的優(yōu)劣判斷，從而使得一些學(xué)生舍本逐末，甚至認為實驗做得好不如實驗報告寫得好。

2 探究性實驗教學(xué)

2.1 探究性實驗教學(xué)的實施

探究性實驗教學(xué)的實驗?zāi)繕?biāo)定位在：“探索”“研究”兩個方面。“探索”即教師通過實驗教學(xué)過程引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識分析各種可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果及可行的解決方案；“研究”即學(xué)生基于理論知識自主深入分析實驗原理、實驗內(nèi)容及相應(yīng)的實驗結(jié)果，研究可行性實驗方案。圖2所示給出了全定制四位減法器電路設(shè)計探究性實驗教學(xué)的開展形式。

從圖2中可見，在實驗教學(xué)的實施過程中，教師只是“任務(wù)發(fā)布者”，學(xué)生是“任務(wù)執(zhí)行者”。教師給出實驗?zāi)繕?biāo)后，后續(xù)的相關(guān)實驗內(nèi)容、實驗步驟等都由學(xué)生根據(jù)自己的知識儲備和對階段性實驗結(jié)果的分析做出判斷和選擇，教師的工作更多側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生思路、觀察實驗過程、提供理論指導(dǎo)等。

2.2 探究性實驗教學(xué)的優(yōu)勢

圖2 探究性實驗基本流程

從探究性實驗教學(xué)的基本流程中不難發(fā)現(xiàn)，探究性實驗教學(xué)在發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、充分考慮學(xué)生的個體差異性以及因材施教等方面具有優(yōu)勢。具體而言：①探究性實驗的主體是學(xué)生，教師主要承擔(dān)著場外指導(dǎo)、理論拓展、過程記錄等工作。在全定制四位減法器電路設(shè)計探究性實驗過程中，當(dāng)教師給出設(shè)計目標(biāo)后，學(xué)生需要根據(jù)理論知識對設(shè)計目標(biāo)進行逐步分解，形成各自的設(shè)計方案。每個不同的設(shè)計方案對應(yīng)的后續(xù)電路結(jié)構(gòu)、仿真設(shè)置等各不相同，從而增強學(xué)生在實驗過程中的主體性和獨立性，也避免了后續(xù)實驗報告大同小異的情況。②探究性實驗可以根據(jù)學(xué)生的不同教育背景選擇合適的實驗內(nèi)容和步驟，因材施教。在高等教育階段，不同學(xué)生在理論基礎(chǔ)、動手能力等方面差異性較大，對知識的綜合應(yīng)用及創(chuàng)新能力也千差萬別。在探究性實驗形式中，相同的設(shè)計目標(biāo)情況下，理論基礎(chǔ)比較強、動手能力較弱的學(xué)生可以側(cè)重布爾函數(shù)的推導(dǎo)，弱化電路的模塊化設(shè)計方案，簡化實驗迭代；而理論基礎(chǔ)比較弱、動手能力較強的學(xué)生則可以側(cè)重于電路的模塊化分層設(shè)計，而弱化布爾函數(shù)的求解和推導(dǎo)。③探究性實驗的考核標(biāo)準(zhǔn)多樣，可以更好考查學(xué)生的綜合能力。由于在探究性實驗中，教師的主導(dǎo)性被削弱，可以更多地關(guān)注學(xué)生的實驗過程，更加詳細地記錄學(xué)生在結(jié)構(gòu)劃分、模塊搭建、仿真驗證等方面的具體表現(xiàn)。因此，探究性實驗的考核可以更加細致、公正。④探究性實驗可以更好地拓展學(xué)生的發(fā)散思維，符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。在一位加法器電路的瞬態(tài)仿真中，驅(qū)動器件尺寸越大，驅(qū)動能力越強，但同時會引入更大噪聲及面積。學(xué)生需要綜合考慮噪聲、面積、驅(qū)動能力等多種因素，綜合運用信號與系統(tǒng)、微電子器件、數(shù)字集成電路設(shè)計等相關(guān)課程的知識，通過合適的驗證方式選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)。因此，探究性實驗過程滲透學(xué)生對各知識點的理解及綜合應(yīng)用能力，同時為學(xué)生打開了知識交互融合的視界。

