刘有耀， 杜慧敏， 张丽果

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)



集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系构建

刘有耀， 杜慧敏， 张丽果

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

集成电路设计与集成系统是一个工程性和实践性很强的本科专业，在大工程观教育理念指导下，在分析CDIO培养大纲能力要求和集成电路设计与集成系统专业能力要求基础上，构建了集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系，探索了教学科研协同、学校企业协同项目驱动的研究式实践教学方法，完善并建设了多样化的实践环境和工程经验丰富的师资队伍，建立有效的人才培养评价体系，保障实践教学体系的有效实施。

集成电路设计; CDIO; 实践教学体系

0 引 言

集成电路产业是信息产业的基础和核心，是推动信息产业发展的源泉和动力[1]。国务院于2000 年6月25日颁发了“鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策(18 号)”文件，大力支持和鼓励我国集成电路产业的发展[2]。集成电路领域技术和管理人才严重不足、人才质量普遍不高已成为制约我国集成电路产业健康、快速发展的瓶颈[3-4]。教育部于2003年开始批准设置“集成电路设计与集成系统”目录外本科专业，2012年普通高等学校本科专业目录中调整为特设专业，以适应国内对集成电路设计与应用人才的迫切需求，截止2014年全国已有28所高校设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[5-6]。国务院于2011年1月28日颁发了“进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策(新18号)”文件，要求高校要进一步深化改革，加强集成电路设计相关专业建设，紧密结合产业发展需求及时调整课程设置、教学计划和教学方式，加强专业师资队伍、教学实验室和实习实训基地建设，努力培养国际化、复合型、实用型人才[7]。2014年6月，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》进一步指出着力发展集成电路设计业，加大人才培养力度[8]。

然而，“集成电路设计与集成系统”专业涉及的新概念、新技术、新方法不断涌现，是一个工程性和实践性很强的本科专业[9]。毕业生不仅要具有较强理论知识基础，而且要具有较好的工程实践能力以及一定的创新能力[10]。因此，构建集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系，保障四年工程实践训练不断线，逐步提升学生的工程实践能力和创新能力，是培养集成电路设计人才的关键。

1 集成电路设计、集成系统专业能力与CDIO能力要求

在大工程观的视野下, 高等工程教育的任务是培育学生的责任意识、培养学生的学习能力、指导学生建构工程所需的基础知识和基本能力、培养学生的工程思维能力、指导学生建立基本的价值判断能力、培养学生基本的社会活动能力[11-12]。

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)和运作(Operate)，对学生提出三个总目标：① 更深入地掌握技术基础知识；② 领导新产品、过程或系统的开发与运行；③ 理解研究与技术发展对社会的重要性与战略影响。CDIO教育把工程师所需具备的知识、能力和素质分解整理成为CDIO教学大纲，即技术知识与推理、个人专业能力与素质、团队协作与沟通技能和在企业与社会环境下的构思、设计、实现、运行四个一级能力要求以及17个二级能力要求，这个教学大纲细化到可直接观察到学生表现行为的程度，可作为学生学习效果的测量依据[13-14]。

集成电路设计与集成系统学生应掌握宽广的人文知识、坚实的自然科学知识以及扎实的专业知识，具备工程实践能力和创新能力、团队协作和沟通交流能力，具有自主学习集成电路与集成系统领域前沿理论和技术的能力，能在集成电路与集成系统领域从事研究、设计、实现、应用的总目标。

集成电路设计与集成系统专业，分别以知识、能力、素质细化培养目标，形成12条知识、能力、素质的人才培养规格如下：

(1) 知识结构要求：① 具有坚实的自然科学理论基础知识、电路与系统的学科专业知识、必要的人文社会科学知识和良好的外语基础；② 具有通信系统、计算机系统结构、信号处理等相关学科领域的基础知识；③ 掌握集成电路与集成系统领域的基础知识和工程理论；④ 掌握集成电路与集成系统电子设计自动化(EDA)技术。

