驗證模擬電子技術是一門所有電類工科專業必修的專業基礎課［1］，學生通過該課程的學習可以掌握半導體物理器件、單級和多級放大電路、集成運算器、穩壓電源等知識，為后續微機原理應用、單片機技術、高頻電子技術等專業課程學習做好知識鋪墊［2］。然而，傳統的模擬電子技術教學以課本理論公式講授推導為主，以采用模擬實驗箱或實驗臺的驗證性實驗為輔，具有物理概念抽象、分析方法復雜、動手設計困難等特點［3］。因此，學生普遍反映該課程學習起來困難，考試通過率不高，學習興趣不足。隨著我國國民經濟的不斷發展，集成電路行業已經被視為與鋼鐵和石油工業同等重要的、具有戰略意義的國家命脈行業，其技術水平和產業規模已經成為衡量一個國家經濟發展、技術進步、工業先進、國防實力的重要標志［4］。特別是在“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”的新時代工科建設背景下［5］，如何培養出優秀的適合集成電路行業需求的大學本科畢業生已經成為了各本科院校亟待解決的問題。為了培養學生的集成電路設計能力，提高學生對于電子科學與技術專業的認同度和興趣感，本文探究了一種面向集成電路設計的模擬電子技術教學改革方法，使用Cadence和HSPICE仿真軟件對模擬電子技術課本中的典型電路進行仿真分析，進而驗證其理論的正確性。

1傳統模擬電子技術教學

1．1傳統模擬電子技術理論教學模式。傳統的模擬電子技術理論教學采用教師課堂知識灌輸形式，即教師通過板書和PPT的方式在課堂上給學生講授推導書本中的理論公式，通過已學的知識來推導和驗證新的理論和公式［6］。例如在學習第二章“基本放大電路”時，教師是通過圖解法和微變等效電路法來推導放大電路的靜態工作點和交流電壓增壓。圖1為采用圖解法求解的單管共射電路，圖中通過虛線把晶體管和外圍電路分開，當輸入信號ΔUI為0時，在晶體管的輸入回路中既應該滿足輸入特性曲線，又應滿足外圍電路參數，因此:UBE=VBB－iBRb(1)圖2為單管共射電路的輸入特性曲線，由1式可以確定圖中的輸入回路負載線，其中斜率為-1/Rb，輸入回路負載線與輸入特向曲線的交點Q就是電路的靜態工作點。圖3為單管共射電路的輸出特性曲線，與輸入回路一樣，在輸出特性曲線中靜態工作點既應在IB=IBQ曲線上，又應滿足外圍電路特性:UCE=VCC－iCRC(2)由2式可以確定圖3中的負載線，其中負載線的斜率為-1/RC，IB=IBQ與輸出特性曲線的交點即為靜態工作點Q，其縱坐標值為ICQ，橫坐標值為UCEQ。通過圖解法可以求出單管共射電路的靜態工作點Q，采用微變等效電路法可以求解電路的H參數，計算電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻等［7］。同樣，集成運算放大電路、放大電路的頻率響應、波形的發生和信號轉換等章節都是采用傳統的公式推導法來向學生講解的。傳統的模擬電子技術理論教學雖然可以使學生掌握課本中的基本概念和定理，但是繁雜的64物理概念以及抽象的公式推導過程往往讓學生感覺到入門難、理解難、掌握難，僅僅依靠課堂理論灌輸的教學模式就成為了一種“空對空”的教學模式［8］。1．2傳統模擬電子技術實驗教學模式。傳統模擬電子技術實驗教學主要采用模擬實驗箱或模擬實驗臺模式，即學生通過導線插針在現有的實驗箱或實驗臺上連接各種電子元器件或模塊來搭建模擬電路的方式［9］。傳統模擬電子技術實驗教學模式雖然可以通過現有的模擬實驗箱或實驗臺驗證課本理論，較為靈活的設計簡單模擬電路。但是，傳統的模擬電子技術實驗教學模式存在諸多缺點:(1)傳統的模擬實驗箱或實驗臺一般采用導線插針方式，在實驗過程中容易發生插針折斷堵塞插孔情況，影響設備德正常使用。(2)隨著機箱設備的老化，設備內部經常出現導線或底座虛斷、接觸不良等情況，造成實驗結果的失真。(3)由于傳統實驗箱或實驗臺采用模塊集成方式，一般只包含了課內驗證實驗模塊，難以激發學生的發散思維和創新能力。

2面向集成電路設計的模擬電子技術教學

2．1面向集成電路設計的模擬電子技術理論教學模式。面向集成電路設計的模擬電子技術在理論教學上采用“工程向導法”的教學思路，首先由教師結合生活實例提出一個具體的工程問題，讓學生知道所學知識可以使用到日常生活中去，進而激發學生的學習熱情。然后教師采用傳統的教學方式，通過課堂講授向學生傳輸工程項目所需的理論知識和定理，與傳統理論課堂教學模式相比，面向集成電路設計的課堂理論教學在知識點講授上按照“知識鏈”模式，即教師在教學內容安排上不再按照傳統知識章節的順序，而是以工程項目為導向，把做工程項目所需的知識點串在一起講解。以設計“集成運算放大器”為例，集成運算放大器一般包括:偏置電流產生電路、差分輸入放大電路、中間放大電路、功率放大電路四部分模塊電路組成［10］。因此教師在課程內容安排上首先講解偏置電流產生電路和電流復制電路，可以通過電流鏡和微電流源的工作原理來講解。然后講解差分輸入放大電路，通過差分輸入放大電路的電路結構以及如何提高電路的共模抑制比為出發點進行講解。接著講解單級放大電路和多級放大電路的電壓放大原理，最后講解功率放大電路，主要向學生講解功率放大電路如何提高電路的帶負載能力。這樣學生具備了基礎知識之后就可以動手設計運算放大電路。在向學生講解設計工程項目所需的基礎知識之后，教師再引導學生學習設計模擬集成電路所用到的EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件，這里以在模擬集成電路設計行業被廣泛使用的EDA軟件Cadence和HSPICE為例。由于Cadence是在Linux操作環境下運行的，因此教師首先給學生講授簡單的Linux操作環境和基礎指令，使學生能夠初步掌握Cadence的運行方法，接著教師引導學生在Cadence中進行工程項目的原理圖設計，最后使用Cadence把所設計的電路網表文件導入到HSPICE軟件中進行參數仿真。使用HSPICE可以對所設計電路進行直流分析、交流分析、瞬態分析以及蒙特卡羅最壞情況分析等。2．2面向集成電路設計的模擬電子技術實驗教學模式。面向集成電路設計的模擬電子技術實驗教學采用“教師引導，學生開放設計”的教學模式。教師以“大作業”形式每學期給學生布置5～6道實驗課題，制定好項目參數。學生課下搜集項目資料，自主設計電路架構并且進行仿真驗證，最后提交項目結項報告。通過學生設計的電路參數是否達標以及結項報告的內容完整性給成合理的評判成績。圖5為指導學生設計的基于CMOS工藝庫的運算放大器原理圖，共分為三級:偏置電流產生電路、輸入級差分放大電路、中間級放大電路。學生把原理圖輸入到Cadence中可以生成電路參數網表，再使用HSPICE仿真軟件進行參數調試。最終可以仿真電路的開環增益、輸入共模抑制比、電源抑制比等參數。

