劉慧敏, 姜訓(xùn)勇, 蘇 林, 劉 君, 張祖峰, 李華一

(天津理工大學(xué) a.集成電路科學(xué)與工程學(xué)院; b.材料科學(xué)與工程學(xué)院; c.電氣工程與自動化學(xué)院, 天津 300384)

0 引 言

集成電路技術(shù)是集當(dāng)今世界最先進科技成果于一體的綜合性交叉式邊緣學(xué)科，是龐大和復(fù)雜的系統(tǒng)工程和綜合技術(shù)。需要大量的理論和實踐能深度融合的專業(yè)人才來滿足行業(yè)的需求，而由于諸多因素導(dǎo)致目前我國集成電路產(chǎn)業(yè)人才缺口極大[1-2]。

1 地方院校培養(yǎng)集成電路人才存在的問題

我國有最大的工科生源，尤其是地方工科院校是一支強大的生力軍，這些學(xué)生今后是行業(yè)的主力軍，但由于長期重視理論輕實踐的教育教學(xué)體系，學(xué)生的綜合工程實踐能力遠遠不能滿足集成電路產(chǎn)業(yè)的需求。目前國家開展了如 “新工科”“卓越工程師計劃”“一流課程”等一系列措施來提升工科生的綜合能力，有許多寶貴的經(jīng)驗可以借鑒[3-12]。2019 年“教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)實施意見”中指出，從 2019～2021 年，完成 1 500 門左右國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程認定, 電子信息類建立了13門課程，因此基于虛擬仿真平臺及虛實結(jié)合的教學(xué)經(jīng)驗也層出不窮[13-16]。但對于地方院校來說要培養(yǎng)符合集成電路產(chǎn)業(yè)需求的人才，還存在以下一些問題：

(1) 集成電路行業(yè)門檻高。集成電路產(chǎn)業(yè)是工程性很強的一個行業(yè)，行業(yè)門檻高，專業(yè)背景要求高，沒有一系列專門定向的培養(yǎng)是很難滿足行業(yè)要求的。一個合格的集成電路行業(yè)工程師除了工程師具有的基本素養(yǎng)外還需要具備扎實的電路知識、工藝知識、編程知識、系統(tǒng)應(yīng)用等多項綜合的專業(yè)知識背景，這些專業(yè)知識需要多年的長期積累，短期培訓(xùn)是無法滿足要求的。

(2) 地方院校學(xué)生差異大。地方院校尤其是雙非院校學(xué)生來源范圍很廣，從發(fā)達到不發(fā)達地區(qū)，學(xué)生的知識背景、家庭背景、實踐能力背景等多方面層次差異很大，有許多學(xué)生可能從初中就開始玩一些電子產(chǎn)品，而有些學(xué)生剛上大學(xué)才用手機。學(xué)生的學(xué)習(xí)認知能力、自我控制能力等方面差異也很大。有些學(xué)生學(xué)東西很快,有些學(xué)生學(xué)習(xí)后勁不足，無法持之以恒，有些同學(xué)學(xué)新東西很慢，學(xué)習(xí)效率比較低。如果只是單純做題，現(xiàn)在各種學(xué)習(xí)資源很豐富，學(xué)生可以通過不斷刷題，慢慢提高，但是動手實踐的東西一旦做不出來，就無從下手，不知道該怎么辦，一旦有幾次失敗的體驗就對此失去興趣和信心。

(3) 實踐課程學(xué)習(xí)周期長。工程性強的實踐活動通常需要的硬件、器件等材料消耗比較大，實踐訓(xùn)練需要循序漸進，反復(fù)實踐驗證，試錯，在實踐過程中出現(xiàn)實驗現(xiàn)象出錯，如何排查錯誤原因、改正錯誤往往會給初學(xué)者造成很大困惑，因此入門的周期長。另外地方院校通常是以大班授課，同時參加實踐課程學(xué)習(xí)的人數(shù)多，教師的指導(dǎo)很有可能不及時不到位，這樣會增加學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的門檻，使得許多學(xué)生在實踐中沒有得到應(yīng)有的鍛煉，造成人才不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。

如何能在目前的課程體系中保障真實場景的有效訓(xùn)練，邊學(xué)邊做，結(jié)合當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展趨勢，在本科階段為工科生打好基礎(chǔ)，使其掌握必須完成的學(xué)科基本原理、基本方法、基本實踐技術(shù)的基礎(chǔ)，使理論教學(xué)和實踐教學(xué)深度融合，以實現(xiàn)對學(xué)生基本學(xué)位能力的培養(yǎng)，提高其工程實踐性，提高人才培育水平，來滿足行業(yè)的需求是擺在我們面前刻不容緩的問題。

