［摘 要］ 隨著我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，急需大量集成電路設(shè)計(jì)類人才，如何解決這一緊迫的需求，更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)優(yōu)秀的、能夠適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求、解決復(fù)雜工程問題的設(shè)計(jì)類人才，是高?！澳M集成電路設(shè)計(jì)”課程本科教學(xué)中亟待解決的核心問題。依托所在學(xué)院開設(shè)的案例教學(xué)類課程，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和課賽結(jié)合的方式，形成了基于國(guó)產(chǎn)EDA工具的模擬集成電路設(shè)計(jì)案例教學(xué)方法，開展并完成了多個(gè)學(xué)期的教學(xué)改革和實(shí)踐。教學(xué)數(shù)據(jù)表明，案例教學(xué)方法可顯著提高學(xué)生的獲得感和滿意度。但對(duì)于不同水平的學(xué)生，效果存在一定的差異?；诖?，提出了進(jìn)一步改進(jìn)案例教學(xué)的三點(diǎn)建議。

［關(guān)鍵詞］ 案例教學(xué)；模擬集成電路設(shè)計(jì)；EDA；Empyrean Aether

［基金項(xiàng)目］ 2021—2023年山東大學(xué)教學(xué)研究課題“基于國(guó)產(chǎn)EDA工具集成電路設(shè)計(jì)案例實(shí)踐教學(xué)研究”（2021Y052）；2019年度教育部第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于華大九天EDA集成電路設(shè)計(jì)案例教學(xué)”（201902024010）

［作者簡(jiǎn)介］ 曹 超（1988—），男，山西朔州人，博士，山東大學(xué)集成電路學(xué)院助理研究員，主要從事模擬IC設(shè)計(jì)研究；王 永（1972—），男，山東煙臺(tái)人，博士，山東大學(xué)集成電路學(xué)院教授，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究；郭海君（1991—），女，山東聊城人，博士，濟(jì)南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）33-0063-04 ［收稿日期］ 2023-06-25

引言

《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中提出，集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)［1］。首先是人才供需失衡問題。其次是師資與實(shí)訓(xùn)條件不足，教學(xué)軟硬件資源缺乏，導(dǎo)致產(chǎn)教環(huán)節(jié)部分脫節(jié)，造成了崗位和能力之間的結(jié)構(gòu)性錯(cuò)配。這些都對(duì)高校集成電路設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

北京華大九天軟件有限公司（“華大九天”）成立于2009年，該公司研發(fā)了Empyrean EDA工具，提供了從電路到版圖完整解決方案。采用國(guó)產(chǎn)EDA工具，可降低高校的EDA軟件投入費(fèi)用，解決產(chǎn)教脫節(jié)的問題。

本文依托山東大學(xué)國(guó)家示范性微電子學(xué)院國(guó)家一流本科專業(yè)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)培養(yǎng)方案中的“案例教學(xué)與課程設(shè)計(jì)Ⅱ”課程，基于“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程，主要內(nèi)容為典型模擬集成電路模塊或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電路原理圖設(shè)計(jì)、仿真、版圖設(shè)計(jì)、寄生參數(shù)提取和后仿真等設(shè)計(jì)全流程。依托華大九天模擬集成電路設(shè)計(jì)全流程EDA工具開展實(shí)踐教學(xué)，采用項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例為主，配合理論講授答疑等的教學(xué)方法，同時(shí)采用課賽結(jié)合的方式。最后，在多輪次的教學(xué)過程中，根據(jù)考查情況，對(duì)該教學(xué)方法的成效進(jìn)行了討論和分析。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

“模擬集成電路設(shè)計(jì)”是當(dāng)前國(guó)內(nèi)各大高校集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的必修課程。為進(jìn)一步提高鞏固教學(xué)質(zhì)量，山東大學(xué)微電子學(xué)院開設(shè)了“案例教學(xué)與課程設(shè)計(jì)Ⅱ”作為實(shí)踐類提高課程。該課程依托實(shí)際工程案例，要求學(xué)生熟練掌握集成電路設(shè)計(jì)流程，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)研發(fā)能力。本文首先調(diào)研了已有的同類教學(xué)研究文獻(xiàn)。馬馳遠(yuǎn)等［2］在研究生課程中提出了基于真實(shí)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的案例式教學(xué)方法，開展了歷時(shí)三年的教學(xué)改革研究與實(shí)踐，說明了該方法對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的好處；李宏杰等［3］探究了一種面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革方法，使用Cadence等仿真軟件對(duì)理論知識(shí)建模和仿真分析，加深對(duì)理論知識(shí)的理解；章丹艷［4］圍繞課程內(nèi)容和教學(xué)手段，提出了一種設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)改革方案與措施，取得了良好的效果；廖午陽［5］提出了一種實(shí)例教學(xué)法，旨在幫助學(xué)生有效地理解模擬集成電路設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，掌握就業(yè)技能；藺智挺［6］探索了項(xiàng)目教學(xué)法在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。