3結語

為響應國家科技強國戰略需求，突破核心關鍵技術，構筑先發優勢，在未來全球創新系統中占據戰略制高點，迫切需要培養大批新興工程科技人才[1]。而集成電路產業作為信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業[2-3]，在中國制造大投入、大發展、大跨越的趨勢下，集成電路的戰略重要性日益突顯。然而，我國的集成電路產業仍然未能實現真正意義上的突破，集成電路人才培養存在質和量上的不足。高等院校作為高端人才培養的主場地，如何緊密圍繞我國集成電路產業快速發展對高水平人才的迫切需求，遵循集成電路發展規律[4-6]，培養出具有理論和工程實踐相結合的綜合創新型人才，這對集成電路專業實踐教學體系提出了新的要求。在此大背景下，集成電路中心堅持“人才培養是根本、提升能力為關鍵、凝聚資源夯基礎、科學研究促發展”的實驗教學體系建設思路，提出以培養學生的工程實踐能力和科研創新能力為核心目標的“四位一體”實驗教學體系，實踐教學覆蓋現代集成電路產業鏈的主要技術與技能環節[7]，內容層次遞進，為微電子與集成電路相關專業的綜合創新型人才實踐教學培養提供新方案。

一、“四位一體”實驗體系構建

在新工科的大背景下，實驗中心提出以“教學與科研、工程相融合”的培養理念，形成了以培養學生的動手實踐能力和創新能力為核心目標的“四位一體”實驗教學體系，如圖1所示。該體系覆蓋現代集成電路產業鏈的主要技術與技能環節，由“通識實驗”、“專業實驗”、“科研創新實驗”與“綜合交叉融合實驗”四大模塊構成，兼顧物理、器件、電路、設計、工藝等集成電路學科核心內容，適應于培養集成電路人才運用理論分析問題、解決問題等能力，具有覆蓋面廣、實用性強和創新性等鮮明特色[8-11]。該實驗教學體系在知識結構上從通識課程一直延伸到專業課程，在實驗與實踐環節上從校內實驗室延伸到校外實踐基地。實驗內容層次遞進，通過實驗教學最終實現工程實踐與系統實驗相融合、科學研究與實驗相融合、虛擬實驗與實踐實驗相融合以及理論課程與實驗相融合。（一）通識實驗模塊。通識實驗主要面向本科一年級與二年級的學生開設。對于實踐性較強的微電子與集成電路專業而言，能夠熟練的掌握計算機程序語言以及扎實的物理與電子基礎理論知識，可以為后續的專業課程學習奠定基礎。因此，在通識實驗模塊，將程序類實驗、物理類實驗、電子線路類、信號與系統類實驗作為核心內容，四大類實驗之間的層次遞進關系以及開設的學期如圖2所示。通識實驗課程設置堅持由易到難的原則，從計算機程序設計語言類實驗入門，進而開設大學基礎物理實驗；在掌握一定的基礎知識后，為進一步培養學生的知識綜合能力，在第三學期開設難度稍高的綜合物理實驗。隨著知識點的積累、理解能力以及動手能力的提升，逐漸開設與專業基礎相關的電子線路類、電路信號與系統類、半導體物理類實驗。實驗內容由淺及深，層次遞進，進而達到培養學生的實驗能力以及實驗興趣的目的。通識實驗模塊的實驗教學活動，著重在于培養學生的實驗興趣，規范化的實驗操作習慣，熟練掌握常規儀器設備（示波器、電流源、信號源、函數發生器、頻譜分析儀等）的操作方法，以及處理實驗數據和撰寫實驗報告的能力。實驗的考核方式以及所占的比重為：實驗預習（40%）+實驗過程（40%）+報告為主（20%）。在課程設置時間上，實驗課程一般滯后于理論課程四個星期左右，目的是使得學生在充分理解理論知識點，即實驗原理的前提下，帶著思考問題進入實驗室，有目的、有計劃地進行實驗，充分實現理論課程與實驗教學相融合。（二）專業實驗模塊。基于通識實驗模塊，學生已經具備了一定的實驗能力且積累了一定的與專業相關的基礎知識，具備了專業實驗的能力。為了進一步優化實驗教學體系，新的實驗體系對專業實驗的內容進行合理優化，保留傳統優勢、經典的實驗項目，摒棄與優化落后的實驗項目，在此基礎上，根據科學研究的最前沿，加大科學創新實驗以及綜合性實驗在總實驗項目中的比重，使專業實驗體系結構更為合理，并構建了半導體器件實驗、工藝實驗、物理實驗、虛擬仿真實為主的六大實驗平臺，如圖3所示。每個實驗平臺下包含若干與專業主干理論課程緊密相關的專業實驗，這些專業實驗的內容涵蓋面廣，由驗證型實驗→綜合設計型實驗→創新型實驗，實驗內容層次遞進，相互關聯，構成專業實驗的核心內容。1.集成電路實踐操作教學實驗。集成電路實驗教學示范中心主要承擔學生的實踐操作教學實驗，主要包含半導體器件物理實驗、半導體工藝檢測實驗以及半導體物理實驗三大平臺，包含30個實驗項目，涵蓋半導體材料、器件、電路的物理、電學特性測試與分析等方面的內容。實驗內容繼續秉承由淺及深的原則，由簡單的驗證性實驗逐漸過渡到創新型與綜合性試驗。目前為止，創新型與綜合設計型實驗已經占據總實驗項目的62%。此外，學院成立了我國西部地區唯一具備集成電路生產實習條件且應用于實驗教學的超凈工藝實驗室，學生親自動手實踐完成器件設計、工藝操作和樣品的測試一系列環節，加深對集成電路制造主要流程與技術的理解。專業實驗的考核方式兼顧實驗過程與實驗結果。對于創新型與綜合性實驗項目，側重于考核實驗過程，新增實驗小組答辯環節，考核范圍覆蓋實驗方案設計、實際動手操作能力、測試結果、實驗報告以及答辯表現等環節。