2.3 探究性實驗教學(xué)的不足

探究性實驗教學(xué)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：①探究性實驗拓展學(xué)生思路的同時也容易使學(xué)生偏離原有的實驗?zāi)繕?biāo)。由于本科生知識儲備有限，面對功能劃分、子模塊搭建等難免會出現(xiàn)偏題情況，從而難以控制實驗學(xué)時，達不到實驗預(yù)期效果［4］，同時影響后續(xù)實驗教學(xué)的開展。② 探究性實驗的評分標(biāo)準(zhǔn)與實驗過程密切相關(guān)，實驗成績評判標(biāo)準(zhǔn)多樣化。由于探究性實驗的實驗內(nèi)容、步驟、手段等不統(tǒng)一，從而如何合理分配各部分分值及權(quán)重非常關(guān)鍵。不合理的評分標(biāo)準(zhǔn)會嚴重影響學(xué)生的實驗積極性和創(chuàng)新熱情。③探究性實驗教學(xué)的深度難以控制，很難設(shè)定合理的實驗界限。學(xué)生的動手能力、知識積累各不相同，一味地強調(diào)探究而忽略基礎(chǔ)實驗?zāi)繕?biāo)很容易造成實驗失敗，導(dǎo)致各層次的學(xué)生都難以獲得探究性實驗的樂趣。

3 集成電路專業(yè)實驗教學(xué)的改革及探索

以全定制四位減法器電路設(shè)計為例，詳細分析了驗證性實驗與探究性實驗教學(xué)的各自優(yōu)勢與不足［5-6］。在國家大力倡導(dǎo)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才的目標(biāo)指引下，具有鮮明工科特色的集成電路設(shè)計專業(yè)實驗教學(xué)需要與時俱進［7］。

（1）在實驗內(nèi)容設(shè)置方面，教師需要充當(dāng)“引路人”的角色。在全定制四位減法器電路設(shè)計中，教師需要總控全局，引導(dǎo)但不決定實驗步驟及實驗方案。對于出現(xiàn)偏題、跑題的現(xiàn)象，教師需及時干預(yù)并正確地引導(dǎo)；對于理論基礎(chǔ)缺失或?qū)嶒灢僮麇e誤，教師需適時給予幫助和指導(dǎo)；對于電路功能劃分、仿真內(nèi)容的設(shè)置等，教師可以部分參與，拓展學(xué)生思路、激發(fā)學(xué)生的實驗積極性。

（2）在實驗實施方式方面，學(xué)生需要起主導(dǎo)作用。在全定制四位減法器電路設(shè)計中，從目標(biāo)分解、電路劃分、子電路搭建、子電路仿真、四位加法器仿真以及最后的四位減法器仿真的所有流程中，學(xué)生需要進行大量的試錯和判定工作。試錯和判定的過程是對理論知識應(yīng)用的過程，也是創(chuàng)新的起步過程。因此，整個實驗過程要確保學(xué)生的主導(dǎo)地位。

（3）在實驗考核標(biāo)準(zhǔn)方面，多樣化的評分標(biāo)準(zhǔn)需側(cè)重基本實驗?zāi)繕?biāo)。教師在制定實驗評分標(biāo)準(zhǔn)時，需保證基本實驗?zāi)繕?biāo)，即在相應(yīng)的實驗學(xué)時內(nèi)學(xué)生需完成基本的實驗?zāi)繕?biāo)。同時，為了鼓勵學(xué)生的創(chuàng)造性，制定的評分標(biāo)準(zhǔn)還需要保證探究性實驗過程的分值及權(quán)重，從而使得學(xué)生能充分發(fā)揮主觀能動性的同時又能避免其舍本逐末。

綜上所述，教師在以學(xué)生為主導(dǎo)的實驗過程中角色在不斷轉(zhuǎn)變，驗證性實驗和探究性實驗形式也因?qū)W生個體差異性以不同的形式交叉出現(xiàn)在實驗過程中。不同的學(xué)生根據(jù)階段性實驗結(jié)果可以在不同的實驗階段選擇不同的實驗形式，從而實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

以全定制四位減法器電路設(shè)計為例，對比分析了驗證性實驗與探究性實驗在實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗實施形式、實驗考核標(biāo)準(zhǔn)等方面各自的優(yōu)勢和不足。針對高等院校創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，給出了教師為“引導(dǎo)”，學(xué)生為“主導(dǎo)”的實驗教學(xué)形式，根據(jù)學(xué)生的個體差異性在不同的實驗階段選擇性加入探究性實驗內(nèi)容，從而在保證基本實驗?zāi)繕?biāo)的前提下拓展學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力，實現(xiàn)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才的目標(biāo)。