北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 鞠家欣 張 靜 張曉波 楊 兵 孫海燕

探索微電子專業(yè)實(shí)踐教學(xué)新方法
——以參加“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”為例

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 鞠家欣 張 靜 張曉波 楊 兵 孫海燕

通過(guò)改革微電子專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法，以學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽為抓手，采取“以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的方式培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和工程化設(shè)計(jì)思想，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，也是探索微電子專業(yè)實(shí)踐教學(xué)新方法的一次嘗試。

微電子；集成電路設(shè)計(jì)大賽；實(shí)踐教學(xué)

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電子信息產(chǎn)業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，各種通訊產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。目前電子信息產(chǎn)業(yè)所需的集成電路與元器件的數(shù)量呈指數(shù)性增長(zhǎng)，2015年中國(guó)進(jìn)口價(jià)值2300億美元的集成電路和元器件，已超過(guò)石油成為進(jìn)口量最大的商品。為改變集成電路進(jìn)口份額過(guò)大的局面，提高國(guó)產(chǎn)集成電路市場(chǎng)占有率和電子信息產(chǎn)業(yè)安全，中國(guó)政府出臺(tái)了多種政策措施，扶持中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)整體提升國(guó)產(chǎn)集成電路的水平，并設(shè)立多所微電子學(xué)院，提升微電子專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為2025年中國(guó)集成電路產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到80%奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和人才技術(shù)儲(chǔ)備。

合格的集成電路人才是決定中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)能否快速發(fā)展、自主可控的關(guān)鍵因素，這對(duì)微電子專業(yè)能否培養(yǎng)出適合產(chǎn)業(yè)需要的集成電路人才提出更高的要求：工程師能否在學(xué)生階段得到高水平系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)、工藝流程、封測(cè)實(shí)踐訓(xùn)練，具備理論基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)際動(dòng)手能力強(qiáng)的素質(zhì)，這也要求高校對(duì)目前微電子專業(yè)的人才培養(yǎng)方法和課程體系，特別是實(shí)踐類課程必須作出變革，以滿足時(shí)代和國(guó)家進(jìn)步的要求。

目前開(kāi)設(shè)微電子專業(yè)的高校，其教育目標(biāo)是培養(yǎng)理論和實(shí)際相結(jié)合，適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的應(yīng)用型人才，但長(zhǎng)期以來(lái)受國(guó)家財(cái)政資金和整體技術(shù)水平的時(shí)代限制，對(duì)微電子專業(yè)的資金投入和師資培訓(xùn)不能滿足微電子專業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要，仍然采用傳統(tǒng)教育模式培養(yǎng)人才：理論與實(shí)際相脫節(jié)，理論知識(shí)教學(xué)在課程體系中比重過(guò)大，實(shí)踐類課程偏離實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入企業(yè)后還需二次培訓(xùn)，造成重復(fù)的人力資源和時(shí)間浪費(fèi)。如何讓學(xué)生在學(xué)校得到充分的實(shí)戰(zhàn)型培訓(xùn)，提高其實(shí)踐性以適應(yīng)未來(lái)進(jìn)入企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，是教育改革實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要研究方向。

如何改善實(shí)踐教學(xué)方法和理論，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)適合企業(yè)的合格人才，北方工業(yè)大學(xué)微電子系經(jīng)過(guò)幾年的探索，摸索出一條效果顯著的新型模式：以學(xué)科競(jìng)賽為抓手，帶動(dòng)實(shí)踐教學(xué)全方位的改革。

2 以賽促學(xué)，賽學(xué)結(jié)合

北方工業(yè)大學(xué)微電子系的教師深入多家集成電路企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，召開(kāi)校企座談會(huì)，多方位探討企業(yè)的用人需求和特點(diǎn)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化的人才培養(yǎng)方式，總結(jié)出目前的實(shí)踐教學(xué)課程存在的問(wèn)題：實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)偏離實(shí)踐特色，實(shí)踐教學(xué)模式?jīng)]有突出學(xué)生主體地位，實(shí)踐教學(xué)方法滯后于行業(yè)發(fā)展要求。現(xiàn)代的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)應(yīng)以學(xué)生掌握基本理論，能動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題為標(biāo)志。目前的實(shí)踐教學(xué)只是理論課程的一個(gè)補(bǔ)充，以教師講課為主，學(xué)生完成理論課程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)代的實(shí)踐教學(xué)模式應(yīng)該以學(xué)生為主體，教師起輔助引導(dǎo)作用，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)所規(guī)定的任務(wù)。目前的實(shí)踐教學(xué)模式是教師根據(jù)自己熟悉的知識(shí)結(jié)構(gòu)制定實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容能否適合學(xué)生認(rèn)知水平和應(yīng)用能力，都沒(méi)有做細(xì)致考慮和摸底調(diào)研，最終都是以一份實(shí)踐報(bào)告或小制作為最終考核依據(jù)，對(duì)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量無(wú)法做到全程控制?，F(xiàn)代的實(shí)踐教學(xué)方法應(yīng)突出工程化訓(xùn)練和EDA軟件的使用，結(jié)合實(shí)際需要以實(shí)戰(zhàn)化項(xiàng)目入手，賦予學(xué)生工程化思想，并使用EDA軟件完成一個(gè)項(xiàng)目全部設(shè)計(jì)流程。目前的實(shí)踐教學(xué)方法以理論分析為主，EDA軟件的使用僅限于部分單元，學(xué)生缺乏以工程化思想理解問(wèn)題，往往造成學(xué)生動(dòng)手能力得不到充分鍛煉，不能借助EDA工具完成任務(wù)。