專業實驗與集成電路學科覆蓋的物理、器件、電路、系統等專門知識一致，同時與集成電路材料、設計、制造、封裝、測試的產業需求相符，在培養學生扎實基礎的同時提高了學生的工程實踐能力以及綜合創新能力。2.集成電路設計與制造虛擬仿真教學實驗。虛擬實驗與實踐操作實驗相結合是未來實驗發展必然趨勢。優化后的實驗平臺中增加了“工藝”、“器件”、“集成電路設計”虛擬仿真三大實驗平臺，各個模塊既有自身的側重，又相互聯系支撐，共同通過虛擬和仿真技術、多媒體、網絡通信等技術手段，強化理論教學的效果。虛擬仿真實驗平臺涵蓋集成電路產業鏈的主要環節，兼顧工藝、器件、電路等多方面的培養要求，具有綜合性、實用性和創新型的鮮明特點。以《氮化鎵發光二極管工藝制造與光電特性虛擬仿真實驗》為例，該實驗取材于西安電子科技大學國家級科研成果，主要實驗內容為器件虛擬工藝制造、光電特性仿真。AlGaN單量子阱GaNLED器件實驗項目中的氮化鎵發光二極管可以采用AlGaN、InGaN等作為單量子阱材料，學生可以根據需要的光波波長選擇相應的量子阱材料，并可以根據需求改變器件的結構和材料參數，進而分析器件的光電特性。在虛擬環境中完成器件的設計，學生能夠更直觀地學習半導體集成器件的微觀結構以及工作原理，并剖析影響器件性能的主要因素，引導學生逐步探索物理現象的本質，巧妙地解決了由抽象到具體，理論到實踐的環節，彌補了工程實踐中的某些薄弱環節。此外，利用虛擬仿真平臺實現此實驗，可以克服真實實驗耗時長、成本高、環境要求苛刻、危險性大等弊端，使學生能夠增強對所學理論課程的理解和掌握[12]，增強學生的理解能力與邏輯思維能力，提升人才培養質量。3.科研創新模塊實驗。通過專業實驗模塊的訓練，學生已經具備了獨立實驗的能力以及基本的綜合創新能力。為了進一步提高學生的科研創新思維，同時為學有余力以及科研思維活躍的學生提供更高展示能力的平臺，學院在本科實驗中增加科研創新實驗模塊[13]。高校的實驗室擁有先進的實驗設備，科研能力較強的師資隊伍，科研創新實驗模塊充分利用實驗室優勢資源以及教師的科研創新能力，實現科研反哺實驗教學。學院主要通過各類科研訓練計劃、課程設計、畢業設計等環節，在教師的指導下，提高學生的科研創新實踐能力，實現科研創新與實驗教學相融合。以本科生的科研訓練資助計劃（URTP）為例，URTP是在國家級和省級大學生創新訓練計劃的基礎上，采用項目化的運作方式，通過設立創新基金和本科生資助申報的方式確定立項并給予資金支持，形成了全方位的本科生科研訓練資助計劃體系，鼓勵學生在導師的指導下獨立完成項目研究。該項科研訓練項目鼓勵本科生、申請專利，全面提升本科生的科研創新能力。面向本科生的科研訓練計劃核心是支持本科生開展科研訓練，學生參與URTP的過程本質上是在進行研究性的學習，注重學生參與研究的學習過程，并鼓勵本科生產生一定的科研成果。該計劃為學有余力的學生提供直接參與科學研究的機會，引導學生進入科學前沿，了解學科發展動態。學生通過發現問題，激發創新思維，積極主動地探索知識的新領域，從而體驗一種全新的研究性學習的樂趣。特別是參與科研訓練計劃的學生可以無條件進入開放實驗室，在導師的指導下自主完成項目，實現科學研究與實驗教學相結合。4.綜合交叉融合模塊實驗。學科之間的綜合交叉融合可以拓寬學生的思維及視野，激發學生的創新意識和動力，而且對當今高水平大學的學科協同發展和創新人才培養機制的完善具有重要的意義[14-15]。實驗中心根據半導體與集成電路產業需求，優化實踐教學體系，增加綜合交叉融合實驗模塊，著重培養具有國際競爭力的多層次、復合型、創新型集成電路領域人才。綜合交叉融合實驗模塊主要以兩種載體實現學科之間的融合。其一，以各類學科競賽為載體。積極組織學生參加大學生創新試驗計劃項目和各類學科競賽、豐富學生課外創新活動，培養學生創新實踐能力。以傳統競賽項目全國大學生電子設計競賽為例，它重在于考核學生的動手創新實踐能力以及綜合運用知識的能力，競賽命題范圍廣，涉及到數模集成電路設計、單片機、電源、物聯網、大數據、云計算以及人工智能等方面的知識點。這勢必要求帶隊教練根據自身專業所長對參賽學生進行專門的單項實踐訓練，學生在掌握基本原理的基礎上，根據具體題目將不同學科知識綜合交叉運用解決實際問題。其二，以學生畢業設計或者科研訓練項目為載體，開展學科之間的交叉融合項目。以本科學生畢業設計項目“硅基二極管可重構偶極子天線關鍵技術研究”為例，此項目屬于半導體與微波通訊的交叉結合課題，研究此課題必須掌握半導體器件物理、固體物理、半導體工藝制造等方面的數理基礎知識，此外，必須熟悉微波通訊中等離子體與微波的相互關系以及天線的工作原理?；诎雽w硅基二極管構成的偶極子天線具有傳統金屬天線無可比擬的優點，即體積小，且天線在沒有激發的狀態下，雷達散射截面可以忽略不計，具有隱身的性能；不改變物理結構的同時實現可重構；輻射方向范圍寬等優點。這種交叉融合的新型天線為雷達與通訊系統性能的提升提供了一條有效的技術路徑。優化后的實驗體系中通過增加綜合交叉融合實驗模塊的比重，實現工程實踐與實驗教學的相融合，不僅顯著提高學生的創新實踐動手能力以及綜合運用知識解決實際工程問題的能力，而且產出了一系列具有影響的交叉創新成果，學科綜合優勢進一步提高，學科整體水平和創新活力顯著提升。

