新時(shí)代一流應(yīng)用型本科教學(xué)方法的研究
——以集成電路設(shè)計(jì)課程為例

唐曉雨 劉玉杰 何睿清 花 濤

（南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 江蘇·南京 211167）

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，也是全球各國(guó)在高科技競(jìng)爭(zhēng)中的戰(zhàn)略必爭(zhēng)之地。集成電路設(shè)計(jì)是微電子專(zhuān)業(yè)和集成電路專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)必修課程，是培養(yǎng)集成電路設(shè)計(jì)以及集成電路制造人才的關(guān)鍵課程。本課程主要講授了集成電路制造、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)以及封裝測(cè)試方面的基本知識(shí)，為繼續(xù)深入學(xué)習(xí)集成電路工藝和混合芯片設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。

1 重要性與存在問(wèn)題

集成電路設(shè)計(jì)課程是在基本微電子類(lèi)相關(guān)課程基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的，重點(diǎn)在于訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用半導(dǎo)體、微電子相關(guān)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)以致用的具有綜合實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件等微電子類(lèi)基礎(chǔ)理論課程對(duì)于學(xué)生的理論功底要求較高，課程知識(shí)深?yuàn)W、抽象，在應(yīng)用型高等院校中開(kāi)設(shè)具有較大難度，學(xué)生的理解掌握程度有限。因此，在集成電路設(shè)計(jì)課程教授過(guò)程中，要求教師能夠立足理論，重點(diǎn)講授實(shí)際問(wèn)題的解決方案，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)掌握實(shí)用知識(shí)和技能的工程應(yīng)用型人才。如何提升集成電路設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)以及理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用十分重要。

集成電路設(shè)計(jì)課程涉及集成電路生產(chǎn)整個(gè)過(guò)程，包含了電路設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝測(cè)試等一系列流程，高等學(xué)校無(wú)法提供整個(gè)流程的實(shí)踐平臺(tái)作為教學(xué)輔助條件。這要求教師要熟悉半導(dǎo)體工藝制造、集成電路設(shè)計(jì)原理和集成電路封裝測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)結(jié)合多媒體教學(xué)手段，例如視頻教學(xué)、集成電路仿真平臺(tái)教學(xué)和產(chǎn)教融合等方式，利用多元化的教學(xué)方法，使學(xué)生得到系統(tǒng)化工程訓(xùn)練。

2 教學(xué)方法探索

基于集成電路設(shè)計(jì)課程特點(diǎn)和新時(shí)代一流應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需要，對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法，本文有以下幾點(diǎn)探索。

2.1 綜合運(yùn)用演示法、講授法、討論法等多種教學(xué)方法

集成電路產(chǎn)業(yè)中，電子元器件尺寸較小，多在納米級(jí)別，不利于肉眼觀察；同時(shí)，集成電路生產(chǎn)線(xiàn)具有投資高、管理嚴(yán)等特點(diǎn)，而本科學(xué)生對(duì)于集成電路芯片和設(shè)計(jì)了解相對(duì)較少。在課堂教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)課程中集成電路制造工藝部分和封裝測(cè)試部分接觸到的工藝設(shè)備、工藝流程以及實(shí)際結(jié)果比較陌生，被動(dòng)式的講授法教學(xué)模式效果不理想，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。

針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀，在日常教學(xué)活動(dòng)中，我們需要采用多種教學(xué)方法相結(jié)合的形式，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)熱情。例如在講授集成電路制造工藝這一章時(shí)，如果僅僅從制造技術(shù)原理來(lái)講述，比較抽象，學(xué)生不能理解其具體工藝效果。在實(shí)際的課堂教學(xué)過(guò)程中，我們可以通過(guò)采用多媒體技術(shù)，引入大量的實(shí)物照片，給大家演示在集成電路制造中用到的生產(chǎn)設(shè)備、超凈間構(gòu)造、晶元演變過(guò)程等制造技術(shù)的真實(shí)情況，讓學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，有效地達(dá)到“理實(shí)一體”的效果。

同時(shí)，在課堂上，我們可以采用通過(guò)播放集成電路制造視頻，將理論知識(shí)形象化、具體化，更能夠被學(xué)生接受和吸收。例如，在講授MOSFET制造工藝流程時(shí)，通過(guò)一個(gè)小動(dòng)畫(huà)演示如何從砂礫中提取硅元素，如何實(shí)現(xiàn)單硅晶圓生長(zhǎng)，如何切片獲得晶元、結(jié)合氧化、光刻、沉積和摻雜等工藝流程獲得集成電路芯片并最終劃片進(jìn)行封裝測(cè)試的過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)集成電路制造有更深的理解，對(duì)于各個(gè)獨(dú)立制造工藝的結(jié)合以及在工藝流程中的重要地位有更深地認(rèn)識(shí)。