針對(duì)目前微電子專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，改變傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法和模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是提高和檢驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)水平的一個(gè)有效手段。

因此，從2011年起，北方工業(yè)大學(xué)微電子系的教師開(kāi)始指導(dǎo)學(xué)生參加“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”，采取“以賽促學(xué)、賽學(xué)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式，連續(xù)參加6屆比賽，取得滿意的教學(xué)效果和獲獎(jiǎng)名次。

3 更新教學(xué)理念，改變教學(xué)方法和教學(xué)手段

“北京大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”主要面向開(kāi)設(shè)微電子學(xué)與固體電子學(xué)及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生，參賽人員需要具備模擬/數(shù)字集成電路、混合信號(hào)集成電路、集成電路工藝、集成電路制造、集成電路測(cè)試、常用集成電路測(cè)試工具等使用方面的知識(shí)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。大賽采用主流芯片生產(chǎn)廠實(shí)際流片工藝，統(tǒng)一配發(fā)的技術(shù)文檔和EDA工具等，按芯片面積、物理檢查要求學(xué)生自主完成采用全定制設(shè)計(jì)流程的模擬集成電路或數(shù)字集成電路芯片的設(shè)計(jì)任務(wù)。這要求指導(dǎo)教師改變教學(xué)理念，采取產(chǎn)學(xué)研一體化的教學(xué)方法，引入企業(yè)的工程師作為副導(dǎo)師進(jìn)入實(shí)踐教學(xué)課堂，為學(xué)生講解工程化的設(shè)計(jì)思想和方法。（A）根據(jù)具體的賽題選擇設(shè)計(jì)工具。目前主流的集成電路設(shè)計(jì)EDA工具主要由美國(guó)的Cadence和Synopsys公司壟斷，并且由于工具的復(fù)雜性掌握往往需要大半年時(shí)間。我們從實(shí)際出發(fā)，采用性價(jià)比高，容易學(xué)習(xí)掌握的國(guó)產(chǎn)軟件：華大九天Aether入手，搭建集成電路EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)。平臺(tái)的界面和功能完全兼容Cadence和Synopsys軟件，在版圖設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)多家主流設(shè)計(jì)公司已經(jīng)采用此種軟件。（B）工藝選擇。工藝代表了集成電路加工的技術(shù)水準(zhǔn)和先進(jìn)程度。每一項(xiàng)工藝的說(shuō)明書(shū)有上百頁(yè)，我們教師帶領(lǐng)學(xué)生從最簡(jiǎn)單的器件說(shuō)明開(kāi)始研究，把每一項(xiàng)說(shuō)明都研究通透，并對(duì)工藝涉及的材料特性進(jìn)行講解說(shuō)明，讓學(xué)生實(shí)際體會(huì)到一顆芯片的實(shí)際加工過(guò)程，從工藝?yán)碚摵蛯?shí)際材料方面理解集成電路的物理含義：它是各種材料層的堆積，不同顏色的工藝代表不同材料和形狀。（C）電路架構(gòu)選擇。我們系利用長(zhǎng)期積累的多種集成電路設(shè)計(jì)案例，挑選出十幾種經(jīng)典電路，由經(jīng)驗(yàn)豐富的教師和企業(yè)工程師給學(xué)生講解設(shè)計(jì)思路和電路架構(gòu)方法，在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生仔細(xì)體會(huì)并動(dòng)手實(shí)踐基本單元的設(shè)計(jì)方法和細(xì)節(jié)。同時(shí)，教師面對(duì)面與學(xué)生交流，和學(xué)生討論對(duì)賽題的理解，制定設(shè)計(jì)方案和流程，從這些交流中，能考核出學(xué)生的基本理論知識(shí)和對(duì)EDA工具的熟悉掌握程度，全方位的促進(jìn)學(xué)生掌握集成電路設(shè)計(jì)的理論、方法和工具。學(xué)生通過(guò)獨(dú)立完成一個(gè)賽題的全過(guò)程，設(shè)計(jì)能力和工程化思維的培養(yǎng)得到建立和提高，為學(xué)生適應(yīng)未來(lái)工作的需要奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加大賽，采用新穎的教學(xué)方法和教學(xué)手段，實(shí)踐教學(xué)水平也進(jìn)入一個(gè)更高的層次，探索出一條理論與實(shí)踐相結(jié)合的新型教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上的方法和模式，經(jīng)過(guò)6年的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的效果，我們期待將此種實(shí)踐教學(xué)方法和人才培養(yǎng)模式應(yīng)用到更多的微電子專業(yè)課程中，探索出一個(gè)適合微電子本科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)新模式。

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北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)基金。

鞠家欣，男，講師，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)。