二、實驗教學體系成效

通過優化實驗內容，增加虛擬仿真實驗平臺以及增加科研創新實驗模塊與綜合交叉融合實驗模塊的比重，不斷深化實踐教學改革和完善實踐教學體系，從而切實提高了大學生的工程實踐動手能力。截至目前，國家級集成電路設計與制造虛擬仿真實驗教學中心擁有Silvaco、Synopsys、Cadence、Mentor等公司授權和自主研發的軟件多套，擁有23臺高性能計算服務器和300多臺PC機，可實現年150000人/時虛擬教學實驗任務。學院在3大模塊9個虛擬仿真實驗平臺基礎上，開設了52個虛擬仿真實驗項目，所有虛擬仿真實驗項目均對本科生開放，充分發揮學生學習的能動性。而且，學院已經與國內多家知名企業建立了戰略合作伙伴關系，累計共派出200余人前往合作企業（院所），例如英飛凌、意法半導體、應用材料、德州儀器等國際知名微電子企業進行實習。企業為前來實習的學生提供與專業相關的實習崗位，并指派實習導師，與校內導師共同協助指導學生的畢業設計項目。同時，企業還在校內設立專項獎學金并贈送先進的儀器設備與軟件，并提供培訓課程，使得學生可以了解目前業界最先進的數字集成電路設計理念、方法、工具以及實例，對專業知識有更直觀更深入的認識。在學生科技創新與創業方面，優化后的“四位一體”實驗教學體系實施后，學生的實踐創新與創業能力得到極大的提升。以國家、省部級各類學科競賽為平臺，對大學生進行課外創新、實踐能力培養。學生科技成果豐碩、學科競賽喜獲佳績，圖4為新舊實驗體系（2013年與2017年）學生科技創新與創業成果比較分析。此外，在新的實驗體系實施后，學生獲獎的級別也在逐年上升。以2018年為例，獲得國家級別獎項有：獲得2018年美國數學建模競賽國際一等獎13人，國際二等獎10人；獲得2018年中國大學生計算機設計大賽全國二等獎5人，第四屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽全國金獎2人，全國大學生嵌入式系統專題邀請賽國家一等獎1人，全國大學生瑞薩杯信息科技前沿專題邀請賽國家三等獎1人。創業方面，實驗中心成功培育孵化學生創業項目8項，目前實現PreA輪融資企業2項，天使投資項目2項，企業估值約2.5億元。數據表明，“四位一體”實驗體系實施后能夠給學生提供更多的工程實踐機會，學生的科技創新獲獎不僅種類與數量呈現逐年遞增的趨勢，而且獲獎質量得到進一步提升。

三、結束語

1確立研究型實踐教學模式的必要性

集成電路設計實踐主要是提供學生一個實踐平臺，采用先進的集成電路仿真軟件，將書本上的知識采用模擬的方法進行加深理解。實踐內容既是電路、模擬電子技術、數字電子技術以及課程設計中所學知識的應用，又是與最前沿科技緊密聯系的。而傳統的教學內容和教學模式，缺乏對學生創造力的培養，也缺乏與前沿科技的聯系，因此需要進行教學改革的探討和實踐。隨著教育改革的不斷深入，傳統的實踐教學中“以教師為中心”、“以灌輸為主要方式”的教學模式已無法適應時代的要求。先進的教學模式是人才培養的關鍵措施。研究型教學模式，又稱為研討式教學模式，是指教師以課程內容和學生的知識積累為基礎，引導學生創造性地運用知識、自主地發現問題、研究問題和解決問題，以學生為中心，以知識掌握為基礎，以能力培養為主線，以提高素質為目的的一種新模式。集成電路設計實踐同樣需要采用先進的教學方式，提高學生的創新能力，培養研究型IC設計人才。

2研究型實踐教學模式的作用分析

集成電路設計實踐引入研究型實踐教學模式，可以使相關領域的學生真正實現學有所用，不僅學習了集成電路設計的軟件知識，同時可以將課堂的理論知識通過工藝模型、電路設計、仿真方法來復現，從而更深入的理解理論知識，而且可以通過一些電路實例來解釋生活中的一些現象，激發學習的興趣。集成電路設計是實踐性很強的一個方向，要求將工藝、器件、電路、版圖四個方面的理論課程融會貫通，而傳統的實踐教學旨在加強學生對軟件的認識，忽略對理論內容的加深與貫通。通過研究型實踐教學模式的開展，可以在保證教學大綱不變的前提下，通過選擇適用性較強的實踐內容，使學生一方面能夠將各門理論課的知識加深及貫通，另一方面可以使學生接觸到用人單位感興趣的課題內容，有利于學生加強實踐的動力和持續進步。通過研究型實踐，對學校而言，可以培養更優秀學生；對學生而言，可以掌握前沿知識、促進就業。研究型實踐成果的實現為學生的晉升、發展提供支持。學生的實踐研究成果如能公開發表或獲獎，能解決實際工作中的問題，這無形中為學生在工作崗位上的晉升、發展增加籌碼。這在最大程度上激發學生的實踐興趣，是其他任何實踐模式都不可比擬的。同時，研究型實踐教學鼓勵學生多看文獻、多寫總結報告，這也為學生撰寫本科畢業論文打下良好的基礎。