(2) 能力结构要求：① 具有使用EDA工具进行集成电路与集成系统设计的能力；② 具有较强的科学研究、工程实践及综合运用所学知识解决实际问题的能力；③ 具有了解本专业领域的理论前沿、发展动态和独立获取知识的能力；④ 具有自主学习能力、创新能力、协同工作与组织能力。

(3) 素质结构要求：① 具有良好的思想道德修养、职业素养、身心素质；② 具有奉献精神、人际交往意识和团结协作精神；③ 具有一定的文学艺术修养、科学的工程实践方法；④ 具有一定的国际化视野、求实创新意识。

CDIO以一种系统、宏观的视角来培养工程人才，强调以工程项目为载体，让学生从工程项目的构思、设计、实施和运作等全方位深入工程实际。不仅强调工程教育过程中学校、社会和产业三者之间的密切合作，同时还强调从项目构思到实施全过程的系列评估，体现了大工程观理念。CDIO培养目标涵盖了在社会和企业环境下，对产品、生产流程、工程系统进行构思、设计、实施、运行所需的专业技术知识和工程实践能力。此外，CDIO还特别注重培养学生的团队合作、人际交往能力，发现、分析、解决问题的能力，批判思维能力，职业道德和职业态度，工程组织与管理能力等全方位的工程素养。 CDIO教育模式强调以产业需求为导向，结合实际工程项目，使学生把专业知识技能与完全真实的社会环境中的产品研发流程结合起来， 通过构思、设计、实施、运作等4个环节进行系统开发能力的训练，使教学内容和方法与产业发展同步，理论与实践相结合。CDIO强调让学生在完整的工程项目全过程“做中学”，而不是浅尝辄止、简单、离散的实践环节的拼接。通过实践环节，让学生理解和消化教师传授的知识和技能，培养学生的动手能力，最终达到培养工程创新能力的目的[15-16]。

集成电路设计与集成系统采用自顶向下的设计流程可概括为想法(Idea)-设计(Design)-实现(Implement)-验证(Verify)与CDIO工程教育模式的构思(Conceive)-设计(Design)-实现(Implement)-运行(Operate)从形式到内容非常吻合。CDIO强调以产品从研发到运行的完整生命周期为载体，让学生在其中以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程理论知识，积累工程实践经验和提升各种工程能力。因此，借鉴和吸收先进的CDIO工程教育理念和标准，确立“需求引导、项目驱动、强化实践、教研统一、突出创新、全面发展”的培养思路，以软件无线电(SDR)系统(包括算法、体系结构、集成电路)设计与实现为工程背景融入实践教学过程，构建工程实践能力和创新能力螺旋式上升的一体化实践教学体系，培养集成电路设计与集成系统专业学生的工程实践能力和创新能力，同时引领知识基础的学习和综合素质的拓展。

2 集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系

按照“需求引导、项目驱动、强化实践、教研统一、突出创新、全面发展”的培养思路，结合我校的实际情况，构建实践教学体系是培养集成电路设计与集成系统专业人才工程实践能力和创新能力的关键。将四年的实践环节按照空间维度上的横向相互关联性构建“课内实验-课程设计-工程训练-创新实践”四个层次的实践环节，在时间维度上的纵向相互关联性构建“基础系统实践能力-学科系统实践能力-专业系统实践能力-工程系统实践能力”四个学年的实践环节，即每年度纵向系统实践能力通过横向关联的四个层次的实践环节实现，形成螺旋式的实践能力培养。为适应社会以及行业对人才要求的不断提升，将企业实际工程项目和科研项目贯穿四个层次的实践环节中，学生按照CDIO过程完成四个层次实践环节中的项目，构建项目驱动S-CDIO(Spiral-Conceive Design Implement Operate)实践教学体系(S-CDIO practice teaching system based on project)。学生在4年中通过四个层次实践学习，工程实践能力和创新能力得到不断提升。

结合学校优势特色以及行业背景，将集成电路设计与通信系统相结合、集成电路设计与计算机体系结构相结合，构建如图1所示的集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系。

