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集成电路设计专业课程体系改革与实践
集成电路设计专业课程体系改革与实践
谢海情，唐立军，唐俊龙，文勇军，彭润伍，周晓萍
（长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410004）
摘要：专业课程体系是实现人才培养目标的重要保障。为实现我校集成电路设计专业人才培养目标，根据已提出的创新型集成电路设计人才培养模式，结合我校目前人才培养现状与特征，改革优化集成电路设计专业课程体系。提出“4＋3＋2”专业课程体系，并优化集成电路设计专业课程的授课内容。
关键词：课程体系改革；教学内容优化；集成电路设计
基金项目：本文系长沙理工大学教学改革研究项目（项目编号：JG1348）的研究成果
作者简介：谢海情（1982-），男，湖南耒阳人，长沙理工大学物理与电子科学学院，讲师。
以集成电路为龙头的信息技术产业是国家战略性新兴产业中的重要基础性和先导性支柱产业。国家高度重视集成电路产业的发展，2000年，国务院颁发了《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》（18号文件），2011年1月28日，国务院发布了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》，2011年12月24日，工业和信息化部印发了《集成电路产业“十二五”发展规划》，我国集成电路产业有了突飞猛进的发展。然而，我国的集成电路设计水平还远远落后于产业发展水平。2013年，全国进口产品金额最大的类别是集成电路芯片，超过石油进口。2014年3月5日，国务院总理李克强在两会上的政府工作报告中，首次提到集成电路（芯片）产业，明确指出，要设立新兴产业创业创新平台，在新一代移动通信、集成电路、大数据、先进制造、新能源、新材料等方面赶超先进，引领未来产业发展。2014年6月，国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》，加快推进我国集成电路产业发展，10月底1200亿元的国家集成电路投资基金成立。集成电路设计人才是集成电路产业发展的重要保障。2010年，我国芯片设计人员达不到需求的10%，集成电路设计人才的培养已成为当前国内高等院校的一个迫切任务[1]。为满足市场对集成电路设计人才的需求，2001年，教育部开始批准设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[2]。
我校2002年开设电子科学与技术本科专业，期间，由于专业调整，暂停招生。2012年，电子科学与技术专业恢复本科招生，主要专业方向为集成电路设计。为提高人才培养质量，提出了集成电路设计专业创新型人才培养模式[3]。本文根据培养模式要求，从课程体系设置、课程内容优化两个方面对集成电路设计方向的专业课程体系进行改革和优化。
一、专业课程体系存在的主要问题
1.不太重视专业基础课的教学。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”是集成电路设计的专业基础课，为后续更好地学习专业方向课提供理论基础。如果基础不打扎实，将导致学生在学习专业课程时存在较大困难，更甚者将导致其学业荒废。例如，如果没有很好掌握MOS晶体管的结构、工作原理和工作特性，学生在后面学习CMOS模拟放大器和差分运放电路时将会是一头雾水，不可能学得懂。
但国内某些高校将这些课程设置为选修课，开设较少课时量，学生不能全面、深入地学习；有些院校甚至不开设这些课程[4]。比如，我校电子科学与技术专业就没有开设“晶体管原理”这门课程，而是将其内容合并到“模拟集成电路原理与设计”这门课程中去。
2.课程开设顺序不合理。专业基础课、专业方向课和宽口径专业课之间存在环环相扣的关系，前者是后者的基础，后者是前者理论知识的具体应用。并且，在各类专业课的内部也存在这样的关系。如果在前面的知识没学好的基础上，开设后面的课程，将直接导致学生学不懂，严重影响其学习积极性。例如：在某些高校的培养计划中，没有开设“半导体物理”，直接开设“晶体管原理”，造成了学生在学习“晶体管原理”课程时没有“半导体物理”课程的基础，很难进入状态，学习兴趣受到严重影响[5]。具体比如在学习MOS晶体管的工作状态时，如果没有半导体物理中的能带理论，就根本没办法掌握阀值电压的概念，以及阀值电压与哪些因素有关。
3. 课程内容理论性太强，严重打击学生积极性。“专业物理”、“固体物理”、“半导体物理”和“晶体管原理”这些专业基础课程本身理论性就很强，公式推导较多，并且要求学生具有较好的数学基础。而我们有些教师在授课时，过分强调公式推导以及电路各性能参数的推导，而不是侧重于对结构原理、工作机制和工作特性的掌握，使得学生（尤其是数学基础较差的学生）学习起来很吃力，学习的积极性受到极大打击[6]。
二、专业课程体系改革的主要措施