3研究型實踐教學模式的具體實施

3．1課程結構優化

摘要：集成電路設計是一項理論基礎要求高、綜合性和系統性強、涉及面較廣的任務，離不開計算機軟件的輔助。開設《集成電路CAD》課程，有利于提高學生的實踐能力、加深對專業課程的理解，是系統培養集成電路人才的有效手段之一。針對課程內容抽象的特點，在課堂教學時需通過融入行業前沿信息、設計案例，合理設置隨堂練習題、討論題以及課后習題等一系列內容，豐富教學內容、創造直觀生動的課堂氛圍，充分調動學生的學習積極性。針對實踐性強的特點，通過分組進行課題設計、逐一開展設計報告、加重實踐環節的考核比重等方法，可以培養學生的設計思維、提高學生的設計能力。

關鍵詞：集成電路；計算機輔助設計；教學方法；實踐訓練

一、引言

隨著集成電路技術的不斷發展，信息的存儲和處理能力得到了爆炸式提升，使得信息技術（IT，Infor-mationTechnology）時代已升級到數據技術（DT，DateTechnology）時代。進入21世紀的第二個十年，信息技術已深入人們生產、生活中的方方面面，其在國民經濟中的支柱作用愈發凸顯。作為信息產業基礎和關鍵的集成電路產業，在這個階段也迎來了快速發展。從芯片特征尺寸的角度來看，從2010年的65nm發展到了2018年的7nm；從芯片功能和性能的角度來看，越來越多的電路模塊被集成到芯片中，片上系統（SoC，SystemonChip）越來越智能，自2017年起，蘋果公司和華為公司的SoC都集成有神經處理單元（NPU，NeuralProcessingUnit）；從市場分布的角度來看，亞太地區（尤其是中國）是全球規模最大的集成電路市場，市場需求將繼續保持快速增長[1]，但市場份額主要被美、歐、日、韓等國家或地區的少數跨國公司所占有。芯片是一個國家綜合國力的象征，沒有芯片就沒有電子世界，更沒有21世紀的制造設計大國[2]。我國雖然擁有龐大的集成電路市場，但尖端核心技術均掌握在少數發達國家手上，隨時有被“卡脖子”的風險，2018年初的“中興事件”就是一個典型的例子。產業的振興首先要從培養人才開始，集成電路設計是知識密集型行業，需要培養專門的設計人才。集成電路的CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計）技術幾乎是伴隨著集成電路產品的產生而出現的，雖然數字集成電路的設計方法已從CAD演進到EDA（ElectronicDesignAutomation，電子設計自動化），但是模擬和數?；旌霞呻娐返脑O計目前還是采用CAD技術。在高等教育院校的相關專業中開設“集成電路CAD”課程，加強設計思維培養和設計實例訓練，是系統培養集成電路人才的有效手段之一，有利于提高學生的實踐能力、加深對專業課程的理解。

二、教學內容安排

《集成電路CAD》是“電子科學與技術”專業高年級本科生的關鍵專業課程之一，主要覆蓋模擬及數模混合集成電路領域。在學習該門課程之前學生需具備《模擬電子技術》《數字電子技術》《半導體器件物理》《微電子工藝》《集成電路分析與設計》等專業課程基礎。本課程的教學內容有兩個部分：一是課堂教學，共16學時。其中概論部分2學時，主要講述集成電路的概念、發展歷史及現狀、集成電路的計算機輔助設計技術發展歷史及現狀、集成電路的設計方法及設計流程、集成電路CAD的主要內容等；用2個學時溫習集成電路制造技術；專用集成電路的CAD設計方法及設計實例講解共安排4個學時；CAD電路分析基礎、電路元/器件模型各占2個學時；集成電路的版圖設計、版圖驗證及后仿真各占2個學時。二是課程設計報告，共16學時。在開學第一課上做出安排，由班長或學習委員組織學生分組，5—7人一組，指定一名組長。每個小組從集成運算放大器、電壓基準源、集成電壓比較器、振蕩器、低壓差線性穩壓器、開關電容電路、全定制邏輯電路（50門以上）以及其他方面選擇一個設計課題，從開學第一周開始利用課余時間查閱資料，開展電路設計和仿真、版圖設計和驗證工作。同一小組中的同學在選定應用領域和設定電路指標參數時要體現出差異。從9—16周，各個小組陸續開展課程設計報告，每次課（2個學時）匯報一個課題。首先由組長介紹所選課題的基本情況，每一位同學補充介紹自己的設計和組內其他同學的差異，采用“PPT展示+CAD軟件操作”的組合匯報模式。

摘要:以黑龍江大學為例，對基于翻轉課堂的數字集成電路設計實驗教學方法進行研究。目前，實驗教學方法有待改進，實驗課程內容相對簡單，實驗課程考核機制單一，應通過課堂翻轉，提升學生學習質量，對實驗課程內容和模式進行改革，完善考核機制，注重學生創新能力培養，以增強學生的學習效果，深層次理解所學知識，提高實踐能力。

關鍵詞:翻轉課堂;數字集成電路設計;實驗教學方法

翻轉課堂作為一種新型教學模式，它的核心理念是學生在進行某一課程學習時，將課堂時間與課下時間翻轉，進而提高課堂時間利用率。這種教學模式翻轉了傳統的教學理念、教學流程及教學參與者的角色，可以在很大程度上提高課堂時間利用率，同時培養學生討論、分析和解決問題的能力［1］。隨著集成電路產業的迅速發展，傳統實驗教學方式無法完全適應當前集成電路人才培養的要求。擬從黑龍江大學數字集成電路設計實驗課程為切入點，研究基于翻轉課堂的實驗教學方法，以培養具有扎實專業知識、專業技能、創新精神的人才為目標，致力于為黑龍江大學在滿足社會需求的高校人才培養方案的制定與實施歷程中探索行之有效的方法。