图1 项目驱动螺旋式上升的实践教学体系

在课内实验实践环节中，按照CDIO实现一个科研项目中的小模块。第一学年开设电类专业计算机基础、高级语言程序设计课程实验，着重培养学生的计算机基础实践能力，第二学年开设电路分析、模拟电子技术、数字电路与逻辑设计课程实验注重培养学生电子技术应用基础能力，第三学年开设微机原理与嵌入式系统、FPGA设计课程实验注重培养学生嵌入式系统设计基础能力，第四学年开设模拟集成电路设计、数字集成电路设计课程实验注重培养学生的集成电路设计基础能力。通过四年的课程实验实践环节，使得学生在计算机应用、电子技术应用、嵌入式系统设计、集成电路设计方面打下了良好的基础，每学年的课程实验相对前一学年对学生的实践能力要求循序渐进提高，学生的实践能力也相应不断的提升。

在课程设计实践环节中，按照CDIO实现一个科研项目中的子系统。第一学年开展高级语言课程设计加强学生的高级语言程序设计能力和计算机应用能力，第二学年开展电子技术课程设计(包括收音机、电话机的组装，数字电路设计)加强学生的电子技术应用能力，第三学年开展基于FPGA的嵌入式系统课程设计加强学生的嵌入式系统应用能力，第四学年开展集成电路设计课程设计加强学生集成电路设计能力。通过四年的课程设计实践环节，使得学生在计算机应用、电子技术应用、嵌入式系统应用、集成电路设计方面的工程实践能力得到进一步加强。每学年的课程设计在本学年课程实验的基础上实践能力得到进一步加强，同时是在前一学年的课程实验和课程设计的基础上进一步提升学生的实践能力。

在4年的课内实验和课程设计实践教学中，以FPGA设计为载体、以软件无线电的“高级语言→汇编→ 机器目标代码→处理器设计”为主线，以“高级语言及汇编程序设计”和“处理器模拟模型”为先导，从计算机系统结构的角度出发，强调软件和硬件之间的关联，重点在流水线CPU设计，形成了计算机应用工程实践能力培养不断线，培养学生集成电路设计与计算机体系结构相结合的工程实践能力。

在工程训练实践环节中，按照CDIO实现企业实际工程小项目。将在每一学年用不同的实现方式完成同一个完整的实际工程或科研项目的功能要求。第一学年采用单片机实现项目要求，提升学生对计算机应用的实践能力，同时为第二学年的工程训练打下基础；第二学年在第一学年的工程训练和创新实践基础上，用数字逻辑电路和模拟电路在PCB上完成项目要求，提升学生对电子技术应用的实践能力，同时为第三学年的工程训练打下基础；第三学年在第二学年的工程训练和创新实践基础上，用软硬件在FPGA上实现项目要求，提升学生基于FPGA的嵌入式系统应用实践能力，同时为第四学年的工程训练打下基础；第四学年在第三学年的工程训练和创新实践基础上，用专用集成电路的方式实现项目要求，提升学生集成电路设计实践能力，同时为毕业设计打下良好的基础。

在4年的工程训练，以企业实际工程项目为目标，以“单片机控制系统→系统模块开发→FPGA实现→集成电路设计”为主线，贯穿4年的工程训练实践教学环节，形成了通信系统工程实践训练不断线，培养学生集成电路设计与通信系统相结合的工程实践能力。

在创新实践环节，按照CDIO过程进行软件无线电(SDR)系统(包括算法、体系结构、集成电路)科研项目的完整设计与实现。第一学年通过SDR算法的设计与实现，第二学年通过PCB制作和电子系统设计创新实践环节注重培养学生的创新意识，为第三学年的学科竞赛等创新活动打下基础，第三学年学生根据自己的兴趣爱好以及特长参加SDR系统的数字集成电路设计、模拟集成电路设计、嵌入式系统设计方向的科技竞赛、兴趣小组等进行创新实践，第四学年学生在校内和校外实习基地进行生产实习，根据毕业设计管理办法分别在SDR系统的数字集成电路设计、模拟集成电路设计、嵌入式系统设计方向选择毕业设计题目，进一步提升工程实践能力。

