集成電路實驗教學(xué)PBL模式研究探索

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摘要：為了培養(yǎng)率集成電路技術(shù)人才，在集成電路實驗教學(xué)中，提出采用pbl模式開展集成電路實驗教學(xué)，以問題為導(dǎo)向，分析電路原理、綜合CMOS工藝流程、完成集成電路設(shè)計任務(wù)。在集成電路實驗教學(xué)實踐中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)制定問題，應(yīng)用PBL模式使學(xué)生加深理解CMOS工藝和集成電路功能實現(xiàn)之間的聯(lián)系，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量，具有良好的教學(xué)實踐價值。

關(guān)鍵詞：集成電路；PBL；實踐教學(xué)；創(chuàng)新能力

引言

在電子信息化時代，集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用、并直接影響日常生活、生產(chǎn)制造、和軍工國防，半導(dǎo)體集成電路已經(jīng)成為社會發(fā)展的重要生產(chǎn)力之一，為此需要大力發(fā)展半導(dǎo)體集成電路工業(yè)，大力培育半導(dǎo)體集成電路技術(shù)人才。高校實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力重要基地，開展實踐與創(chuàng)新相結(jié)合的實驗教學(xué)，才能更多、更有效地培養(yǎng)滿足社會急需的微電子技術(shù)人才[1]。集成電路是一種技術(shù)更新周期非常短的行業(yè)，教學(xué)中傳統(tǒng)課程內(nèi)容不符合實際工作需要，過多的偏重于數(shù)字系統(tǒng)和模擬電路設(shè)計理論[2]，缺乏綜合性[3]，實踐性內(nèi)容較多、難度較大，對學(xué)生理論基礎(chǔ)要求高，學(xué)生積極性不高[4]，達(dá)不到實際的教學(xué)效果。為此把問題導(dǎo)向教學(xué)模式（ProjectBasedLearning，PBL）引入集成電路實驗教學(xué)，開展實驗教學(xué)探索，用問題引導(dǎo)學(xué)生將集成電路工藝和半導(dǎo)體器件的集成電路版圖設(shè)計結(jié)合起來，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，實踐證明，采用PBL模式開展集成電路實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實踐，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，具有良好的教學(xué)實踐意義。

1PBL教學(xué)模式

PBL是讓學(xué)生以小組的形式，自發(fā)地解決課程學(xué)習(xí)中的實際問題以及問題背后的科學(xué)真理，將學(xué)習(xí)過程置身于解決復(fù)雜問題的情景中，從而調(diào)動學(xué)生的主觀能動性[5]。PBL有三大基本要素：問題情境、學(xué)生和教師。首先從問題出發(fā)，問題情境是課程的組織核心，學(xué)生根據(jù)這一個問題情境，分析，尋找解決問題的最優(yōu)方法，理解問題在現(xiàn)實中的意義；學(xué)生是問題的求解者，學(xué)生經(jīng)過思考，在老師的指導(dǎo)下，通過小組合作，確定問題如何解決，通過這種途徑的學(xué)習(xí)，把新舊知識整合；教師是學(xué)生的解決問題的伙伴和指導(dǎo)者，在學(xué)生碰到困難時，進(jìn)行解疑答惑，為學(xué)生解決問題營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍[6]。在集成電路實驗教學(xué)過程中，由于集成電路加工設(shè)備非常昂貴，加工周期很長，在實驗教學(xué)中無法實現(xiàn)，為此在實驗教學(xué)中需要完成的教學(xué)目標(biāo)是：學(xué)生根據(jù)CMOS工藝要求設(shè)計集成電路，而且設(shè)計的集成電路必須符合CMOS工藝流程和設(shè)計規(guī)則。在這個情景問題中，學(xué)生把CMOS工藝每一個步驟的具體內(nèi)容、CMOS工藝流程、電路原理、電路功能的學(xué)習(xí)內(nèi)容綜合起來，才能讓設(shè)計的集成電路在加工完成后實現(xiàn)預(yù)期的功能。

