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集成電路設(shè)計專業(yè)課程體系改革與實踐
集成電路設(shè)計專業(yè)課程體系改革與實踐
謝海情,唐立軍,唐俊龍,文勇軍,彭潤伍,周曉萍
。ㄩL沙理工大學物理與電子科學學院,湖南長沙410004)
摘要:專業(yè)課程體系是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的重要保障。為實現(xiàn)我校集成電路設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)目標,根據(jù)已提出的創(chuàng)新型集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)模式,結(jié)合我校目前人才培養(yǎng)現(xiàn)狀與特征,改革優(yōu)化集成電路設(shè)計專業(yè)課程體系。提出“4+3+2”專業(yè)課程體系,并優(yōu)化集成電路設(shè)計專業(yè)課程的授課內(nèi)容。
關(guān)鍵詞:課程體系改革;教學內(nèi)容優(yōu)化;集成電路設(shè)計
基金項目:本文系長沙理工大學教學改革研究項目(項目編號:JG1348)的研究成果
作者簡介:謝海情(1982-),男,湖南耒陽人,長沙理工大學物理與電子科學學院,講師。
以集成電路為龍頭的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)性和先導性支柱產(chǎn)業(yè)。國家高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,2000年,國務(wù)院頒發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)進一步鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業(yè)和信息化部印發(fā)了《集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,我國集成電路產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。然而,我國的集成電路設(shè)計水平還遠遠落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。2013年,全國進口產(chǎn)品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務(wù)院總理李克強在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè),明確指出,要設(shè)立新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數(shù)據(jù)、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2014年6月,國務(wù)院頒布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》,加快推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設(shè)計人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。2010年,我國芯片設(shè)計人員達不到需求的10%,集成電路設(shè)計人才的培養(yǎng)已成為當前國內(nèi)高等院校的一個迫切任務(wù)[1]。為滿足市場對集成電路設(shè)計人才的需求,2001年,教育部開始批準設(shè)置“集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)”本科專業(yè)[2]。
我校2002年開設(shè)電子科學與技術(shù)本科專業(yè),期間,由于專業(yè)調(diào)整,暫停招生。2012年,電子科學與技術(shù)專業(yè)恢復(fù)本科招生,主要專業(yè)方向為集成電路設(shè)計。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,提出了集成電路設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式[3]。本文根據(jù)培養(yǎng)模式要求,從課程體系設(shè)置、課程內(nèi)容優(yōu)化兩個方面對集成電路設(shè)計方向的專業(yè)課程體系進行改革和優(yōu)化。
一、專業(yè)課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業(yè)基礎(chǔ)課的教學。“專業(yè)物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設(shè)計的專業(yè)基礎(chǔ)課,為后續(xù)更好地學習專業(yè)方向課提供理論基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)不打扎實,將導致學生在學習專業(yè)課程時存在較大困難,更甚者將導致其學業(yè)荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性,學生在后面學習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學得懂。
但國內(nèi)某些高校將這些課程設(shè)置為選修課,開設(shè)較少課時量,學生不能全面、深入地學習;有些院校甚至不開設(shè)這些課程[4]。比如,我校電子科學與技術(shù)專業(yè)就沒有開設(shè)“晶體管原理”這門課程,而是將其內(nèi)容合并到“模擬集成電路原理與設(shè)計”這門課程中去。
2.課程開設(shè)順序不合理。專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課和寬口徑專業(yè)課之間存在環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系,前者是后者的基礎(chǔ),后者是前者理論知識的具體應(yīng)用。并且,在各類專業(yè)課的內(nèi)部也存在這樣的關(guān)系。如果在前面的知識沒學好的基礎(chǔ)上,開設(shè)后面的課程,將直接導致學生學不懂,嚴重影響其學習積極性。例如:在某些高校的培養(yǎng)計劃中,沒有開設(shè)“半導體物理”,直接開設(shè)“晶體管原理”,造成了學生在學習“晶體管原理”課程時沒有“半導體物理”課程的基礎(chǔ),很難進入狀態(tài),學習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學習MOS晶體管的工作狀態(tài)時,如果沒有半導體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關(guān)。
