“三维度虚实结合”的集成电路专业实践教学研究

2022-08-04刘慧敏姜训勇张祖峰李华一

实验室研究与探索 2022年3期

关键词：集成电路芯片能力

刘慧敏, 姜训勇, 苏林, 刘君, 张祖峰, 李华一

(天津理工大学 a.集成电路科学与工程学院; b.材料科学与工程学院; c.电气工程与自动化学院, 天津 300384)

0 引言

集成电路技术是集当今世界最先进科技成果于一体的综合性交叉式边缘学科，是庞大和复杂的系统工程和综合技术。需要大量的理论和实践能深度融合的专业人才来满足行业的需求，而由于诸多因素导致目前我国集成电路产业人才缺口极大[1-2]。

1 地方院校培养集成电路人才存在的问题

我国有最大的工科生源，尤其是地方工科院校是一支强大的生力军，这些学生今后是行业的主力军，但由于长期重视理论轻实践的教育教学体系，学生的综合工程实践能力远远不能满足集成电路产业的需求。目前国家开展了如 “新工科”“卓越工程师计划”“一流课程”等一系列措施来提升工科生的综合能力，有许多宝贵的经验可以借鉴[3-12]。2019 年“教育部关于一流本科课程建设实施意见”中指出，从 2019～2021 年，完成 1 500 门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程认定, 电子信息类建立了13门课程，因此基于虚拟仿真平台及虚实结合的教学经验也层出不穷[13-16]。但对于地方院校来说要培养符合集成电路产业需求的人才，还存在以下一些问题：

(1) 集成电路行业门槛高。集成电路产业是工程性很强的一个行业，行业门槛高，专业背景要求高，没有一系列专门定向的培养是很难满足行业要求的。一个合格的集成电路行业工程师除了工程师具有的基本素养外还需要具备扎实的电路知识、工艺知识、编程知识、系统应用等多项综合的专业知识背景，这些专业知识需要多年的长期积累，短期培训是无法满足要求的。

(2) 地方院校学生差异大。地方院校尤其是双非院校学生来源范围很广，从发达到不发达地区，学生的知识背景、家庭背景、实践能力背景等多方面层次差异很大，有许多学生可能从初中就开始玩一些电子产品，而有些学生刚上大学才用手机。学生的学习认知能力、自我控制能力等方面差异也很大。有些学生学东西很快,有些学生学习后劲不足，无法持之以恒，有些同学学新东西很慢，学习效率比较低。如果只是单纯做题，现在各种学习资源很丰富，学生可以通过不断刷题，慢慢提高，但是动手实践的东西一旦做不出来，就无从下手，不知道该怎么办，一旦有几次失败的体验就对此失去兴趣和信心。

(3) 实践课程学习周期长。工程性强的实践活动通常需要的硬件、器件等材料消耗比较大，实践训练需要循序渐进，反复实践验证，试错，在实践过程中出现实验现象出错，如何排查错误原因、改正错误往往会给初学者造成很大困惑，因此入门的周期长。另外地方院校通常是以大班授课，同时参加实践课程学习的人数多，教师的指导很有可能不及时不到位，这样会增加学生实践学习的门槛，使得许多学生在实践中没有得到应有的锻炼，造成人才不能满足产业发展的需求。

如何能在目前的课程体系中保障真实场景的有效训练，边学边做，结合当前的行业发展趋势，在本科阶段为工科生打好基础，使其掌握必须完成的学科基本原理、基本方法、基本实践技术的基础，使理论教学和实践教学深度融合，以实现对学生基本学位能力的培养，提高其工程实践性，提高人才培育水平，来满足行业的需求是摆在我们面前刻不容缓的问题。

2 虚实结合三维度的教学体系设计

为了培育出符合集成电路产业需求的专业人才，我校自2007年集成电路设计与集成系统专业招生以来，经过多次与企业交流、与兄弟院校学习沟通，设计了“三维度虚实结合”教学体系，该教学体系是将虚实结合的理论实践深度融合，如图1所示，4年的本科专业教学过程是通过课堂支撑、技术赋能、赛创进阶三维度来执行，通过该教学体系的具体实施来提升学生的专业实践能力。

