淺談案例教學對本科集成電路設(shè)計教學的影響

曹 超邊 棟 陳延湖 郭海君

（1.山東大學微電子學院 山東·濟南 250100；2.濟南大學信息科學與工程學院 山東·濟南 250000）

0 引言

集成電路是信息社會的支柱性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，隨著近幾年國內(nèi)外形勢的變化，集成電路的發(fā)展極為迅猛，《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2019—2020年版）》統(tǒng)計表明：截至2019年年底，我國直接從事集成電路產(chǎn)業(yè)的人員規(guī)模在51.19萬人左右，增長11.04%。按當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢及對應(yīng)人均產(chǎn)值推算，預(yù)計到2022年前后，全行業(yè)人才需求將達到74.45萬人左右，其中設(shè)計業(yè)需求缺口為27萬人。這對高校集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文所作的教學改革依托我院集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“案例教學與課程設(shè)計”課程，是“模擬集成電路設(shè)計”課程基礎(chǔ)的實踐提高課程，內(nèi)容包括典型模擬集成電路模塊、系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、版圖設(shè)計、后仿真等設(shè)計全流程，主要針對模擬集成電路設(shè)計理論要求高，學習難度大，學生理解困難，理論與實踐脫節(jié)等等問題。北京華大九天軟件有限公司（“華大九天”）致力于提供專業(yè)的EDA解決方案，其模擬電路設(shè)計全流程EDA工具系統(tǒng)包括原理圖編輯工具、版圖編輯工具、電路仿真工具、物理驗證工具、寄生參數(shù)提取工具和可靠性分析工具等，為用戶提供了從電路到版圖、從設(shè)計到驗證的一站式完整解決方案。采用華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，可以顯著降低高校本科集成電路設(shè)計教學中EDA軟件投入較大的問題。本文將以“案例教學與課程設(shè)計”課程為實踐教學平臺，依托華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，在教學中采用項目設(shè)計案例配合理論講授的教學方法，并對本次的教學考查情況成效進行了分析和討論。

1 教學現(xiàn)狀分析

“模擬集成電路設(shè)計”是當前國內(nèi)各大集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)的必修課程，為了更好地完成教學，我院開設(shè)了“案例教學與課程設(shè)計”課程，作為該課程基礎(chǔ)上的實驗實踐提高課程，強調(diào)實際工程案例，幫助學生徹底掌握集成電路設(shè)計流程，擁有工程設(shè)計研發(fā)能力。對此調(diào)研了已有的教學研究文獻。文獻[1]提出了在研究生課程中本文提出了基于真實工程項目設(shè)計的案例式教學方法，開展了歷時三年的教學改革研究與實踐，說明其對學生綜合能力培養(yǎng)的好處；文獻[2]提出了探究了一種面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)教學改革方法，使用Cadence等仿真軟件對理論知識建模和仿真分析，加深對理論知識理解；文獻[3]探討了一種設(shè)計類課程的教學方法改革方案與措施，改革課程內(nèi)容、教學手段等，取得良好效果；文獻[4]探索了如何利用集成電路設(shè)計大賽促使學生加深理解，提高設(shè)計，推動創(chuàng)新；文獻[5]探索了項目教學法在實際教學中的應(yīng)用；上述研究從案例研究、考核方法和課賽結(jié)合等多個維度探索了針對集成電路設(shè)計課程的教學改革，本文將在此基礎(chǔ)上針對本課程特點做進一步的教學探討。

2 課程設(shè)計

本文采用的實際教學依托我院集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的“案例教學與課程設(shè)計”課程，開展了一學期的案例教學實踐?！鞍咐虒W與課程設(shè)計”課程為專業(yè)選修課，授課對象為17級集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)本科生，學時為64學時。

為了使學生完整掌握模擬集成電路設(shè)計全流程，分析解決遇到的復(fù)雜問題，教學中采用的案例為兩級運算放大器的設(shè)計。首先介紹和學習華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具，其次在每一個設(shè)計環(huán)節(jié)講解中完成對應(yīng)功能模塊的設(shè)計，逐步推進最終完成整體案例項目設(shè)計。在整個教學中，突出以學生為中心，強調(diào)學生的主觀能動性，減少傳統(tǒng)灌輸式教學，增加參與式教學。轉(zhuǎn)變教師的角色，由傳統(tǒng)的教學活動主導(dǎo)者變?yōu)榻虒W活動協(xié)助者和參與者，解決指導(dǎo)學生們在設(shè)計過程中遇到的各種問題。在案例教學中，學生們可以完整經(jīng)歷實際工程設(shè)計中的完整流程，包括指標分析、電路原理圖設(shè)計、仿真優(yōu)化、版圖設(shè)計、寄生參數(shù)提取、后仿真等。鼓勵學生根據(jù)設(shè)計指標選擇不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)，加大學生間的交流討論，提高學生分析問題和研發(fā)方案的能力。

3 分析與討論

經(jīng)過一學期學習，教學效果考核主要通過學生的項目實踐及實驗報告。學生的成績分布如圖1所示：

圖1：學生成績分析

可以看到采用華大九天Aether EDA工具，學生掌握并實現(xiàn)項目的情況較好。同時針對學生的問卷調(diào)查顯示，對于華大九天Aether EDA工具的優(yōu)點，83%的學生認為界面清晰，操作便捷；67%的學生認為仿真強大，功能多樣。對于其缺點，83%認為網(wǎng)絡(luò)資源太少，自主學習不便。

學生評教情況優(yōu)秀，反饋課程難度情況如圖2所示：

圖2：學生課程難度反饋

45%的學生認為課程難度適中，說明采用華大九天AetherEDA工具，學習成本較小。18%同學認為課程過難，不同水平的同學對課程的反饋差別較大，需要后續(xù)改進。

通過以上討論分析，可以看到案例教學可以提高學生分析、解決問題和設(shè)計研發(fā)的能力，做到以學生為中心，但是如何針對不同水平、不同特點的學生因材施教，保證參與課程的學生能夠全員實現(xiàn)是一個問題。針對此次教學中存在的問題和不足，后續(xù)采用如下方法進一步改進教學：

（1）設(shè)計和改進教學案例，根據(jù)學生學習情況及時調(diào)整增減設(shè)計案例；（2）劃分學習小組，組織學生討論、報告和展示，提高學生的參與度和主動性；（3）與同一課程組內(nèi)前后的相關(guān)課程做好銜接，做好課組內(nèi)教學活動的協(xié)調(diào)配合；（4）合理安排教學的課時學時，采用線上線下混合方式，增加線上的教學資源，鼓勵學生自主學習。

4 結(jié)語

模擬集成電路設(shè)計是集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，涉及復(fù)雜而全面的工程研發(fā)，如何通過案例教學形式將之前相關(guān)課程中的知識和技能融會貫通，把抽象的理論知識和具體的工程實踐結(jié)合起來，讓學生具有解決集成電路專業(yè)工程問題的能力，滿足用人單位的需求是教學中的一個難題。本文的工作在“案例教學與課程設(shè)計”課程中，提出了基于國產(chǎn)華大九天模擬電路設(shè)計全流程EDA工具的案例教學，開展了一學期的教學改革和實踐并介紹了具體的實施過程和實際的教學效果，所獲的教學數(shù)據(jù)表明采用案例教學能提高學生分析、解決問題和設(shè)計研發(fā)的能力，教學反饋較好，但不同水平學生的主觀感受和客觀表現(xiàn)存在差異，并提出了多條措施進一步改進案例教學。