3 集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学方法

实践教学体系只有通过一定的教与学，才能使学生达到能力的训练，引领知识的学习、拓展素质的提升。研究式教学是一种符合工程能力培养规律、符合综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方法，实践教学采用基于问题的探究式和基于项目的参与式两种研究式教与学的方法达到实践教学体系的目标要求。

3.1 教学科研协同S-CDIO参与式教学

在集成电路系统设计教研统一的教学团队保障下，建立科研促进和服务于教学的研究式教学方法，探索形成“科研嵌入”实践教学内容、“科研反哺”实践教学环境、“科研提高”师资队伍工程实践能力和“科研启发”创新能力培养的教研统一机制。

根据科研项目开发实际，总结工程经验，凝练科研案例，撰写系列实验教材，将完整的科研项目分模块嵌入实验环节。同时，通过理论教学、实践教学、实际项目开发3个环节将理论教学与项目实践紧密结合，同步进行，达到理论指导实践，实践促进理论学习的项目驱动的研究式学习。在承担各级各类科研项目的过程中，逐步建立高水平的科研平台，积累丰富的软、硬件资源转化为实践教学资源保障学生研究式学习。

对学生工程实践能力和创新能力的培养，要求教师必须具备丰富的工程实践经验，科研工作可有效弥补教师工程经验的不足，同时注重引进科研经历、工程能力和国际背景的教师，强化教师的工程经验。通过科研项目培养教师的科研能力和教学水平，提高师资队伍的人才培养能力，转化为第一、第二课堂的教学优势。鼓励科研项目团队集体授课，开展互动式、参与式、讨论式课堂授课。按照“教研统一”的人才培养思路，由项目团队成员指导学生直接参与实际科研项目研发(以CDIO完整的过程实现项目要求)，教师与学生以平等身份参与项目，同一学年科研模块具有空间内容相互关联性，每学年科研模块具有时间和内容相互关联性，形成S-CDIO参与式教学，启发学生进行研究式学习，培养学生综合运用所学知识和团队协作能力、人际沟通能力，提高学生的实践与创新能力。

3.2 学校企业协同S-CDIO探究式教学

按照“需求引导”的人才培养思路，探索校内培养与企业实训相结合的人才培养特色，建立包括校内的综合素质与能力培养、校外的企业能力深度拓展等环节的系统完整的工程教育培养体系，实现学生从学校内基础知识积累、实践能力培养，到企业中产业知识拓展、知识运用能力提升，以更好地满足迅速发展的信息产业对工程应用型创新人才的能力需求。

对于企业多元化发展需要但并非当前急需的课题，难度适中并在教师和企业工程师的指导下可以按期完成的课题，市场不确定但技术确定需要进行试探性开发的课题，算法思想不确定需要评估的课题，通过精心设计将这些课题分解为若干个实际问题，并按照问题组织教学内容，贯穿在四年的培养过程中。通过校企联合实验室，将实际问题的工程实践分解在四年的“工程训练”实践环节中与“课内实验”、“课程设计”、“创新实践”形成空间内容的关联性，企业提供相关的实践教材，由经过企业实训的专任教师和企业工程师共同指导学生(按照CDIO过程)完成。“工程训练”相关的知识、能力按学年不断渐进式提升，学生针对企业实际项目中的问题进行S-CDIO研究式学习，学会应用和获取知识，工程意识、实践能力、团队合作能力不断提高。同时由企业兼职教师在校内开设企业相关课程，培养学生的工程素质，为学生提供真实的第二课堂，使学生在实习实训中完成从理论到实践的过渡，从学校到社会的过渡。面向企业人才需求的素质与能力基础培养前移至校内阶段，并通过深度参观实习、岗前培训、应用实习、项目组实习、项目团队独立工作等形式，打通在校学习和企业实践的通道，保证成长环境和工作环境的协同。

“工程训练”实践环节培养过程采取“校内导师组”与“企业导师组”双反馈双评估机制。学生在成长过程中，除了学习成绩以外，企业定期派出导师，与校内导师组共同对学生创新活动等表现给予评价。学校和企业双方对于每个学生的能力评估会及时反馈给学生，让他们及时调整学习计划，促使自身发展定位与产业需求相匹配。学生在不断地评估与调整中，实现能力的持续积累及纵向提升。