图1 三维度虚实结合

2.1 课堂支撑

课堂教学是高校教育教学的主阵地，多年来教师的传道授业解惑主要是通过这个平台实现的。通过课堂教学的实时交流，学生能从教师的面授中掌握知识的要领，本专业教师采用了对原来传统的理论和实践课程的知识点进行重构，利用虚拟平台和实践课堂完成新模式的教育教学改革。

(1) 专业知识重构。教师在课程中将理论课和实践和深度融合，把相关的知识点融入可以真实实验场景。如图2所示，在讲授数字电子技术和数字集成电路这两门课时改变以往的知识架构，将计算机的中央处理器(CPU)的架构知识融入课程，建立如何编辑逻辑器件和基于集成电路的计算机硬件原理分析，使学生学完数字电子技术和数字集成电路这两门课后基本知道了CPU的架构、知道数字电路的各个单元如译码器、寄存器都在CPU中起什么作用。通过对这些虚拟器件从各个单元器件触发器、微处理器(MCU)、人工智能(AI)芯片等由浅入深地逐步掌握相关的芯片架构、原理。诸如此类的方式在许多专业课程中通过知识重构，使学生学的知识与真实场景结合起来。

图2 集成电路专业知识重构

(2) 充分利用虚拟平台。目前许多虚拟仿真的电子设计自动化(Electronic design automation，EDA)工具，可以帮助学生快速理解所学的知识，如信号与系统课程中可以利用Matlab软件来模拟仿真相关的信号特征，求解相关的信号运算结果，对学生快速理解信号的特征有很大的帮助。因此教师可根据课程内容设计利用虚拟实验平台的实验内容，可以通过多种模式组织学生利用课上或课下的时间来完成相关的学习内容。图3所示为在数字电路和数字集成电路中使学生通过我国自主知识产权的青岛若贝电子有限公司的 EDA 工具搭建的虚拟仿真平台体验其中的实践内容，对所学的理论知识在虚拟平台实验中有初步理解。该图还显示通过Robei EDA 工具模块化的特点，可以对复杂的器件或者芯片进行分析了解。

(a) 专用芯片

通过波形分析查看虚拟器件中间的信号链接，掌握器件信号链接和逻辑运算。集成电路虚拟实验仿真平台可以协助学生快速实现各种专用器件、电路模块、复杂电路模块的学习和理解并加以应用。波形仿真结果如图4所示。

(3) 课堂引导实践训练。教师需要通过课堂演示相关的实际操作，对关键技术点需要反复细致地指导，甚至采用分解关键环节的分析展示。可采用分组，把不同程度的学生组合在一起，通过团队合作，让学得快的同学进行课堂展示示范，课下也可以帮助学得慢的同学跟上进度。保证面向全体学生，不同的学习程度的学生都能掌握实践的过程和结果。

图4 波形仿真缩略图

如果条件允许也可以现场录制视频，2020年由于疫情，我校开展了线上教学，课堂演示过程，许多学生录制了视频，这样在课下可以帮助学习进度慢的同学反复观看实践过程，使其尽快学会操作过程，缩短与学得快的同学的差距。实践表明，许多学生可能就是某个技术点没看清，导致实践错误，通过课下反复观看其他同学的操作过程，很快就能跟上学习进度，对提升学生的学习兴趣有极大的帮助。

这种先虚拟再实践的学习过程可以改变以前只有部分学生在实践课学习中实践技能有提高，而转为面向全体学生的提高。学生在真实实验之前已对学习的内容较为熟悉，降低了实践操作的门槛，学生先有过虚拟平台的体验后，再通过老师对虚拟平台体验过程中出现的问题的讲解时能够引起其注意，加深其学习内容的理解。学生在学习过程中形成完整的知识流，最后通过综合实践训练，形成一个完整的知识流学习过程，提升其综合实践能力。同时教师和学生都通过课堂作为学习的主阵地，课堂上的展示、交流、引导将课堂教学的交互性、实时性的优势都发挥出来了。