近幾年，全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽）、集成電路EDA設(shè)計(jì)精英挑戰(zhàn)賽、集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用賽項(xiàng)等集成電路相關(guān)的大學(xué)生比賽活動(dòng)開展得如火如荼。張鴻［7］探索了如何利用集成電路設(shè)計(jì)大賽促使學(xué)生加深理論理解，提高設(shè)計(jì)能力，推動(dòng)創(chuàng)新；張威等［8］從學(xué)生參加集成電路設(shè)計(jì)大賽所具備的能力要求出發(fā)，對(duì)模擬集成電路課程教學(xué)進(jìn)行改革，主要包括課程體系、教學(xué)方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)和“雙師型”教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)；曹超等［9］進(jìn)行了一學(xué)期的教學(xué)改革和實(shí)踐，形成了一種基于國(guó)產(chǎn)EDA工具的模擬集成電路設(shè)計(jì)案例教學(xué)方法。

上述文獻(xiàn)從案例研究、考核方法和課賽結(jié)合等多個(gè)維度探索了針對(duì)集成電路設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，本文將在此基礎(chǔ)上針對(duì)本課程特點(diǎn)做進(jìn)一步的教學(xué)探討。

二、課程設(shè)計(jì)

本文采用的教學(xué)改革依托山東大學(xué)國(guó)家示范性微電子學(xué)院集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的“案例教學(xué)與課程設(shè)計(jì)Ⅱ”課程，開展了3個(gè)學(xué)期的案例教學(xué)實(shí)踐。“案例教學(xué)與課程設(shè)計(jì)Ⅱ”為專業(yè)選修課，授課對(duì)象為2017—2019級(jí)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)本科生，共64學(xué)時(shí)。在多輪次的教學(xué)實(shí)踐中逐漸摸索形成了如圖1所示的案例教學(xué)實(shí)踐流程。

在課程教學(xué)中，一是注重“模擬集成電路基礎(chǔ)”“模擬集成電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”“案例教學(xué)和課程設(shè)計(jì)Ⅱ”等相關(guān)課程的聯(lián)系，以課組為單位加強(qiáng)不同課程任課教師之間的溝通，修訂相關(guān)課程的教學(xué)大綱，優(yōu)化前后課程銜接關(guān)系。在各個(gè)模塊教學(xué)中，將理論教學(xué)和EDA仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開展演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋驗(yàn)證理論知識(shí)，幫助學(xué)生初步了解常見的EDA工具、電路仿真類型、電路設(shè)計(jì)方法流程等基礎(chǔ)知識(shí)。二是通過線下課程講授與線上部分資源結(jié)合的方式，介紹華大九天模擬集成電路設(shè)計(jì)全流程EDA工具的使用技巧，開展國(guó)產(chǎn)華大九天EDA工具培訓(xùn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和了解EDA工具模擬集成電路設(shè)計(jì)全流程相應(yīng)的操作方法；為做好與前序課程的銜接，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻，在本課程的案例教學(xué)中首先選擇兩級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)作為模擬項(xiàng)目，要求學(xué)生從原理圖到版圖的每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成對(duì)應(yīng)功能模塊的設(shè)計(jì)，掌握正向設(shè)計(jì)的思路，通過查找資料、交流討論等方式解決設(shè)計(jì)中遇到的復(fù)雜工程問題，逐步推進(jìn)最終完成整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)。在后續(xù)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，針對(duì)連續(xù)時(shí)間模擬集成電路，選擇從運(yùn)算放大器（Operation Amplifier，OPA）到帶隙基準(zhǔn)（Bandgap Reference，BGR）再到低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）循序漸進(jìn)的案例教學(xué)順序。最終完成案例教學(xué)，掌握模擬集成電路設(shè)計(jì)全流程。三是開展課賽結(jié)合。首先將往屆競(jìng)賽題目用于模擬項(xiàng)目及教學(xué)案例中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感。組織學(xué)生組隊(duì)參加“全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“集成電路EDA設(shè)計(jì)精英挑戰(zhàn)賽”等集成電路方面的科創(chuàng)競(jìng)賽活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生積極爭(zhēng)取各類競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)。

在最近的一次案例教學(xué)中，我們將全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作為后續(xù)的綜合性設(shè)計(jì)案例，供學(xué)生自主選擇。以第五屆全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽艾為杯賽題“具有高瞬態(tài)響應(yīng)的低功耗無片外電容LDO設(shè)計(jì)”為例，具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

由于課程學(xué)時(shí)有限，該賽題在案例教學(xué)中只要求學(xué)生完成前仿和PVT組合的仿真，并且為了照顧不同學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，由學(xué)生自主選擇，但是在分?jǐn)?shù)評(píng)定上有所傾斜。學(xué)生自主選擇情況如圖2所示，其中選擇LDO題目的學(xué)生比例最高，最終完成率也在80%以上。

在整個(gè)教學(xué)過程中，注重任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)和課賽結(jié)合。突出以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，減少傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)，增加參與式教學(xué)。將教師由傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動(dòng)協(xié)助者和參與者，解決指導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中遇到的各種問題。在案例教學(xué)中，學(xué)生可以充分體驗(yàn)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的完整流程，包括指標(biāo)分析、電路原理圖設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、版圖設(shè)計(jì)、寄生參數(shù)提取、后仿真等。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)生間的交流討論，提高學(xué)生分析問題和研發(fā)方案的能力。