4 S-CDIO实践教学保障条件

4.1 建设具有国际背景的、工程经验丰富的教研团队

具有一定工程素质的高水平师资队伍是实践教学体系实施的关键因素之一。按照“教研统一”人才培养思路，通过引进和培养、学校和企业双向交流的方式，建设专兼职相结合的、具有工程经验丰富的教研统一团队，加强团队的教学能力，保证学生工程实践能力和创新能力的培养。企业工程技术人员和管理人员担任兼职教师，直接为学生授课或指导学生进行实习、实训，参与企业项目实践。学校每年都组织专任教师 “走出去”，了解企业需要的人才要求和最新技术知识；系统安排青年教师在企业进行“实训”；新入职的博士通过企业挂职，进行1年以上的企业实际设计经验。同时，通过主持或参加科研项目培养教师的工程实践能力，鼓励专任教师将科研成果转化并成立公司，积累了深厚的工程经验。引进留学归国人员充实师资队伍，强化了团队的国际背景。通过这些措施，提升教师的教学水平和研发能力，建立一支专兼职相结合的工程经验丰富的人才培养师资队伍。集成电路系统设计团队先后于2010年和2012年被评为“陕西省省级教学团队”和“陕西省首批重点科技创新团队”。

4.2 建设多样化和全开放的实践教学环境

按照“强化实践”的人才培养思路，构建完善的实践教学环境是顺利实施S-CDIO实践教学体系中教学内容的保障。经过多年建设，建成了省级工程中心、省级实验教学示范中心、部级重点实验室、省级创新实验区、校企联合实验室等多样化的实践教学环境。通过完善已有实验室，整合已有实验平台构建“基础实验平台-专业实验平台-工程训练实验平台-创新实验平台”和实习基地等多个校内外实习基地，覆盖S-CDIO实践教学体系中“课内实验-课程设计-工程训练-创新实践”四个层次的实践教学。

集成电路设计与集成系统S-CDIO实践环境与实践环节的关系如图2所示。通过EDA工具与云计算技术创新整合，采用云计算技术实现了计算机软件、硬件资源的开放共享，在技术上采用了互联网的云接入，实现了“任何时间、任何地点、通过任何终端设备”可以使用云平台上的EDA工具进行相关的实践教学与实习活动，从而实现了实验室全天候开放。

集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学环境建设得到省内外同行的认可，其中集成电路工艺校内生产实习基地建设得到省内外同行的高度认可，该基地是长安大学、陕西科技大学、西安科技大学等兄弟院校的学生参观实习基地。

图2 四个平台、一个基地的实践教学环境及实践环节

4.3 保证实践教学质量的高效培养制度

人才培养制度是与人才培养过程紧密相关的各种规章制度及其实施的体系，是人才培养得以按规定实施的重要保障与基本前提。培养制度中除了基本制度和日常教学管理制度外，应制定与教学模式改革相适应的制度，如我校电子工程学院制定“教职工参与教学改革的奖励制度”、“专任教师到企业挂职培训的制度”、“兼职教师的聘任和管理办法”等教学相关制度，有效促进教师开展教研工作的积极性和主动性，制定“学生参与科研项目的管理办法”、“课外八学分实施办法”、“学生到企业学习和实践的规定”等鼓励学生参与科研项目和实践活动，极大地调动学生主动学习的积极性。

4.4 建立有效的人才培养评价体系

培养评价是“依据一定的原则建立的与培养目标、培养方案、培养过程、培养手段相适应的评价方法与标准, 以保障培养目标的落实、完成” 。由于高等教育与社会紧密联系，在设定各种评价标准时，应该充分考虑社会对人才的要求。

