“集成電路版圖分析與設計”課程教改與探索

史 君，喻 玲

（上海建橋學院 機電學院，上海201306）

0 引言

“集成電路版圖分析與設計”課程是微電子科學與工程專業方向課，是承載集成電路設計與芯片制造工藝的橋梁。版圖設計結果直接影響芯片設計、制造效率與成本，直接決定芯片電路的性能優劣，可見課程的地位和重要性。在以往的版圖課程教學中，教師多沿用傳統的教學模式，教師在講臺上講授，學生邊聽邊記筆記邊練，在課堂教學中，以教師為中心，教師系統地講解理論知識演示經典案例，學生被動地聽講接受，課后通過作業敦促學生學習，教學過程缺乏有效互動，不符合OBE-CDIO的教學理念，已經不能滿足日益增長現代新的人才培養目標的要求。

隨著先進的教育理念的引入，使多元化、信息豐富的課堂教學成為可能，探索新的教學模式、研究新的教學方法勢在必行［1］；同時，由于我院地處中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區，借助2019年8月國家在中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區總體方案中［2］，建設集成電路綜合性產業基地的東風，加強“集成電路版圖分析與設計”課程改革建設義不容辭，為此，我們為課程建設做了不少工作。

基于學習產出的教育OBE（Outcomes-based Education）模式的核心是教育系統的每個構成部分都以學習成果為基礎或導向，在教學設計和教學實施過程中，學生通過教育過程達成學習目標［3］。OBE最早由美國學者Spady在1981年提出來的，這一教育模式強調以學生為中心，持續改進，可以實現從以教為中心到以學為中心和從以知識體系為中心到以能力達成為目標的轉變，這正是課程改革的方向。

構思-設計-實現-運作CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operating）則是承MIT麻省理工大學30多年以來的工程教育大改革的理念，讓學生以主動、實踐和課程之間有機聯系學習工程的方式，培養學生的創新精神與能力、自主學習能力、工程實踐能力、溝通交流與表達能力以及團隊合作精神，非常符合國家對人才培養的要求［4］。

高校作為人才第一資源、科技第一生產力、創新第一動力和文化第一軟實力的重要結合點，充分發揮教育優勢，培養合格的社會主義建設人才，服務區域發展和社會發展意義重大，同時，也會使有志學習微電子科學與工程專業的學生受益，“集成電路版圖分析與設計”作為微電子科學與工程重點專業方向課教改勢在必行。

1 課程教學目標的設計

OBE-CDIO理念的核心就是學生工程能力的培養，并在教育實施過程中達成能力目標，為此，OBECDIO理念下我們對“集成電路版圖分析與設計”課程教學大綱進行修訂，制定課程目標與專業畢業要求相關聯，通過對照專業畢業要求反過來制定課程要求，如表1所示為“集成電路版圖分析與設計”課程與專業畢業要求的關聯性表。其中L031、L032為課程專業要求，L051為課程思政點要求，這也體現了教育以人為本的教學理念。

表1 課程與專業畢業要求的關聯性

課程目標/課程預期學習成果必須是可測量或者是能夠證明的，以“微電子卓越計劃”的普通高等教育應用型本科計劃為基礎，通過考察企業用人單位對集成電路版圖工程師的需求，對“集成電路版圖分析與設計”課程內容進行整合，按照“課程預期學習成果、課程目標（細化的預期學習成果）、教與學方式、評價方式”進行課程內容安排。

根據課程目標要求設置課內實驗名稱及基本要求，實驗類型（演示型、驗證型、設計型、綜合型）中大部分為設計型和綜合型實驗，如表2所示。

表2 實驗名稱及其基本要求

改革以往單一的閉卷筆試考試模式，采用1+X的評價方式，其中1表示期終考試（含上機考試）占比40%，X為平時多方面的表現評價，有課堂表現（X1）占20%、作業（X2）占20%、實驗（x3）占20%來進行綜合評價，最終評定課程成績。