1數字集成電路設計實驗課程教學現狀

數字集成電路設計課程為黑龍江大學集成電路專業學生本科階段的必修課。傳統的數字集成電路設計實驗教學課程可使學生加深對所學理論知識的理解，熟練軟件使用過程，增強動手操作能力，但還存在如下三方面問題:A.實驗教學方法有待改進。在傳統的數字集成電路設計實驗教學中，上課前，學生基本不了解實驗儀器和軟件，也不清楚實驗課的內容。課程開始后，教師需要把相應理論知識、儀器操作和軟件使用等內容一一講授清楚，在有限學時內，更多的講授時間就壓縮了學生動手實驗和探索更深入問題的時間，不利于學生實踐能力的培養。B.實驗課程內容相對簡單。目前，黑龍江大學數字集成電路設計實驗課程的內容較為基礎，基本單元電路的設計仿真占比較大，開放性實驗項目不多。實驗內容主要涉及比較器、編碼器和加法器等基礎門電85路的仿真，學生使用ModelSim軟件通過Verilog語言編寫相應電路的網表，然后編寫對應testbench文件并進行仿真驗證所寫電路網表功能的正確性。這類基礎實驗有利于學生熟練掌握編程語言和軟件使用，并加深對基本單元電路的理解，但內容相對簡單，對于學生設計綜合能力的進一步培養還有所欠缺。C.實驗課程考核機制單一。傳統數字集成電路設計實驗課程的考核成績只做為其理論課程總成績的一小部分。黑龍江大學的數字集成電路設計實驗課程的考核形式一般為學生每次實驗課程中是否完成了幾項規定的實驗內容，所有實驗內容完成后所得成績的疊加即為該門實驗課程的總成績。由于實驗內容具有固定性和同一性，成績較好的學生快速完成實驗內容后難于進一步進行探索研究，這種簡單的考核方式無法很好反映出學生掌握實驗技能的梯度，也不利于學生發揮創新型思維進行設計實驗，阻礙了學生的實踐能力發展。

2基于翻轉課堂教學模式的改革探索

一、企業對IC版圖設計的要求分析

集成電路設計公司在招聘版圖設計員工時，除了對員工的個人素質和英語的應用能力等要求之外，大部分是考查專業應用的能力。一般都會對新員工做以下要求：熟悉半導體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝；熟悉集成電路（數字、模擬）設計，了解電路原理，設計關鍵點；熟悉Foundry廠提供的工藝參數、設計規則；掌握主流版圖設計和版圖驗證相關EDA工具；完成手工版圖設計和工藝驗證[1，2]。另外，公司希望合格的版圖設計人員除了懂得IC設計、版圖設計方面的專業知識，還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關知識[3]。正因為其需要掌握的知識面廣，而國內學校開設這方面專業比較晚，IC版圖設計工程師的人才缺口更為巨大，所以擁有一定工作經驗的設計工程師，就成為各設計公司和獵頭公司爭相角逐的人才[4，5]。

二、針對企業要求的版圖設計教學規劃

1.數字版圖設計。數字集成電路版圖設計是由自動布局布線工具結合版圖驗證工具實現的。自動布局布線工具加載準備好的由verilog程序經過DC綜合后的網表文件與Foundry提供的數字邏輯標準單元版圖庫文件和I/O的庫文件，它包括物理庫、時序庫、時序約束文件。在數字版圖設計時，一是熟練使用自動布局布線工具如Encounter、Astro等，鑒于很少有學校開設這門課程，可以推薦學生自學或是參加專業培訓。二是數字邏輯標準單元版圖庫的設計，可以由Foundry廠提供，也可由公司自定制標準單元版圖庫，因此對于初學者而言設計好標準單元版圖使其符合行業規范至關重要。2.模擬版圖設計。在模擬集成電路設計中，無論是CMOS還是雙極型電路，主要目標并不是芯片的尺寸，而是優化電路的性能，匹配精度、速度和各種功能方面的問題。作為版圖設計者，更關心的是電路的性能，了解電壓和電流以及它們之間的相互關系，應當知道為什么差分對需要匹配，應當知道有關信號流、降低寄生參數、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎上去優化尺寸的，面積在某種程度上說仍然是一個問題，但不再是壓倒一切的問題。在模擬電路版圖設計中，性能比尺寸更重要。另外，模擬集成電路版圖設計師作為前端電路設計師的助手，經常需要與前端工程師交流，看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導線是否有大電流流過等，這就要求版圖設計師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。3.逆向版圖設計。集成電路逆向設計其實就是芯片反向設計。它是通過對芯片內部電路的提取與分析、整理，實現對芯片技術原理、設計思路、工藝制造、結構機制等方面的深入洞悉。因此，對工藝了解的要求更高。反向設計流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗證、電路調整、版圖提取整理、版圖繪制驗證及后仿真等。設計公司對反向版圖設計的要求較高，版圖設計工作還涵蓋了電路提取與整理，這就要求版圖設計師不僅要深入了解工藝流程；而且還要熟悉模擬電路和數字標準單元電路工作原理。