2 虛實結(jié)合三維度的教學(xué)體系設(shè)計

為了培育出符合集成電路產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)人才，我校自2007年集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)招生以來，經(jīng)過多次與企業(yè)交流、與兄弟院校學(xué)習(xí)溝通，設(shè)計了“三維度虛實結(jié)合”教學(xué)體系，該教學(xué)體系是將虛實結(jié)合的理論實踐深度融合，如圖1所示，4年的本科專業(yè)教學(xué)過程是通過課堂支撐、技術(shù)賦能、賽創(chuàng)進階三維度來執(zhí)行，通過該教學(xué)體系的具體實施來提升學(xué)生的專業(yè)實踐能力。

圖1 三維度虛實結(jié)合

2.1 課堂支撐

課堂教學(xué)是高校教育教學(xué)的主陣地，多年來教師的傳道授業(yè)解惑主要是通過這個平臺實現(xiàn)的。通過課堂教學(xué)的實時交流，學(xué)生能從教師的面授中掌握知識的要領(lǐng)，本專業(yè)教師采用了對原來傳統(tǒng)的理論和實踐課程的知識點進行重構(gòu)，利用虛擬平臺和實踐課堂完成新模式的教育教學(xué)改革。

(1) 專業(yè)知識重構(gòu)。教師在課程中將理論課和實踐和深度融合，把相關(guān)的知識點融入可以真實實驗場景。如圖2所示，在講授數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字集成電路這兩門課時改變以往的知識架構(gòu)，將計算機的中央處理器(CPU)的架構(gòu)知識融入課程，建立如何編輯邏輯器件和基于集成電路的計算機硬件原理分析，使學(xué)生學(xué)完數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字集成電路這兩門課后基本知道了CPU的架構(gòu)、知道數(shù)字電路的各個單元如譯碼器、寄存器都在CPU中起什么作用。通過對這些虛擬器件從各個單元器件觸發(fā)器、微處理器(MCU)、人工智能(AI)芯片等由淺入深地逐步掌握相關(guān)的芯片架構(gòu)、原理。諸如此類的方式在許多專業(yè)課程中通過知識重構(gòu)，使學(xué)生學(xué)的知識與真實場景結(jié)合起來。

圖2 集成電路專業(yè)知識重構(gòu)

(2) 充分利用虛擬平臺。目前許多虛擬仿真的電子設(shè)計自動化(Electronic design automation，EDA)工具，可以幫助學(xué)生快速理解所學(xué)的知識，如信號與系統(tǒng)課程中可以利用Matlab軟件來模擬仿真相關(guān)的信號特征，求解相關(guān)的信號運算結(jié)果，對學(xué)生快速理解信號的特征有很大的幫助。因此教師可根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計利用虛擬實驗平臺的實驗內(nèi)容，可以通過多種模式組織學(xué)生利用課上或課下的時間來完成相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。圖3所示為在數(shù)字電路和數(shù)字集成電路中使學(xué)生通過我國自主知識產(chǎn)權(quán)的青島若貝電子有限公司的 EDA 工具搭建的虛擬仿真平臺體驗其中的實踐內(nèi)容，對所學(xué)的理論知識在虛擬平臺實驗中有初步理解。該圖還顯示通過Robei EDA 工具模塊化的特點，可以對復(fù)雜的器件或者芯片進行分析了解。

(a) 專用芯片

通過波形分析查看虛擬器件中間的信號鏈接，掌握器件信號鏈接和邏輯運算。集成電路虛擬實驗仿真平臺可以協(xié)助學(xué)生快速實現(xiàn)各種專用器件、電路模塊、復(fù)雜電路模塊的學(xué)習(xí)和理解并加以應(yīng)用。波形仿真結(jié)果如圖4所示。

(3) 課堂引導(dǎo)實踐訓(xùn)練。教師需要通過課堂演示相關(guān)的實際操作，對關(guān)鍵技術(shù)點需要反復(fù)細致地指導(dǎo)，甚至采用分解關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析展示?？刹捎梅纸M，把不同程度的學(xué)生組合在一起，通過團隊合作，讓學(xué)得快的同學(xué)進行課堂展示示范，課下也可以幫助學(xué)得慢的同學(xué)跟上進度。保證面向全體學(xué)生，不同的學(xué)習(xí)程度的學(xué)生都能掌握實踐的過程和結(jié)果。