2 課堂教學改革與改善歷程

課堂教學改革是課程改革實施的主戰場，需要對課堂教學進行周密教學設計，研究學生學習特點，科學利用BB網絡平臺、IOS9001國際質量標準以及信息化多媒體多元化教學手段，圍繞著OBE-CDIO工程能力理念實施教學，本節主要從整合教學內容、課堂教學實施方法和教學改善歷程三方面來進行。

2.1 整合教學內容

制訂好教學大綱，整合教學內容是首要步驟，由于“集成電路版圖分析與設計”課程沒有合適的教材，適用于我校應用型普通高等教育本科微電子科學與工程專業，因此，我們自編講義，以OBE-CDIO工程能力本位為理念，優化課程單元，將知識模塊設計成課程單元，同時，按照集成電路版圖設計流程組織課程單元，使課程內容線索明晰，同時便于組織教學和實施，便于學生在學習過程中自我檢驗和評估自身知識單元掌握情況，有針對性地解決重點、難點內容；在單元內容的選擇上以“十三五”普通高等教育本科集成電路版圖設計教材為基礎，通過企業調研，將模塊單元以項目式組織與教學，引入項目式特色案例，逐漸形成自身特點。集成電路版圖分析與設計理論環節極為重要，為了能夠有效地將集成電路知識和制造工藝結合起來，我們整合教學知識單元，在自編講義教材中很多地方都加入了器件剖面圖以幫助學生進行電學分析，同時，結合器件平面圖幫助學生分析制造工藝與版圖的相互關系，通過為器件建立剖面圖和平面圖有效地將電學參數分析與工藝效應有機地結合起來進行學習。

如表3所示，為單元3的半導體器件原理及版圖設計單元的教學內容。其中，知識點以布魯姆的認知教學目標分類（知道、理解、應用、分析、綜合、評價）設置教學目標要求，對每個知識單元所要達成的能力目標提出要求，同時也指出單元學習的難點。

表3 半導體器件原理及版圖設計單元

2.2 課堂教學實施方法

課堂教學實施是整個教學改革的關鍵，也是難點，要在有限的90分鐘里完成預定教學內容的多元化教學難度不小，以正態分布概率來考慮全班學生課堂學習效果的個體特點，我們的教學設計主要包含這樣的教學模式，BB平臺的利用、IOS9001質量標準的單元內容和信息化多媒體多元化教學手段，教學內容在教學學期開始前全部上BB網絡平臺，學生可以隨時上網訪問所需教學資料和相關內容；上海建橋學院2018年6月通過ISO9001質量管理體系驗證以來，“集成電路版圖分析與設計”課程注重課程內涵建設，以質量文化促進課堂教學質量，形成良好的課堂教育與學風教育，把質量價值觀落實到課程教學當中；借助信息化多媒體使課堂教學多元化，通過科學調動學生的眼、耳、腦、手和口的積極性有效地吸收課堂知識，將多種教學法運用到課堂：啟發式教學、理實一體化教學、項目式教學等教學方法，充分利用多媒體電子教室的虛擬桌面、屏幕廣播、學生演示、班級管理、投屏廣播與投影錄制等多重功能，引入線上、線下混合教學模式，有效實現與學生及時互動，能夠及時反饋學習中遇到的問題，解決了以往單一的教學模式。

2.3 教學改善歷程

“集成電路版圖分析與設計”課程在2001年微電子科學與工程專業創建之時就已經開始實施，而課程建設得以迅速發展則是從2014年開始，2014年上海市政府為電子技術實驗室設備更新提供185萬元的專項扶植資金，2015年項目建設完成，利用這筆資金我們完成了電子技術EDA實驗室的設備更新和軟件升級改造，為“集成電路版圖分析與設計”等課程教學、實驗和拓展實踐教學提供了升級設備和軟件，同時，通過校企合作，建立了從傳統0.6μm工藝、深亞微米0.18μm/0.13μm工藝到納米55 nm工藝的CMOS、MEM（存儲器）、RF（射頻）多套工藝庫。在課程建設過程中，2017年獲首批上海建橋學院重點課程建設項目建設，2019年獲上海市重點課程建設項目資助，成為微電子科學與工程專業重要專業方向課程，使該課程獲得卓有成效地發展。在每個教學實施學期結束后，我們都會形成“集成電路版圖分析與設計”教學改善歷程報告，對剛完成的教學實施情況進行分析總結，以便進行改進。