三、教學實現

1.數字版圖。數字集成電路版圖在教學時，一是掌握自動布局布線工具的使用，還需要對UNIX或LINUX系統熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是數字邏輯單元版圖的設計，目前數字集成電路設計大都采用CMOS工藝，因此，必須深入學習CMOS工藝流程。在教學時，可以做個形象的PPT，空間立體感要強，使學生更容易理解CMOS工藝的層次、空間感。邏輯單元版圖具體教學方法應當采用上機操作并配備投影儀，教師一邊講解電路和繪制版圖，一邊講解軟件的操作、設計規則、畫版圖步驟、注意事項，學生跟著一步一步緊隨教師演示學習如何畫版圖，同時教師可適當調整教學速度，適時停下來檢查學生的學習情況，若有錯加以糾正。這樣，教師一個單元版圖講解完畢，學生亦完成一個單元版圖。亦步亦趨、步步跟隨，學生的注意力更容易集中，掌握速度更快。課堂講解完成后，安排學生實驗以鞏固所學。邏輯單元版圖教學內容安排應當采用目前常用的單元，并具有代表性、擴展性，使學生可以舉一反三，擴展到整個單元庫。具體單元內容安排如反相器、與非門/或非門、選擇器、異或門/同或門、D觸發器與SRAM等。在教授時一定要注意符合行業規范，比如單元的高度、寬度的確定要符合自動布局布線的要求；單元版圖一定要最小化，如異或門與觸發器等常使用傳輸門實現，繪制版圖時注意晶體管源漏區的合并；大尺寸晶體管的串并聯安排合理等。2.模擬版圖。模擬集成電路版圖設計更注重電路的性能實現，經常需要與前端電路設計工程師交流。因此，版圖教學時教師須要求學生掌握模擬集成電路的基本原理，學生能識CMOS模擬電路，與前端電路工程師交流無障礙。同時也要求學生掌握工藝對模擬版圖的影響，熟練運用模擬版圖的晶體管匹配、保護環、Dummy晶體管等關鍵技術。在教學方法上，依然采用數字集成電路版圖的教學過程，實現教與學的同步。在內容安排上，一是以運算放大器為例，深入講解差分對管、電流鏡、電容的匹配機理，版圖匹配時結構采用一維還是二維，具體是如何布局的，以及保護環與dummy管版圖繪制技術。二是以帶隙基準電壓源為例，深入講解N阱CMOS工藝下雙極晶體管PNP與電阻匹配的版圖繪制技術。在教學時需注意晶體管與電阻并聯拆分的合理性、電阻與電容的類型與計算方法以及布線的規范性。3.逆向版圖設計。逆向集成電路版圖設計需要學生掌握數字標準單元的命名規范、所有標準單元電路結構、常用模擬電路的結構以及芯片的工藝，要求學生熟悉模擬和數字集成單元電路。這樣才可以在逆向提取電路與版圖時，做到準確無誤。教學方法同樣還是采用數字集成電路版圖教學流程，達到學以致用。教學內容當以一個既含數字電路又含模擬電路的芯片為例。為了提取數字單元電路，需講解foundry提供的標準單元庫里的單元電路與命名規范。在提取單元電路教學時，說明數字電路需要歸并同類圖形，例如與非門、或非門、觸發器等，同樣的圖形不要分析多次。強調學生注意電路的共性、版圖布局與布線的規律性，做到熟能生巧。模擬電路的提取與版圖繪制教學要求學生掌握模擬集成電路常用電路結構與工作原理，因為逆向設計軟件提出的元器件符號應該按照易于理解的電路整理，使其他人員也能看出你提取電路的功能，做到準確通用規范性。集成電路版圖設計教學應面向企業，按照企業對設計工程師的要求來安排教學，做到教學與實踐的緊密結合。從教學開始就向學生灌輸IC行業知識，定位準確，學生明確自己應該掌握哪些相關知識。本文從集成電路數字版圖、模擬版圖和逆向設計版圖這三個方面就如何開展教學可以滿足企業對版圖工程師的要求展開探討，安排教學有針對性。在教學方法與內容上做了分析探討，力求讓學生在畢業后可以順利進入IC行業做出努力。

摘要:以“立德樹人”和“新工科”理念為指導，樹立以學生為中心，優化課程知識體系結構，將虛擬仿真、項目式教學和校企協作育人等教學模式有機融入課程體系建設，構建鏈條式的課程知識地圖和由價值觀塑造、知識傳授和能力培養組成的閉合回路，打破了傳統觀念束縛和時空限制，推進現代信息技術和產業與微電子工藝教學的深度融合，提升學生知識應用和工程實踐能力，培養專業責任感和家國情懷。

關鍵詞:課程改革;新工科;課程思政;微電子工藝技術

1傳統培養模式存在的問題

微電子工藝技術是實現半導體器件和集成電路的制備技術，主要包括襯底制備、外延生長、氧化、擴散、離子注入、薄膜淀積、光刻和刻蝕等單項工藝，以及針對不同器件和電路開發的完整工藝流程。由于涉及物理、化學和機械電子等多學科，內容繁雜，涉及面廣［3－4］?！拔㈦娮庸に嚰夹g”課程是一門注重實踐操作的綜合型課程。受傳統觀念和實驗條件的限制，傳統培養模式存在以下問題:

1．1教學內容陳舊，未來技術引領乏力

眾所周知，微電子技術的發展長期遵循摩爾定律，即工藝節點大約每隔兩年更新一代。隨著特征尺寸進入納米時代，新技術、新方法不斷涌現［5］，例如浸沒式光刻、極紫外(EUV)光源等。當前5nm工藝節點已進入量產，而微電子工藝的教材內容還處在亞微米時代，嚴重滯后于技術發展，缺乏對未來技術的引領。

第一章總則

第一條為了加快*軟件產業和集成電路產業發展，根據《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》，結合本市實際情況，制定本規定。

第二條按照其有關部門規定，經認定的軟件企業和集成電路企業，除享受《若干政策》、國家及本市支持高新技術產業發展政策外，同時執行本政策規定。

第三條本市軟件企業和集成電路企業的認定機構和認定程序，由市信息辦會同市計委、市經委、市科委、市外經貿委、市教委、市財政局、市質量技監局等部門按照國家有關規定確定。

第二章軟件產業

第四條由市政府安排5億元軟件產業發展專項資金，支持軟件產業基礎設施建設、重點軟件項目、軟件技術成果轉化和產業化,并為相關國家項目提供匹配資金。

摘要：針對目前微電子培養方案滯后于產業發展的現狀，闡述微電子學科及專業的特點，提出了專業培養方向應有所側重的應對方案，抓住芯片設計這一行業競爭關鍵因素，匹配企業對芯片人才的需求。同時，探討加強具備產業經驗的“雙師”型師資建設，并對傳統的課程設置進行梳理和根本性調整，形成方向特色，從而適應集成電路新工科的發展和產業需求。

關鍵詞：微電子學，人才培養，芯片產業

最近工信部與教育部等部門提出推進設立集成電路一級學科[1]，進一步做實做強示范性微電子學院，加快建設集成電路產教融合協同育人平臺等措施。這說明從主管部門到教育、科技和產業界，都普遍關心微電子集成電路的人才培養問題，本文就微電子學科及專業的界定、產業需求和人才培養方向提出一管之見。