1“。 4+3+2”专业课程体系。形成“4+3+2”专业课程体系模式：“4”是专业基础课“专业物理”、“半导体物理”、“固体物理”和“晶体管原理”；“3”是专业方向课“集成电路原理与设计”、“集成电路工艺”和“集成电路设计CAD”；“2”是宽口径专业课“集成电路应用”、“集成电路封装与测试”，实行主讲教师负责制。依照整体优化和循序渐进的原则，根据学习每门专业课所需掌握的基础知识，环环相扣，合理设置各专业课的开课先后顺序，形成先专业基础课，再专业方向课，然后宽口径专业课程的开设模式。
我校物理与电子科学学院本科生实行信息科学大类培养模式，也就是三个本科专业大学一年级、二年级统一开设课程，主要开设高等数学、线性代数、力学、热学、电磁学和光学等课程，重在增强学生的数学、物理等基础知识，为各专业后续专业基础课、专业方向课的学习打下很好的理论基础。从大学三年级开始，分专业开设专业课程。为了均衡电子科学与技术专业学生各学期的学习负担，大学三年级第一学期开设“理论物理导论”和“固体物理与半导体物理”两门专业基础课程。其中“固体物理与半导体物理”这门课程是将固体物理知识和半导体物理知识结合在一起，课时量为64学时，由2位教师承担教学任务，其目的是既能让学生掌握后续专业方向课学习所需要的基础知识，又不过分增加学生的负担。大学三年级第二学期开设“电子器件基础”、“集成电路原理与设计”、“集成电路设计CAD”和“微电子工艺学”等专业课程。由于“电子器件基础”是其他三门课程学习的基础，为了保证学习的延续性，拟将“电子器件基础”这门课程的开设时间定为学期的1~12周，而其他3门课程的开课时间从第6周开始，从而可以保证学生在学习专业方向课时具有高的学习效率和大的学习兴趣。另外，“集成电路原理与设计”课程设置96学时，由2位教师承担教学任务。并且，先讲授“CMOS模拟集成电路原理与设计”的内容，课时量为48学时，开设时间为6~17周；再讲授“CMOS数字集成电路原理与设计”的内容，课时量为48学时，开设时间为8~19周。大学四年级第一学期开设“集成电路应用”和“集成电路封装与测试技术”等宽口径专业课程，并设置其为选修课，这样设置的目的在于：对于有意向考研的同学，可以减少学习压力，专心考研；同时，对于要找工作的同学，可以更多了解专业方面知识，为找到好工作提供有力保障。
2.优化专业课程的教学内容。由于我校物理与电子科学学院本科生采用信息科学大类培养模式，专业课程要在大学三年级才能开始开设，时间紧凑。为实现我校集成电路设计人才培养目标，培养紧跟集成电路发展前沿、具有较强实用性和创新性的集成电路设计人才，需要对集成电路设计方向专业课程的教学内容进行优化。其学习重点应该是掌握基础的电路结构、电路工作特性和电路分析基本方法等，而不是纠结于电路各性能参数的推导。
在“固体物理与半导体物理”和“晶体管原理”等专业基础课程教学中，要尽量避免冗长的公式及烦琐的推导，侧重于对基本原理及特性的物理意义的学习，以免削弱学生的学习兴趣。MOS器件是目前集成电路设计的基础，因此，在“晶体管原理”中应当详细讲授MOS器件的结构、工作原理和特性，而双极型器件可以稍微弱化些。
对于专业方向课程，教师不但要讲授集成电路设计方面的知识，也要侧重于集成电路设计工具的使用，以及基本的集成电路版图知识、集成电路工艺流程，尤其是CMOS工艺等相关内容的教学。实验实践教学是培养学生的知识应用能力、实际动手能力、创新能力和社会适应能力的重要环节。因此，在专业方向课程中要增加实验教学的课时量。例如，在“CMOS模拟集成电路原理与设计”课程中，总课时量为48学时不变，理论课由原来的38学时减少至36学时，实验教学由原来的10学时增加至12个学时。36学时的理论课包含了单级运算放大器、差分运算放大器、无源/有源电流镜、基准电压源电路、开关电路等多种电路结构。12个学时的实验教学中2学时作为EDA工具学习，留给学生10个学时独自进行电路设计。从而保证学生更好地理解理论课所学知识，融会贯通，有效地促进教学效果，激发学生的学习兴趣。
三、结论
集成电路产业是我国国民经济发展与社会信息化的重要基础，而集成电路设计人才是集成电路产业发展的关键。本文根据调研结果，分析目前集成电路设计本科专业课程体系存在的主要问题，结合我校实际情况，对我校电子科学与技术专业集成电路设计方向的专业课程体系进行改革，提出“4＋3＋2”专业课程体系，并对专业课程讲授内容进行优化。从而满足我校集成电路设计专业创新型人才培养模式的要求，为培养实用创新型集成电路设计人才提供有力保障。
参考文献：
[1]段智勇，弓巧侠，罗荣辉，等。 集成电路设计人才培养课程体系改革[J].电气电子教学学报，2010，（5 ）。
[2]方卓红，曲英杰。关于集成电路设计与集成系统本科专业课程体系的研究[J].科技信息，2007，（27）。
[3]谢海情，唐立军，文勇军。 集成电路设计专业创新型人才培养模式探索[J].电力教育，2013，（28）。
[4]刘胜辉，崔林海，黄海。集成电路设计与集成系统专业课程体系研究与实践[J].教育与教学研究，2008，（22）。
[5]杨媛，余宁梅，高勇。半导体集成电路课程改革的探索与思考[J].中国科教创新导刊，2008，（3 ）。
[6]殷树娟，齐臣杰。集成电路设计的本科教学现状及探索[J].中国电力教育，2012，（4 ）。
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