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集成電路設計專業課程體系改革與實踐
集成電路設計專業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
（長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南長沙410004）
摘要：專業課程體系是實現人才培養目標的重要保障。為實現我校集成電路設計專業人才培養目標，根據已提出的創新型集成電路設計人才培養模式，結合我校目前人才培養現狀與特征，改革優化集成電路設計專業課程體系。提出“4＋3＋2”專業課程體系，并優化集成電路設計專業課程的授課內容。
關鍵詞：課程體系改革；教學內容優化；集成電路設計
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產業是國家戰略性新興產業中的重要基礎性和先導性支柱產業。國家高度重視集成電路產業的發展，2000年，國務院頒發了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》（18號文件），2011年1月28日，國務院發布了《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》，2011年12月24日，工業和信息化部印發了《集成電路產業“十二五”發展規劃》，我國集成電路產業有了突飛猛進的發展。然而，我國的集成電路設計水平還遠遠落后于產業發展水平。2013年，全國進口產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）產業，明確指出，要設立新興產業創業創新平臺，在新一代移動通信、集成電路、大數據、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進，引領未來產業發展。2014年6月，國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》，加快推進我國集成電路產業發展，10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設計人才是集成電路產業發展的重要保障。2010年，我國芯片設計人員達不到需求的10%，集成電路設計人才的培養已成為當前國內高等院校的一個迫切任務[1]。為滿足市場對集成電路設計人才的需求，2001年，教育部開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業[2]。
我校2002年開設電子科學與技術本科專業，期間，由于專業調整，暫停招生。2012年，電子科學與技術專業恢復本科招生，主要專業方向為集成電路設計。為提高人才培養質量，提出了集成電路設計專業創新型人才培養模式[3]。本文根據培養模式要求，從課程體系設置、課程內容優化兩個方面對集成電路設計方向的專業課程體系進行改革和優化。
一、專業課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業基礎課的教學。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設計的專業基礎課，為后續更好地學習專業方向課提供理論基礎。如果基礎不打扎實，將導致學生在學習專業課程時存在較大困難，更甚者將導致其學業荒廢。例如，如果沒有很好掌握MOS晶體管的結構、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。
但國內某些高校將這些課程設置為選修課，開設較少課時量，學生不能全面、深入地學習；有些院校甚至不開設這些課程[4]。比如，我校電子科學與技術專業就沒有開設“晶體管原理”這門課程，而是將其內容合并到“模擬集成電路原理與設計”這門課程中去。
2.課程開設順序不合理。專業基礎課、專業方向課和寬口徑專業課之間存在環環相扣的關系，前者是后者的基礎，后者是前者理論知識的具體應用。并且，在各類專業課的內部也存在這樣的關系。如果在前面的知識沒學好的基礎上，開設后面的課程，將直接導致學生學不懂，嚴重影響其學習積極性。例如：在某些高校的培養計劃中，沒有開設“半導體物理”，直接開設“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，很難進入狀態，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。
3. 課程內容理論性太強，嚴重打擊學生積極性。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業基礎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學基礎。而我們有些教師在授課時，過分強調公式推導以及電路各性能參數的推導，而不是側重于對結構原理、工作機制和工作特性的掌握，使得學生（尤其是數學基礎較差的學生）學習起來很吃力，學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業課程體系。形成“4+3+2”專業課程體系模式：“4”是專業基礎課“專業物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”；“3”是專業方向課“集成電路原理與設計”、“集成電路工藝”和“集成電路設計CAD”；“2”是寬口徑專業課“集成電路應用”、“集成電路封裝與測試”，實行主講教師負責制。依照整體優化和循序漸進的原則，根據學習每門專業課所需掌握的基礎知識，環環相扣，合理設置各專業課的開課先后順序，形成先專業基礎課，再專業方向課，然后寬口徑專業課程的開設模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養模式，也就是三個本科專業大學一年級、二年級統一開設課程，主要開設高等數學、線性代數、力學、熱學、電磁學和光學等課程，重在增強學生的數學、物理等基礎知識，為各專業后續專業基礎課、專業方向課的學習打下很好的理論基礎。從大學三年級開始，分專業開設專業課程。為了均衡電子科學與技術專業學生各學期的學習負擔，大學三年級第一學期開設“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業基礎課程。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合在一起，課時量為64學時，由2位教師承擔教學任務，其目的是既能讓學生掌握后續專業方向課學習所需要的基礎知識，又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設“電子器件基礎”、“集成電路原理與設計”、“集成電路設計CAD”和“微電子工藝學”等專業課程。由于“電子器件基礎”是其他三門課程學習的基礎，為了保證學習的延續性，擬將“電子器件基礎”這門課程的開設時間定為學期的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，“集成電路原理與設計”課程設置96學時，由2位教師承擔教學任務。并且，先講授“CMOS模擬集成電路原理與設計”的內容，課時量為48學時，開設時間為6~17周；再講授“CMOS數字集成電路原理與設計”的內容，課時量為48學時，開設時間為8~19周。大學四年級第一學期開設“集成電路應用”和“集成電路封裝與測試技術”等寬口徑專業課程，并設置其為選修課，這樣設置的目的在于：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，可以更多了解專業方面知識，為找到好工作提供有力保障。
2.優化專業課程的教學內容。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模式，專業課程要在大學三年級才能開始開設，時間緊湊。為實現我校集成電路設計人才培養目標，培養緊跟集成電路發展前沿、具有較強實用性和創新性的集成電路設計人才，需要對集成電路設計方向專業課程的教學內容進行優化。其學習重點應該是掌握基礎的電路結構、電路工作特性和電路分析基本方法等，而不是糾結于電路各性能參數的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業基礎課程教學中，要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導，側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計的基礎，因此，在“晶體管原理”中應當詳細講授MOS器件的結構、工作原理和特性，而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業方向課程，教師不但要講授集成電路設計方面的知識，也要側重于集成電路設計工具的使用，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工藝等相關內容的教學。實驗實踐教學是培養學生的知識應用能力、實際動手能力、創新能力和社會適應能力的重要環節。因此，在專業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、開關電路等多種電路結構。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，激發學生的學習興趣。
三、結論
集成電路產業是我國國民經濟發展與社會信息化的重要基礎，而集成電路設計人才是集成電路產業發展的關鍵。本文根據調研結果，分析目前集成電路設計本科專業課程體系存在的主要問題，結合我校實際情況，對我校電子科學與技術專業集成電路設計方向的專業課程體系進行改革，提出“4＋3＋2”專業課程體系，并對專業課程講授內容進行優化。從而滿足我校集成電路設計專業創新型人才培養模式的要求，為培養實用創新型集成電路設計人才提供有力保障。
參考文獻：
[1]段智勇，弓巧俠，羅榮輝，等。 集成電路設計人才培養課程體系改革[J].電氣電子教學學報，2010，（5 ）。
[2]方卓紅，曲英杰。關于集成電路設計與集成系統本科專業課程體系的研究[J].科技信息，2007，（27）。
[3]謝海情，唐立軍，文勇軍。 集成電路設計專業創新型人才培養模式探索[J].電力教育，2013，（28）。
[4]劉勝輝，崔林海，黃海。集成電路設計與集成系統專業課程體系研究與實踐[J].教育與教學研究，2008，（22）。
[5]楊媛，余寧梅，高勇。半導體集成電路課程改革的探索與思考[J].中國科教創新導刊，2008，（3 ）。
[6]殷樹娟，齊臣杰。集成電路設計的本科教學現狀及探索[J].中國電力教育，2012，（4 ）。
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