圖4 波形仿真縮略圖

如果條件允許也可以現(xiàn)場錄制視頻，2020年由于疫情，我校開展了線上教學(xué)，課堂演示過程，許多學(xué)生錄制了視頻，這樣在課下可以幫助學(xué)習(xí)進度慢的同學(xué)反復(fù)觀看實踐過程，使其盡快學(xué)會操作過程，縮短與學(xué)得快的同學(xué)的差距。實踐表明，許多學(xué)生可能就是某個技術(shù)點沒看清，導(dǎo)致實踐錯誤，通過課下反復(fù)觀看其他同學(xué)的操作過程，很快就能跟上學(xué)習(xí)進度，對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有極大的幫助。

這種先虛擬再實踐的學(xué)習(xí)過程可以改變以前只有部分學(xué)生在實踐課學(xué)習(xí)中實踐技能有提高，而轉(zhuǎn)為面向全體學(xué)生的提高。學(xué)生在真實實驗之前已對學(xué)習(xí)的內(nèi)容較為熟悉，降低了實踐操作的門檻，學(xué)生先有過虛擬平臺的體驗后，再通過老師對虛擬平臺體驗過程中出現(xiàn)的問題的講解時能夠引起其注意，加深其學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成完整的知識流，最后通過綜合實踐訓(xùn)練，形成一個完整的知識流學(xué)習(xí)過程，提升其綜合實踐能力。同時教師和學(xué)生都通過課堂作為學(xué)習(xí)的主陣地，課堂上的展示、交流、引導(dǎo)將課堂教學(xué)的交互性、實時性的優(yōu)勢都發(fā)揮出來了。

2.2 技術(shù)賦能

學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗對知識的認知和掌握是一個很重要的過程，只有通過深刻的體驗才能理解相關(guān)的知識。

(1) 虛擬平臺為技術(shù)賦能熱身。集成電路相關(guān)的工藝實驗設(shè)備都非常昂貴，一般本科生是不可能實際操作的，但可以通過國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺及一些虛擬仿真系統(tǒng)使學(xué)生對這些高大上的設(shè)備零距離接觸。可以開展如對單晶硅制備、磁控濺射、光刻、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、四探針測試系統(tǒng)、霍爾測試系統(tǒng)、金相顯微鏡、橢偏儀這些設(shè)備的虛擬實驗項目。學(xué)生可以親自操作磁控濺射、原子力顯微鏡等200萬元以上的高端虛擬設(shè)備。通過這樣的虛擬實驗可以讓學(xué)生去觸摸，讓學(xué)生動起來。學(xué)生對這些設(shè)備的操作流程有了親身的體驗，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)學(xué)生后期再到實驗室學(xué)習(xí)時，對這些大型設(shè)備就會如數(shù)家珍，很快會上手操作。圖5所示的集成電路(IC，Integrate Circuit)制程包括：晶圓制程、芯片制程、封裝制程。通過選擇制造方法和設(shè)備，掌握IC制程工藝流程。選擇設(shè)置設(shè)備主要參數(shù)，再通過觀看設(shè)備技術(shù)原理視頻演示，運行生產(chǎn)設(shè)備模擬運行操作，掌握IC制程關(guān)鍵設(shè)備。

(a) 芯片制造設(shè)備

還可以在如電路課程中加入Multisim等EDA工具，使學(xué)生學(xué)會對所學(xué)的電路知識有一個感性的認識。尤其是抽象思維能力弱一些的學(xué)生通過EDA工具的仿真，對知識就會有一個感性認識。如果像以前需要到實驗室搭建實驗平臺，再去驗證，這個周期會比較長。在學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐能力不足的情況下，往往會放棄或是對知識簡單的記憶，而不去深入的理解。而通過虛擬仿真的工具上手快捷，學(xué)生在自己的機器上，在課下隨時就可以去學(xué)習(xí)、驗證自己的知識盲點，這樣便于學(xué)生迅速發(fā)現(xiàn)自己對知識理解的偏差點，也便于學(xué)生去探索一些自己好奇的知識點，提高學(xué)生的能力。

(2) 分層實訓(xùn)為技術(shù)賦能啟航。在虛擬平臺上的學(xué)習(xí)，但那只是熱身，必須通過后期真實實戰(zhàn)訓(xùn)練，學(xué)會解決實戰(zhàn)中出現(xiàn)的一些不確定問題，通過已知的內(nèi)容學(xué)習(xí)和實戰(zhàn)訓(xùn)練來培育學(xué)生探索未知的精神和勇氣，才能真正讓學(xué)生的能力得到提升。為今后具備解決復(fù)雜工程問題的能力打下基礎(chǔ)。