三、分析與討論

由于不同學(xué)年的教學(xué)針對(duì)學(xué)生實(shí)際完成情況有所改進(jìn)，所以不同學(xué)年的成績(jī)或評(píng)教無法直接相互比較。經(jīng)過一學(xué)期學(xué)習(xí)，教學(xué)效果評(píng)價(jià)主要通過學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成。在最近的一次教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生掌握并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的情況較好，90%以上的學(xué)生認(rèn)為達(dá)成了課程目標(biāo)，且課程所學(xué)有助于今后的學(xué)習(xí)。針對(duì)華大九天Empyrean EDA工具進(jìn)行的問卷調(diào)查顯示，其優(yōu)點(diǎn)包括：90%學(xué)生認(rèn)為界面清晰；50%學(xué)生認(rèn)為操作便捷，功能多樣；其缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)資源太少，自主學(xué)習(xí)不便。前后兩次教學(xué)中這一比例由83%下降到70%，同比下降了13%。80%學(xué)生認(rèn)為該工具提供了完成實(shí)驗(yàn)所必需的功能，并且運(yùn)行穩(wěn)定。60%學(xué)生支持繼續(xù)采用該工具，說明采用華大九天Aether EDA工具的學(xué)習(xí)遷移成本較小。

通過以上結(jié)果，說明案例教學(xué)可以提高學(xué)生分析、解決問題和設(shè)計(jì)研發(fā)的能力，做到以學(xué)生為中心，但如何針對(duì)不同水平、不同特點(diǎn)的學(xué)生因材施教，保證參與課程的學(xué)生能夠全員實(shí)現(xiàn)又是新的問題和艱巨的挑戰(zhàn)。針對(duì)此次教學(xué)中存在的問題和不足，后續(xù)采用如下方法進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)：（1）進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)線上教學(xué)資源建設(shè)，便于學(xué)生利用空余時(shí)間自主學(xué)習(xí)；（2）劃分學(xué)習(xí)小組，組織學(xué)生討論、報(bào)告和展示，提高學(xué)生的參與度和主動(dòng)性；（3）提供多樣化有效的教學(xué)支持，提高不同層次學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

結(jié)語

模擬集成電路設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵一環(huán)，涉及復(fù)雜而全面的工程研發(fā)，如何通過案例教學(xué)，將之前相關(guān)課程中的知識(shí)和技能融會(huì)貫通，把抽象的理論知識(shí)和具體的工程實(shí)踐結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生解決集成電路復(fù)雜工程問題的能力，從而滿足用人單位的需求，是教學(xué)中的一個(gè)難題。本文依托“案例教學(xué)與課程設(shè)計(jì)Ⅱ”課程的多年教學(xué)實(shí)踐，提出了基于國(guó)產(chǎn)華大九天模擬電路設(shè)計(jì)全流程EDA工具的案例教學(xué)，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和課賽結(jié)合的方式，開展了多輪次的教學(xué)改革和實(shí)踐，并介紹了具體的實(shí)施過程和實(shí)際的教學(xué)效果。所獲得的教學(xué)數(shù)據(jù)表明，該案例教學(xué)方法能夠提高學(xué)生分析、解決問題和設(shè)計(jì)研發(fā)的能力，提高學(xué)生的獲得感和滿意度，并針對(duì)不同水平學(xué)生的主觀感受和客觀表現(xiàn)存在的差異，提出了多條措施進(jìn)一步改進(jìn)案例教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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［8］張威，陸小飛，楊玲玲，等.從大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽談模擬集成電路課程教學(xué)改革［J］.電子世界，2015（23）：22-23.

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Case Teaching Research and Practice of Analog Integrated Circuits Design：

Based on Domestic EDA Tools

CAO Chao1， WANG Yong1， GUO Hai-jun2

（1. School of Integrated Circuits， Shandong University， Jinan， Shandong 250101， China; 2. School of

Information Science and Engineering， Jinan University， Jinan， Shandong 250022， China）

Abstract： The development of integrated circuit industry in China has brought a large demand for integrated circuit design talents. At present， there is a great shortage of Analog Integrated Circuit Design talents. How to respond to this urgent demand in the teaching process of undergraduate Analog Integrated Circuit Design courses in colleges and universities， better realize the integration of industry and education， and train excellent design talents who can meet the needs of industry and solve complex engineering problems is the core problem to be solved urgently in practical teaching. Relying on the case teaching courses offered by our college， through the combination of project based learning and class competition， this paper has carried out and completed the teaching reform and practice for many semesters， and formed a case teaching method of analog integrated circuit design based on domestic EDA tools. The teaching data obtained show that the use of case teaching method can improve students’ sense of achievement and satisfaction. However， for different levels of students， the effect is different. Finally， this paper puts forward some suggestions to further improve the case teaching.

Key words： case teaching; Analog Integrated Circuit Design; EDA; Empyrean Aether