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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(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)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(xué)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(xué)教學(xué)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(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)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(dǎo)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(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)�！皩I(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)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(xué)習(xí)專業(yè)方向課提供理論基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)不打扎實，將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程時存在較大困難，更甚者將導(dǎo)致其學(xué)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(xué)生在后面學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生不能全面、深入地學(xué)習(xí)；有些院校甚至不開設(shè)這些課程[4]。比如，我校電子科學(xué)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(xué)好的基礎(chǔ)上，開設(shè)后面的課程，將直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)不懂，嚴重影響其學(xué)習(xí)積極性。例如：在某些高校的培養(yǎng)計劃中，沒有開設(shè)“半導(dǎo)體物理”，直接開設(shè)“晶體管原理”，造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)“晶體管原理”課程時沒有“半導(dǎo)體物理”課程的基礎(chǔ)，很難進入狀態(tài)，學(xué)習(xí)興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學(xué)習(xí)MOS晶體管的工作狀態(tài)時，如果沒有半導(dǎo)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(xué)生積極性�！皩I(yè)物理”、“固體物理”、“半導(dǎo)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(dǎo)較多，并且要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而我們有些教師在授課時，過分強調(diào)公式推導(dǎo)以及電路各性能參數(shù)的推導(dǎo)，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(xué)生（尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生）學(xué)習(xí)起來很吃力，學(xué)習(xí)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(dǎo)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(zé)制。依照整體優(yōu)化和循序漸進的原則，根據(jù)學(xué)習(xí)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(xué)學(xué)院本科生實行信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式，也就是三個本科專業(yè)大學(xué)一年級、二年級統(tǒng)一開設(shè)課程，主要開設(shè)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等課程，重在增強學(xué)生的數(shù)學(xué)、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(xué)習(xí)打下很好的理論基礎(chǔ)。從大學(xué)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(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生各學(xué)期的學(xué)習(xí)負擔(dān)，大學(xué)三年級第一學(xué)期開設(shè)“理論物理導(dǎo)論”和“固體物理與半導(dǎo)體物理”兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程。其中“固體物理與半導(dǎo)體物理”這門課程是將固體物理知識和半導(dǎo)體物理知識結(jié)合在一起，課時量為64學(xué)時，由2位教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，其目的是既能讓學(xué)生掌握后續(xù)專業(yè)方向課學(xué)習(xí)所需要的基礎(chǔ)知識，又不過分增加學(xué)生的負擔(dān)。大學(xué)三年級第二學(xué)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(xué)”等專業(yè)課程。由于“電子器件基礎(chǔ)”是其他三門課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，為了保證學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)方向課時具有高的學(xué)習(xí)效率和大的學(xué)習(xí)興趣。另外，“集成電路原理與設(shè)計”課程設(shè)置96學(xué)時，由2位教師承擔(dān)教學(xué)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(xué)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(xué)時，開設(shè)時間為8~19周。大學(xué)四年級第一學(xué)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(xué)，可以減少學(xué)習(xí)壓力，專心考研；同時，對于要找工作的同學(xué)，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(xué)內(nèi)容。由于我校物理與電子科學(xué)學(xué)院本科生采用信息科學(xué)大類培養(yǎng)模式，專業(yè)課程要在大學(xué)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(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化。其學(xué)習(xí)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(dǎo)。
在“固體物理與半導(dǎo)體物理”和“晶體管原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導(dǎo)，側(cè)重于對基本原理及特性的物理意義的學(xué)習(xí)，以免削弱學(xué)生的學(xué)習(xí)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(dāng)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(xué)。實驗實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(xué)時不變，理論課由原來的38學(xué)時減少至36學(xué)時，實驗教學(xué)由原來的10學(xué)時增加至12個學(xué)時。36學(xué)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(xué)時的實驗教學(xué)中2學(xué)時作為EDA工具學(xué)習(xí)，留給學(xué)生10個學(xué)時獨自進行電路設(shè)計。從而保證學(xué)生更好地理解理論課所學(xué)知識，融會貫通，有效地促進教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)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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