3 能力培養

課程改革的重點在于學生能力培養，以學生掌握目標知識和技能為目的，同時，能夠學有所用，能夠運用所學知識在企業中找到一席之地，發揮自己的所長。要實現這一目標，僅靠課堂教學來實現是不夠的，我們實施的辦法有三個，一是通過版圖綜合實訓來進一步進行系統地訓練，使學生能夠獲得工程版圖設計及驗證學習和實踐鍛煉，培養學生具有系統分析問題和解決問題的能力；二是，每學期開展集成電路設計及驗證第二拓展素質學分課堂，適時介紹并引入拓展知識，旨在拓展學生的知識面，提高認知度和應對綜合應用問題的能力；三是引導學生參加全國大學生集成電路創新創業大賽［5］，指導老師每年都為參賽學生舉辦集成電路競賽培訓班，激發學生創新意思，在2019年組建的“創新之星”隊首獲第三屆全國大學生集成電路創新大賽“創新實踐”杯華東賽區三等獎，有效地激發同學們的創新積極性。

4 課程思政在教學中的運用

“集成電路版圖分析與設計”課程教改建設是為了更好地為國民經濟建設服務，在課堂教學過程中，將課堂思政融入教學，培養學生的社會主義核心價值觀是教書育人的重要組成部分；集成電路設計產業事關國之重器，挖掘思政元素注重價值引領，激發學生創新創業意識、責任意識和工作作風［6］，將家國情懷、創新精神、科學思維方法、工程實踐、科學實踐、大國工匠精神、團結協作精神、做人道理、科技報國，使命擔當等思政元素有機地融入課程內，有效發揮了專業課程作為思政主渠道的作用。如表4為部分知識單元融入課程思政教學點的設計。

表4 知識單元與課程思政教學點設計

通過在課堂中生動地介紹思政元素人物及其事跡，使學生能夠有效理解對應章節內涵，對促進課堂教學效果明顯，有助于達成課程目標。

5 考核方式改革

改革單一的考試模式，以培養學生工程能力為目標的考核方式應該是科學化和多樣化的，綜合教學目標，我們制定了幾種評價方式，圍繞評價方式，制定考核方案，如表5所示為課程目標達成度中的評價方式，每個重要的教學環節都設置有評價，以便及時獲取學生學習效果反饋；學生課程考核成績評定采用1+X的評定方式進行，1為期末考試考核，包括筆試和上機操作考核（占比40%），X為平時評價考核（占比60%），分課堂表現評價、實驗和課后評價三部分，各占20%分值，全面考核學生的綜合能力和素質，其中，線上、線下表現都記錄在3個X評價中，形成多元化全方位的評價考核模式。

表5 課程目標達成度中的評價方式

6 結語

“集成電路版圖分析與設計”課程在OBE-CDIO教育理念的指引下，在課程教學目標的設計、課堂教學改革與改善歷程、能力培養、“課程思政”在教學中的運用和考核方式改革五個方面進行了有意義地教學改革和探索，做到課堂教學環節每堂課都有明確的知識單元，突出重點和難點；根據版圖設計特點，探索出課堂練習獨特操作方式，確?；局R點分解透徹、練習到位。

以掌握好理論知識和操作技能為出發點，結合思政指標，有機地在課堂上運用，從而實現以課程學習帶動創新意識培養；課外項目環節（拓展知識培訓，競賽項目，科技素質小組，創新創業項目）激發學生的創新意識、頭腦風暴、團結協作。在選題上關注國家、社會、民生問題，激發同學們為實現中國夢貢獻一份自己的力量，深化“專業”素質、“創新”精神、“工匠”精神和“責任”感，社會主義價值引領建設思路，同時，踐行了“感恩、回報、愛心、責任”的校訓。