2PBL教學(xué)模式在集成電路實驗教學(xué)中的實施

2.1課程設(shè)計和實施

PBL模式是幫助學(xué)生把理論轉(zhuǎn)化為技能和實踐經(jīng)驗的教學(xué)模式，根據(jù)教學(xué)大綱的要求來建立實驗教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，在集成電路實驗教學(xué)中完成反相器設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容、安排合適的問題情景，如圖1所示。在圖1中，教師安排問題情景時，要安排CMOS工藝及其流程的介紹，安排實驗需要完成的任務(wù)是根據(jù)反相器的電路圖設(shè)計反相器的集成電路。根據(jù)CMOS工藝需要完成6個圖層的設(shè)計任務(wù)，包括N圖層設(shè)計、P圖層設(shè)計、有源層圖層設(shè)計、多晶硅圖層設(shè)計、接觸圖層設(shè)計、金屬圖層設(shè)計。利用L-edit軟件設(shè)計集成電路，并接受設(shè)計規(guī)則的檢查。設(shè)計結(jié)果既要符合CMOS工藝流程，又要達(dá)到設(shè)計要求，才能通過軟件檢查，制作出反相器集成電路。這些內(nèi)容貫穿整個實驗，組成了關(guān)于集成電路設(shè)計的完整實驗任務(wù)。如圖2所示。在圖2中，學(xué)生從情景問題的實驗任務(wù)開始，分析反相器的工作原理理論，一步一步設(shè)計繪制版圖，首先是PMOS，然后是NMOS，然后連接成為反相器。完成后開始檢查繪制的版圖是否符合CMOS工藝，如果不符合，就需要重新開始分析原理圖，修改并繪制PMOS、NMOS，重新連接版圖；如果符合CMOS工藝，就檢查是否符合反相器的工作原理，如果不符合，也需要重新開始分析原理圖，修改并繪制PMOS、NMOS，重新連接版圖；如果符合反相器的工作原理，就完成了設(shè)計任務(wù)。

2.2實施的目標(biāo)和原則

在這個PBL模式的實驗教學(xué)中，要求學(xué)生會設(shè)計出功能良好的集成電路，在2人一組的設(shè)計團隊中，培養(yǎng)學(xué)生實際分析、解決問題的能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。PBL模式的集成電路實驗教學(xué)過程中的問題情景要配合實驗教學(xué)內(nèi)容，為實現(xiàn)教學(xué)大綱的培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù)，在實驗課的時間上設(shè)立輕松、寬裕的環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生參與課堂教學(xué)，聯(lián)系理論和實踐，激發(fā)學(xué)生的興趣，在團隊協(xié)作的同時，能夠各自獨立完成自己的實驗任務(wù)。

2.3實施的效果和注意事項

在電子信息工程專業(yè)2016級和2017級學(xué)生的教學(xué)過程中，實踐效果良好，具體體現(xiàn)在：（1）促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。在設(shè)計的情景問題中，學(xué)生積極查找相關(guān)的理論和資料，主動設(shè)想和實施自己的實驗步驟，才能完成實驗任務(wù)，體現(xiàn)了學(xué)生為主、老師引導(dǎo)的教學(xué)特點。（2）提高學(xué)生的實踐經(jīng)驗。在情景問題中，學(xué)生理論聯(lián)系實踐，需要嘗試自己的實驗方式，驗證結(jié)果，修改錯誤，取得成功，極大地增強了學(xué)生的實踐自信。（3）加深實驗理解、明確實驗?zāi)繕?biāo)。通過情景問題，學(xué)生主動分析問題、解決問題，明確實驗任務(wù)，最后理解實驗?zāi)繕?biāo)，教學(xué)目標(biāo)貫穿在每個具體的實驗步驟，幫助學(xué)生理解實驗內(nèi)容。PBL模式在集成電路實驗教學(xué)中取得很好的教學(xué)效果，但是在實施中還需要注意：（1）老師提供及時的答疑解惑。學(xué)生的積極性起初很高，但是遇到困難會消極，這時需要老師積極提供幫助，理論上的指導(dǎo)、精神上的鼓勵都可以幫助學(xué)生克服困難，完成實驗任務(wù)。（2）把握實驗內(nèi)容的深度。對于集成電路實驗內(nèi)容，在學(xué)生主動創(chuàng)新的范圍內(nèi)，還要符合學(xué)生的理解程度和能力水平，如果因為實驗難度太大而長時間無法完成，最終會影響教學(xué)效果，打擊學(xué)生的積極性。因此需要根據(jù)實際情況，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和情景問題，實現(xiàn)學(xué)生有收獲、教學(xué)有效果。

3結(jié)語

發(fā)揮高校服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展的功能，服務(wù)地方社會經(jīng)濟發(fā)展，已成為普通高等院校的大學(xué)生教育的基本出發(fā)點，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才是現(xiàn)階段各普通高等院校對本科生的基本目標(biāo)[7]。高校服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展，就需要培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的集成電路應(yīng)用型人才。本文提出的PBL教學(xué)模式開展集成電路實驗教學(xué)，設(shè)計教學(xué)過程，建立情景問題，引導(dǎo)學(xué)生主動分析問題、解決問題，基于CMOS工藝完成集成電路設(shè)計，使學(xué)生深入探索CMOS工藝和集成電路原理之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)興趣，加深學(xué)生對集成電路的設(shè)計和制造的理解，為培養(yǎng)學(xué)生在集成電路的實踐和科研工作能力奠定良好的基礎(chǔ)，取得良好的教學(xué)效果。

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作者：陳宏 郭清 劉立 楊樹 鄧焰 單位：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院