3. 課程內(nèi)容理論性太強,嚴重打擊學生積極性!皩I(yè)物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業(yè)基礎(chǔ)課程本身理論性就很強,公式推導較多,并且要求學生具有較好的數(shù)學基礎(chǔ)。而我們有些教師在授課時,過分強調(diào)公式推導以及電路各性能參數(shù)的推導,而不是側(cè)重于對結(jié)構(gòu)原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學生(尤其是數(shù)學基礎(chǔ)較差的學生)學習起來很吃力,學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業(yè)課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業(yè)課程體系。形成“4+3+2”專業(yè)課程體系模式:“4”是專業(yè)基礎(chǔ)課“專業(yè)物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業(yè)方向課“集成電路原理與設(shè)計”、“集成電路工藝”和“集成電路設(shè)計CAD”;“2”是寬口徑專業(yè)課“集成電路應(yīng)用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優(yōu)化和循序漸進的原則,根據(jù)學習每門專業(yè)課所需掌握的基礎(chǔ)知識,環(huán)環(huán)相扣,合理設(shè)置各專業(yè)課的開課先后順序,形成先專業(yè)基礎(chǔ)課,再專業(yè)方向課,然后寬口徑專業(yè)課程的開設(shè)模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養(yǎng)模式,也就是三個本科專業(yè)大學一年級、二年級統(tǒng)一開設(shè)課程,主要開設(shè)高等數(shù)學、線性代數(shù)、力學、熱學、電磁學和光學等課程,重在增強學生的數(shù)學、物理等基礎(chǔ)知識,為各專業(yè)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課的學習打下很好的理論基礎(chǔ)。從大學三年級開始,分專業(yè)開設(shè)專業(yè)課程。為了均衡電子科學與技術(shù)專業(yè)學生各學期的學習負擔,大學三年級第一學期開設(shè)“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程。其中“固體物理與半導體物理”這門課程是將固體物理知識和半導體物理知識結(jié)合在一起,課時量為64學時,由2位教師承擔教學任務(wù),其目的是既能讓學生掌握后續(xù)專業(yè)方向課學習所需要的基礎(chǔ)知識,又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設(shè)“電子器件基礎(chǔ)”、“集成電路原理與設(shè)計”、“集成電路設(shè)計CAD”和“微電子工藝學”等專業(yè)課程。由于“電子器件基礎(chǔ)”是其他三門課程學習的基礎(chǔ),為了保證學習的延續(xù)性,擬將“電子器件基礎(chǔ)”這門課程的開設(shè)時間定為學期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學生在學習專業(yè)方向課時具有高的學習效率和大的學習興趣。另外,“集成電路原理與設(shè)計”課程設(shè)置96學時,由2位教師承擔教學任務(wù)。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計”的內(nèi)容,課時量為48學時,開設(shè)時間為6~17周;再講授“CMOS數(shù)字集成電路原理與設(shè)計”的內(nèi)容,課時量為48學時,開設(shè)時間為8~19周。大學四年級第一學期開設(shè)“集成電路應(yīng)用”和“集成電路封裝與測試技術(shù)”等寬口徑專業(yè)課程,并設(shè)置其為選修課,這樣設(shè)置的目的在于:對于有意向考研的同學,可以減少學習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學,可以更多了解專業(yè)方面知識,為找到好工作提供有力保障。
2.優(yōu)化專業(yè)課程的教學內(nèi)容。由于我校物理與電子科學學院本科生采用信息科學大類培養(yǎng)模式,專業(yè)課程要在大學三年級才能開始開設(shè),時間緊湊。為實現(xiàn)我校集成電路設(shè)計人才培養(yǎng)目標,培養(yǎng)緊跟集成電路發(fā)展前沿、具有較強實用性和創(chuàng)新性的集成電路設(shè)計人才,需要對集成電路設(shè)計方向?qū)I(yè)課程的教學內(nèi)容進行優(yōu)化。其學習重點應(yīng)該是掌握基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結(jié)于電路各性能參數(shù)的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導,側(cè)重于對基本原理及特性的物理意義的學習,以免削弱學生的學習興趣。MOS器件是目前集成電路設(shè)計的基礎(chǔ),因此,在“晶體管原理”中應(yīng)當詳細講授MOS器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業(yè)方向課程,教師不但要講授集成電路設(shè)計方面的知識,也要側(cè)重于集成電路設(shè)計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關(guān)內(nèi)容的教學。實驗實踐教學是培養(yǎng)學生的知識應(yīng)用能力、實際動手能力、創(chuàng)新能力和社會適應(yīng)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,在專業(yè)方向課程中要增加實驗教學的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設(shè)計”課程中,總課時量為48學時不變,理論課由原來的38學時減少至36學時,實驗教學由原來的10學時增加至12個學時。36學時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關(guān)電路等多種電路結(jié)構(gòu)。12個學時的實驗教學中2學時作為EDA工具學習,留給學生10個學時獨自進行電路設(shè)計。從而保證學生更好地理解理論課所學知識,融會貫通,有效地促進教學效果,激發(fā)學生的學習興趣。
三、結(jié)論
集成電路產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展與社會信息化的重要基礎(chǔ),而集成電路設(shè)計人才是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文根據(jù)調(diào)研結(jié)果,分析目前集成電路設(shè)計本科專業(yè)課程體系存在的主要問題,結(jié)合我校實際情況,對我校電子科學與技術(shù)專業(yè)集成電路設(shè)計方向的專業(yè)課程體系進行改革,提出“4+3+2”專業(yè)課程體系,并對專業(yè)課程講授內(nèi)容進行優(yōu)化。從而滿足我校集成電路設(shè)計專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的要求,為培養(yǎng)實用創(chuàng)新型集成電路設(shè)計人才提供有力保障。
參考文獻:
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