另外，在課堂教學(xué)中，為了提高學(xué)生參與度，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)性，我們鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論，將教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。例如，在集成電路產(chǎn)業(yè)的講授過(guò)程中，我們鼓勵(lì)學(xué)生就目前國(guó)內(nèi)外集成電路發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，特別是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索了解我國(guó)目前的集成電路發(fā)展情況和集成電路產(chǎn)業(yè)人才需求情況，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)課程的熱情。

2.2 結(jié)合仿真教學(xué)平臺(tái)，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力

在集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中，利用先進(jìn)的集成電路仿真軟件，鞏固理論知識(shí)的掌握，鍛煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。

集成電路仿真教學(xué)平臺(tái)提供版圖設(shè)計(jì)、工藝模擬以及電學(xué)特性仿真等先進(jìn)的集成電路仿真條件。例如，在初始階段，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單版圖設(shè)計(jì)軟件 Ledit引入版圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，給大家介紹版圖定義、版圖設(shè)計(jì)規(guī)則、版圖各圖層關(guān)系等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的反相器結(jié)構(gòu)為目標(biāo)。更深入的仿真教學(xué)中，我們可以使用鏗騰電子科技有限公司cadence軟件，實(shí)現(xiàn)電路原理圖設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)與優(yōu)化、電路電學(xué)特性仿真等功能，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模擬電路或數(shù)字電路設(shè)計(jì)。在拓展教學(xué)中，為了彌補(bǔ)理論教學(xué)沒(méi)有集成電路生產(chǎn)線(xiàn)的遺憾，我們可以通過(guò)synopsys公司或silvaco工藝仿真軟件，模擬器件制造的工藝流程并分析工藝參數(shù)對(duì)器件電學(xué)特性的影響。具體集成電路仿真教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

圖1：集成電路仿真教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)展示

這一系列的集成電路仿真教學(xué)平臺(tái)豐富了集成電路設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)于集成電路制造、半導(dǎo)體器件以及集成電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)集成電路知識(shí)或者進(jìn)入集成電路產(chǎn)業(yè)打下基礎(chǔ)。

2.3 產(chǎn)教融合，組織校外實(shí)踐基地參觀或?qū)嵙?xí)等教學(xué)活動(dòng)

中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，急需大量具有專(zhuān)業(yè)集成電路技術(shù)知識(shí)的工程應(yīng)用型人才。但是集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)門(mén)檻高、涉及的知識(shí)面較廣、注重實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，集成電路人才的培養(yǎng)不能局限于大學(xué)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)鍛煉。在完成集成電路設(shè)計(jì)理論課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，如何結(jié)合企業(yè)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)教融合、深入交流是集成電路專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，也是學(xué)生順利從高校進(jìn)入企業(yè)的關(guān)鍵。

集成電路公司具有先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備、成熟的生產(chǎn)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人才；高校的人才培養(yǎng)需要拓寬知識(shí)面和加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)。通過(guò)企業(yè)和高校的積極配合，設(shè)立一系列的集成電路制造、封裝、設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)基地，共建部分集成電路人才培養(yǎng)課程意義重大。例如在集成電路制造工藝的學(xué)習(xí)中，可以積極組織學(xué)生進(jìn)行校外實(shí)踐基地參觀生產(chǎn)線(xiàn)，了解實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行、工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，可以組織在相關(guān)企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，例如半導(dǎo)體制造公司、測(cè)試封裝公司或設(shè)計(jì)公司，通過(guò)設(shè)計(jì)并完成簡(jiǎn)單的項(xiàng)目訓(xùn)練，對(duì)于學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力影響深遠(yuǎn)。這樣的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以給學(xué)生提供真實(shí)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，培養(yǎng)學(xué)生交流、表達(dá)、自主學(xué)習(xí)的能力，具有良好學(xué)習(xí)效果，是新時(shí)代一流應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的新思路。

3 總結(jié)

本文面向新時(shí)代一流應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求，就集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法進(jìn)行了探討，提出了綜合教學(xué)法、仿真平臺(tái)教學(xué)以及產(chǎn)教融合等多種培養(yǎng)方法相結(jié)合的教學(xué)思路，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)的理解、掌握與應(yīng)用，為培養(yǎng)具有綜合實(shí)踐能力應(yīng)用型人才提供借鑒。