2.2 技术赋能

学生的学习体验对知识的认知和掌握是一个很重要的过程，只有通过深刻的体验才能理解相关的知识。

(1) 虚拟平台为技术赋能热身。集成电路相关的工艺实验设备都非常昂贵，一般本科生是不可能实际操作的，但可以通过国家虚拟仿真实验教学项目共享平台及一些虚拟仿真系统使学生对这些高大上的设备零距离接触。可以开展如对单晶硅制备、磁控溅射、光刻、原子力显微镜、扫描电子显微镜、四探针测试系统、霍尔测试系统、金相显微镜、椭偏仪这些设备的虚拟实验项目。学生可以亲自操作磁控溅射、原子力显微镜等200万元以上的高端虚拟设备。通过这样的虚拟实验可以让学生去触摸，让学生动起来。学生对这些设备的操作流程有了亲身的体验，极大地提升了学生的学习兴趣。当学生后期再到实验室学习时，对这些大型设备就会如数家珍，很快会上手操作。图5所示的集成电路(IC，Integrate Circuit)制程包括：晶圆制程、芯片制程、封装制程。通过选择制造方法和设备，掌握IC制程工艺流程。选择设置设备主要参数，再通过观看设备技术原理视频演示，运行生产设备模拟运行操作，掌握IC制程关键设备。

(a) 芯片制造设备

还可以在如电路课程中加入Multisim等EDA工具，使学生学会对所学的电路知识有一个感性的认识。尤其是抽象思维能力弱一些的学生通过EDA工具的仿真，对知识就会有一个感性认识。如果像以前需要到实验室搭建实验平台，再去验证，这个周期会比较长。在学生的学习兴趣和实践能力不足的情况下，往往会放弃或是对知识简单的记忆，而不去深入的理解。而通过虚拟仿真的工具上手快捷，学生在自己的机器上，在课下随时就可以去学习、验证自己的知识盲点，这样便于学生迅速发现自己对知识理解的偏差点，也便于学生去探索一些自己好奇的知识点，提高学生的能力。

(2) 分层实训为技术赋能启航。在虚拟平台上的学习，但那只是热身，必须通过后期真实实战训练，学会解决实战中出现的一些不确定问题，通过已知的内容学习和实战训练来培育学生探索未知的精神和勇气，才能真正让学生的能力得到提升。为今后具备解决复杂工程问题的能力打下基础。

分层实训的培养体系是按照“认识芯片—使用芯片—设计芯片”这样的总体思想设计的，在每个年级都安排不同难易程度且与理论课程相关的实训，通过这一系列的分层次分年级循序渐进的基础实践课程训练，学生可以从简单到复杂，从点到面，循序渐进逐步提高实战能力。在教师有序地指导下，学生逐步地将集成电路芯片设计的相关实战技能与同步相关的理论知识相融合，体会从实战经验中收获学以致用的喜悦。学生“踮一踮脚”就可以够到，当学生完成一个自己独立设计的实训项目后会有一种成就感，在课本中学习，在实验中检验、发现，用课本知识去分析，兴趣就会从这里启航。

(3) 综合实训为技术赋能增力。通过前期的基础实验的训练，还设计了一些综合性强的实验，将前期实验课程中的实验进行综合应用，让学生将前期学到的各个单独课程中的实践能力融合起来，通过行动和实践来激发能力，激发学生的行动，去解决实践中的问题，唤醒对于知识与内在认知之间的共鸣，不是简单地接受知识，从而回归到内容本身的学习上，而是借助于内容的理解，去把握本质性认识，掌握规律以及认知知识与运用知识的能力。

如单片机与微机原理课程，在理论授课的基础之上，加入相关的课程设计，课程设计的题目是融合模拟电子技术和单片机课程的内容,通过系统综合训练，使学生学会将理论课程深度与实践课程融合。在集成电路芯片设计实训课程中，要求学生综合前面的模拟电子技术、模拟集成电路设计、单片机与微机原理、集成电路版图设计等多门课的知识自行设计一个运算放大器的实际应用芯片并参考一些成熟的芯片产品，完成相关的技术文档的撰写，这些内容可以让学生“跳一跳”够得着，既可以满足能力弱一些的学生对前面所学的知识和能力进一步巩固和提高，同时也可以满足能力强的学生做出许多有创新性的作品，掌握解决复杂工程问题的能力，为学生的行动能力启航。