分層實訓(xùn)的培養(yǎng)體系是按照“認識芯片—使用芯片—設(shè)計芯片”這樣的總體思想設(shè)計的，在每個年級都安排不同難易程度且與理論課程相關(guān)的實訓(xùn)，通過這一系列的分層次分年級循序漸進的基礎(chǔ)實踐課程訓(xùn)練，學(xué)生可以從簡單到復(fù)雜，從點到面，循序漸進逐步提高實戰(zhàn)能力。在教師有序地指導(dǎo)下，學(xué)生逐步地將集成電路芯片設(shè)計的相關(guān)實戰(zhàn)技能與同步相關(guān)的理論知識相融合，體會從實戰(zhàn)經(jīng)驗中收獲學(xué)以致用的喜悅。學(xué)生“踮一踮腳”就可以夠到，當(dāng)學(xué)生完成一個自己獨立設(shè)計的實訓(xùn)項目后會有一種成就感，在課本中學(xué)習(xí)，在實驗中檢驗、發(fā)現(xiàn)，用課本知識去分析，興趣就會從這里啟航。

(3) 綜合實訓(xùn)為技術(shù)賦能增力。通過前期的基礎(chǔ)實驗的訓(xùn)練，還設(shè)計了一些綜合性強的實驗，將前期實驗課程中的實驗進行綜合應(yīng)用，讓學(xué)生將前期學(xué)到的各個單獨課程中的實踐能力融合起來，通過行動和實踐來激發(fā)能力，激發(fā)學(xué)生的行動，去解決實踐中的問題，喚醒對于知識與內(nèi)在認知之間的共鳴，不是簡單地接受知識，從而回歸到內(nèi)容本身的學(xué)習(xí)上，而是借助于內(nèi)容的理解，去把握本質(zhì)性認識，掌握規(guī)律以及認知知識與運用知識的能力。

如單片機與微機原理課程，在理論授課的基礎(chǔ)之上，加入相關(guān)的課程設(shè)計，課程設(shè)計的題目是融合模擬電子技術(shù)和單片機課程的內(nèi)容,通過系統(tǒng)綜合訓(xùn)練，使學(xué)生學(xué)會將理論課程深度與實踐課程融合。 在集成電路芯片設(shè)計實訓(xùn)課程中，要求學(xué)生綜合前面的模擬電子技術(shù)、模擬集成電路設(shè)計、單片機與微機原理、集成電路版圖設(shè)計等多門課的知識自行設(shè)計一個運算放大器的實際應(yīng)用芯片并參考一些成熟的芯片產(chǎn)品，完成相關(guān)的技術(shù)文檔的撰寫，這些內(nèi)容可以讓學(xué)生“跳一跳”夠得著，既可以滿足能力弱一些的學(xué)生對前面所學(xué)的知識和能力進一步鞏固和提高，同時也可以滿足能力強的學(xué)生做出許多有創(chuàng)新性的作品，掌握解決復(fù)雜工程問題的能力，為學(xué)生的行動能力啟航。

3 賽創(chuàng)進階

在基本技能得到訓(xùn)練后，學(xué)生可進階參加各類相關(guān)的專業(yè)比賽、參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、參加相關(guān)教師的科研創(chuàng)新活動，這些具有真實性和挑戰(zhàn)性綜合實踐活動便可以為已啟航的學(xué)生插上翅膀，使其綜合能力大幅度提高。在制定學(xué)生的培養(yǎng)方案時專門設(shè)計了一個創(chuàng)新與研學(xué)的必修課程，要求學(xué)生在大學(xué)4年中能夠參與至少1項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的比賽或大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，這樣可以把學(xué)生“逼上道”，不給“犯懶”的機會，許多學(xué)生到大三大四因為要考研，所以往往會把自己的精力專注于“刷題”中，不愿意花費時間去實踐，但其實認真實踐后反而會提升學(xué)生的綜合能力，加深對理論知識的認知。因此當(dāng)學(xué)生“被逼上路”時，就會面對實踐活動，一旦做進去，就能體會出其中的奧妙。學(xué)生通過一系列的參與、學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)、探索，可能最終的項目是失敗的，但只要認真實踐，最終的收獲仍是成長，提升。很多同學(xué)找到了自己的航向，在解決一個個問題的過程中激發(fā)了自己的潛能。