培养评价过程中的原则就是培养质量标准，西安邮电大学树立“以学生为本、以质量为重”的教学指导思想，以教学工作为中心，把质量标准建设作为保证质量的重要前提和第一环节。在严格执行各种教学质量标准的基础上，进一步完善工程应用型创新人才质量标准，形成了以人才培养目标为最高纲领，以人才培养方案为基本依据，以日常教学规范为行动准则，涵盖本科教学活动主要过程的质量标准体系。教学质量标准体系由三部分构成：一是目标标准，即人才培养目标定位、人才培养方案等，是质量保障的主要监控点；二是过程标准，即教学大纲和教学日历的实施、课堂教学、实践教学等各个环节、教学改革、课程建设、教学方式与手段的选择、考核方式与阅卷、毕业设计、双语课程等；三是条件标准，它包括教学管理队伍的配备、实践场所及实验设备的配备、教学管理制度的制定等。建立科学的教学质量标准体系，有利于强化教学管理、提高教学质量，有利于教师转变教学观念，不断提高自身的综合素质。

教学质量保障体系是保障教学水平和人才培养质量的重要手段，是一项全方位、全程性的质量管理系统工程，这一体系的建立与运行涉及到教学工作的各个方面，带有鲜明的导向性。因此，教育质量保障体系中的各项指标体系的确定必须遵循规范性、可操作性、全面性等原则，克服随意性，力求该体系的制度化、标准化和规范化。

遵循高等教育教学的内在规律，运用先进的教育教学管理的理论、理念与方法，借鉴全面质量管理(TQM)的思路和ISO9000质量管理标准，全面构建如图3所示的教学质量保障体系，推动教学质量管理的科学化、规范化、信息化。建立了由质量标准体系、质量监控体系、质量信息及分析体系、质量改进体系四个子体系为主的闭环形式的教学质量保障体系，进而提高教学质量和人才培养质量。

图3 工程应用型创新人才培养质量保障体系

坚持以教学质量监控与评估为主线、以专业为基础、以教师和学生为主体、以管理为纽带，形成全方位全过程的教学质量监控体系，从多个方面对教学质量进行评估和监控。从而实现自我约束、自我评价和自我发展的长效机制，使教学质量监控和评估成为保证和提高教学质量的重要手段。

5 结 语

借鉴CDIO教育理念，结合我校集成电路设计与集成系统专业的优势特色，设计S-CDIO实践教学体系，通过多样化的实践教学平台建设、工程经验丰富的师资队伍建设，不断改进研究式的教学方法，集成电路设计与集成系统S-CDIO实践教学体系的实施已取得了良好成效。已建成了1个省级实验教学示范中心、1个省级人才培养模式实验区、1个省级工程研究中心、2个省级教学团队、1个省级科技创新团队、1门省级精品实验课程，“集成电路设计与集成系统工程应用型人才培养的探索与实践”获得2013年陕西省教学成果一等奖。近几年，本专业学生参加各类学科竞赛获奖61项，其中国家级奖26项，本科生就业率一直保持在90%以上，就业率和考研率在学校名列前茅。

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Research and Practice on S-CDIO Engineering Education Mode for the Specialty of Integrated Circuit Design and Integrated System

LIUYou-yao，DUHui-min，ZHANGLi-guo

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121, China)

Integrated circuit design and integrated system is a profession which needs practice ability. By guidance of the view of CDIO large-scale engineering, we put forward a S-CDIO practice teaching system for the profession of integrated circuit design and integrated system. The system is established based on the requirement of outline of CDIO cultivating ability, and the requirement of professional ability of integrated circuit design and integration system. We explore practice teaching and studying methods which cooperate teaching and enterprises with research and universities, improve the diversified practice environment and engineering experienced teaching staff, and construct effective cultivation evaluation system which ensures the effective implementation of the practice teaching system.

integrated circuit design; CDIO; practice teaching system

2015-02-28

国家特色专业建设点项目(TS12509)；陕西普通本科高校“专业综合改革试点”项目

刘有耀(1975-)，男，陕西佳县人，博士，副教授，研究方向为集成电路系统设计。

Tel.:13679246716;E-mail:lyyao2002@163.com

G 642; G 640

A

1006-7167(2016)02-0179-06