1微電子學科專業的重新界定

我國微電子專業開始于1950年代，學科名稱為半導體器件與物理，這個名稱與當時半導體產業相契合。后來隨著集成電路的發展，學科名稱定為微電子學與固體電子學。之后，集成電路發展到超大規模階段，一個芯片就是一個系統，微電子學科專業的定義已經滯后于產業的發展。以芯片設計為例，產業界更需要組合型人才（系統+微電子設計），導致有些企業寧愿招聘計算機、通信、軟件等專業畢業生。但這些人員又缺乏微電子專業基礎，從事芯片設計也受專業知識不足的限制。集成電路一級學科的設立及示范性微電子學院的實施，首先要認真考慮學科和專業界定。集成電路產業鏈涉及工藝、設備、材料、封裝、設計、EDA工具、單元庫等方方面面，諸如設備和EDA工具等，與其他專業（如精密儀器、光學、機械制造和計算機等）有著更密切的聯系。因此，微電子學科方向應有所取舍，主要以微電子器件物理（含材料及相關基礎研究），集成電路工藝，集成電路設計作為二級學科。我國目前各高校的微電子專業實際上都是側重微電子器件物理性質，這一方面相對有優勢，所以可以單獨保留這個方向。另一方面，要極大地加強集成電路工藝和集成電路設計專業兩方向。此外，還要注意到集成電路工藝和芯片設計嚴格地說并不是一個專業。就像出版社和印刷廠其實是分屬兩個不同的行業和部門?，F在普遍把兩個方向混淆為一個專業，導致學生的專業學習難以深入，缺乏工藝和設計的訓練與實踐，與產業界的需求脫節。芯片行業的現狀是芯片設計公司和制造公司都是分開的，全球只有極少數幾個公司既有設計，也有制造（如Intel,Samsung），但即使這些公司，其設計和制造都有單獨的子公司運營。99%的設計公司是沒有制造的，都是委托專業的芯片制造公司進行生產。鑒于集成電路工藝和芯片設計從專業培養角度看區別極大，再考慮到高校微電子工藝實驗條件越來越跟不上產業先進的工藝（見下節），我們建議大部分微電子學科應以芯片設計為主要方向。這也是我國國民經濟發展的需要。我國近年來嚴重缺“芯”的狀況都源于設計能力的不足，芯片設計是我國微電子產業目前最需要重視的環節。因為芯片開發單位才擁有芯片的所有權，終端企業是向設計公司購買芯片而不是向加工工廠購買，加工廠只有自行開發的芯片才自行銷售。芯片設計是集成電路行業競爭的主戰場，只有具備了基本的系統設計和芯片設計能力，其他環節包括先進的工藝、設備和設計工具才起作用。長期以來，這個簡單的道理卻被忽略了。當然微電子工藝方向也重要，但由于實驗條件的限制，需采取專門的措施，集中建設少數有條件的單位，辦成與產業緊密結合、保持足夠先進性和開放性的研發中心和培訓中心。好在微電子工藝與微電子器件物理基礎教學關聯度比較大，這兩個方向可以采用相似的教學大綱，再充分利用虛擬仿真的手段，與基礎的原理性實驗部分結合，加強工藝課程的教學效果，深化對工藝原理的認識。

2實驗條件和師資建設

1發揮省實訓基地作用,提升學生核心能力

“集成電路版圖設計”、“微電子工藝及管理”、“半導體設備維護”為微電子技術專業學生培養的核心工作崗位.在省實訓基地的建設中，建立了IC版圖設計實驗室、微電子材料及器件工藝實驗室和IC封裝測試實驗室.依托省實訓基地，瞄準本專業的核心工作崗位需求，進行本專業的新技術、新工藝、新材料等實訓，使學生在校期間掌握本行業的先進技術，提升就業競爭力.在微電子工藝的教學中，改變原來學生只能通過教師解說、觀看錄像等了解相關工藝過程，沒有機會親自動手的狀況，采用理實一體化的教學模式；在IC版圖設計、IC封裝測試的教學中，進行大力教學改革，以項目或任務驅動，面向工作過程，實現融知識、技能與職業素質于一體的人才培養[4].

2校內外實訓基地相融合，推進教學改革

微電子涉及的實訓設備昂貴，學校由于本身經費的限制，只能建立非常有限的微電子實驗環境，其它的要依靠校企合作方式來解決.為發揮企業的優勢，與蘇州中科集成電路設計中心進行緊密合作.蘇州中科集成電路設計中心是中國科學院和蘇州市政府聯合創辦的大型院地合作項目，是蘇州市集成電路公共實訓基地.雙方合作的主要內容有：中科積極參與學校微電子專業人才培養方案的建設，在教材及教學內容上互相學習，相互滲透，該專業基于項目教學法的“IC版圖設計”課程就是雙方合作開發的結果，中科每年都免費接受該專業學生到中科進行為期2-3天的參觀、實習、設計體驗等活動，每年都派工程師到學校給學生進行行業發展及職業規劃的輔導，該專業每年推薦優秀的學生，由學生自愿參加中科組織的有關“集成電路版圖設計”和“集成電路測試”方面的高技能培訓，并由學校與中科共同擇優推薦學生就業.校企深度合作，校內外實訓基地相融合的培養方式，使學生參與到企業的實際工作中，按企業員工的要求進行實戰訓練，提高學生的責任感、團隊意識和實際技能，也降低了學生的就業成本.

3工學結合，提高人才培養質量

國家在“十二五”高等職業教育發展規劃中明確提出：繼續推行任務驅動、項目導向、訂單培養、工學交替等教學做一體的教學模式改革.頂崗實習是讓學生對社會和專業加深了解的有效方法和途徑.在學校的大力支持下，先后與蘇州中科集成電路設計中心、信音電子(蘇州)有限公司、秉亮科技(蘇州)有限公司、旺宏微電子(蘇州)有限公司等公司建立了緊密的合作關系，成為本專業的校外實訓基地.2009級微電子專業三個班的同學2011暑期在信音電子(蘇州)有限公司進行了為期三個月的頂崗實習，這也是學校第一次一個年級的全專業學生到企業去.這是一次難得的了解企業的機會，鍛煉了學生各方面的能力，特別是毅力和個人意志品質及團隊合作精神.學生到企業頂崗實訓，雖然很辛苦，但加深了對社會和企業的了解，掙了自己所需的學費，學生感到特別自豪，也體會到父母掙錢給自己讀書的艱辛，深刻體會到以后努力學習、提高自己謀生手段的重要性.本專業探索出既增強學生的就業競爭力，又降低企業的用人成本的人才培養模式，實現企業、學校、學生、家庭等多方共贏.