在組織學(xué)生參與大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中，學(xué)生可靈活利用虛擬平臺，隨時自主學(xué)習(xí)、可實施、交互反饋等優(yōu)點,可以在比賽初期建模和基本原理理解分析時采用，這樣學(xué)生很快就能對綜合性題目的大致涵義有初步的認識和了解，快速上手，為后期展開真實的實踐活動打下基礎(chǔ)。

通過參加各種比賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動可以讓學(xué)生動起來，把熱情激發(fā)起來，但往往學(xué)生開始時學(xué)習(xí)熱情很高，經(jīng)過一段時間后會由于各種理由而降溫，甚至退出，轉(zhuǎn)方向。這些不良的習(xí)慣一旦養(yǎng)成，對學(xué)生未來的發(fā)展都會有很大的影響。因此，根據(jù)不同的賽事活動安排了專門的指導(dǎo)教師負責(zé)答疑解惑，最重要的是督促學(xué)生能夠不畏難、堅持到底的做事情，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)和做事習(xí)慣。

實戰(zhàn)訓(xùn)練中各種元器件、耗材的費用往往也是影響學(xué)生參與的一個因素之一，對還沒有找到濃厚興趣的學(xué)生來說，不愿意花這些錢。因此，我院針對各種賽事活動提供了一定的資金支持，來保障學(xué)生的實踐活動順利開展。這些經(jīng)費基本可以滿足學(xué)生參加比賽等賽事活動，各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中也會有一定的資金支撐。這些舉措大大鼓勵了學(xué)生參加比賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

4 教學(xué)效果

目前在集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的理論課程、實踐課程、課外活動等多方面實施了“虛實結(jié)合三維度”即“課堂支撐、技術(shù)賦能、賽創(chuàng)進階”的培養(yǎng)體系。從課堂教學(xué)的效果來看，許多學(xué)生開始逐步改變以往被動的學(xué)習(xí)方式，課堂互動效果提高了，學(xué)生在信號與系統(tǒng)的課上非常興奮地展示自己的作品，同學(xué)們在身邊的榜樣影響下學(xué)習(xí)的興趣濃了，學(xué)習(xí)的知識活了。改變了以往只靠“刷題”考高分的學(xué)習(xí)定式。

本專業(yè)的學(xué)生在世界機器人大賽、全國大學(xué)生集成電路大賽、全國電子大賽、大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽、大學(xué)生創(chuàng)新項目等一系列綜合性強的實踐活動中涌現(xiàn)出極大的熱情，也體現(xiàn)出了較高的綜合素質(zhì)，其中連續(xù)9年參加的全國集成電路設(shè)計大賽中我校學(xué)生多次分別獲得特等獎1項、一等獎6項、二等獎19項、三等獎33項等優(yōu)異的成績，在全國高校中連續(xù)多年被評為優(yōu)秀組織獎。2020年，2017級集成卓越班獲得專業(yè)排名第一、科研參與率100%、世界級獎項1項、國家級獎項11項、省部級獎項11項、校級獎項70余項等一系列優(yōu)異成績，并獲得“天津市市級先進班集體稱號”。

很多學(xué)生的潛能通過這些多元化的刺激被激發(fā)了，有些學(xué)生平時在課堂上默默無聞，參加筆試考試成績平平，但是在這個綜合實踐訓(xùn)練的舞臺和平臺中卻展示出了別樣的風(fēng)采，找到了自己的閃光點，往往還會有新發(fā)現(xiàn)，為學(xué)生未來職業(yè)能力提高奠定了良好的基礎(chǔ)。連續(xù)多年有多名學(xué)生通過參加大學(xué)生集成電路大賽嶄露頭角，同時在畢業(yè)時也收獲了相關(guān)企業(yè)的青睞，被企業(yè)錄用。還有很多學(xué)生雖然是地方院校的本科生，雙非生，但學(xué)生在公司里表現(xiàn)出了很強的綜合能力。連續(xù)多年來我校為紫光同創(chuàng)、天津飛騰等多家知名企業(yè)輸送了大量人才，部分已成長為企業(yè)骨干。

5 結(jié) 語

結(jié)合多年的教學(xué)實踐，面向地方院校的工科生，摸索總結(jié)了一套“虛實結(jié)合三維度”即“課堂支撐、技術(shù)賦能、賽創(chuàng)進階”的培養(yǎng)體系，總結(jié)了培養(yǎng)新工科背景下學(xué)生實踐能力的新思路，將理論與實踐深度融合，激發(fā)了學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的潛力，提升了學(xué)生的綜合能力。實踐表明，該培養(yǎng)體系是地方院校培養(yǎng)高層次工程人才的有效方法。