3 赛创进阶

在基本技能得到训练后，学生可进阶参加各类相关的专业比赛、参加大学生创新创业项目、参加相关教师的科研创新活动，这些具有真实性和挑战性综合实践活动便可以为已启航的学生插上翅膀，使其综合能力大幅度提高。在制定学生的培养方案时专门设计了一个创新与研学的必修课程，要求学生在大学4年中能够参与至少1项创新创业的比赛或大学生创新创业项目，这样可以把学生“逼上道”，不给“犯懒”的机会，许多学生到大三大四因为要考研，所以往往会把自己的精力专注于“刷题”中，不愿意花费时间去实践，但其实认真实践后反而会提升学生的综合能力，加深对理论知识的认知。因此当学生“被逼上路”时，就会面对实践活动，一旦做进去，就能体会出其中的奥妙。学生通过一系列的参与、学习、发现、探索，可能最终的项目是失败的，但只要认真实践，最终的收获仍是成长，提升。很多同学找到了自己的航向，在解决一个个问题的过程中激发了自己的潜能。

在组织学生参与大赛、大学生创新创业活动中，学生可灵活利用虚拟平台，随时自主学习、可实施、交互反馈等优点,可以在比赛初期建模和基本原理理解分析时采用，这样学生很快就能对综合性题目的大致涵义有初步的认识和了解，快速上手，为后期展开真实的实践活动打下基础。

通过参加各种比赛、创新创业活动可以让学生动起来，把热情激发起来，但往往学生开始时学习热情很高，经过一段时间后会由于各种理由而降温，甚至退出，转方向。这些不良的习惯一旦养成，对学生未来的发展都会有很大的影响。因此，根据不同的赛事活动安排了专门的指导教师负责答疑解惑，最重要的是督促学生能够不畏难、坚持到底的做事情，养成良好的学习和做事习惯。

实战训练中各种元器件、耗材的费用往往也是影响学生参与的一个因素之一，对还没有找到浓厚兴趣的学生来说，不愿意花这些钱。因此，我院针对各种赛事活动提供了一定的资金支持，来保障学生的实践活动顺利开展。这些经费基本可以满足学生参加比赛等赛事活动，各种创新创业项目中也会有一定的资金支撑。这些举措大大鼓励了学生参加比赛和创新创业活动。

4 教学效果

目前在集成电路设计与集成系统专业的理论课程、实践课程、课外活动等多方面实施了“虚实结合三维度”即“课堂支撑、技术赋能、赛创进阶”的培养体系。从课堂教学的效果来看，许多学生开始逐步改变以往被动的学习方式，课堂互动效果提高了，学生在信号与系统的课上非常兴奋地展示自己的作品，同学们在身边的榜样影响下学习的兴趣浓了，学习的知识活了。改变了以往只靠“刷题”考高分的学习定式。

本专业的学生在世界机器人大赛、全国大学生集成电路大赛、全国电子大赛、大学生数学建模大赛、大学生创新项目等一系列综合性强的实践活动中涌现出极大的热情，也体现出了较高的综合素质，其中连续9年参加的全国集成电路设计大赛中我校学生多次分别获得特等奖1项、一等奖6项、二等奖19项、三等奖33项等优异的成绩，在全国高校中连续多年被评为优秀组织奖。2020年，2017级集成卓越班获得专业排名第一、科研参与率100%、世界级奖项1项、国家级奖项11项、省部级奖项11项、校级奖项70余项等一系列优异成绩，并获得“天津市市级先进班集体称号”。

很多学生的潜能通过这些多元化的刺激被激发了，有些学生平时在课堂上默默无闻，参加笔试考试成绩平平，但是在这个综合实践训练的舞台和平台中却展示出了别样的风采，找到了自己的闪光点，往往还会有新发现，为学生未来职业能力提高奠定了良好的基础。连续多年有多名学生通过参加大学生集成电路大赛崭露头角，同时在毕业时也收获了相关企业的青睐，被企业录用。还有很多学生虽然是地方院校的本科生，双非生，但学生在公司里表现出了很强的综合能力。连续多年来我校为紫光同创、天津飞腾等多家知名企业输送了大量人才，部分已成长为企业骨干。