集成电路实验教学PBL模式研究探索

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摘要：为了培养率集成电路技术人才，在集成电路实验教学中，提出采用pbl模式开展集成电路实验教学，以问题为导向，分析电路原理、综合CMOS工艺流程、完成集成电路设计任务。在集成电路实验教学实践中，根据教学目标制定问题，应用PBL模式使学生加深理解CMOS工艺和集成电路功能实现之间的联系，激发了学生的专业兴趣，提高了教学质量，具有良好的教学实践价值。

关键词：集成电路；PBL；实践教学；创新能力

引言

在电子信息化时代，集成电路已经广泛应用、并直接影响日常生活、生产制造、和军工国防，半导体集成电路已经成为社会发展的重要生产力之一，为此需要大力发展半导体集成电路工业，大力培育半导体集成电路技术人才。高校实验室是培养创新和实践能力重要基地，开展实践与创新相结合的实验教学，才能更多、更有效地培养满足社会急需的微电子技术人才[1]。集成电路是一种技术更新周期非常短的行业，教学中传统课程内容不符合实际工作需要，过多的偏重于数字系统和模拟电路设计理论[2]，缺乏综合性[3]，实践性内容较多、难度较大，对学生理论基础要求高，学生积极性不高[4]，达不到实际的教学效果。为此把问题导向教学模式（ProjectBasedLearning，PBL）引入集成电路实验教学，开展实验教学探索，用问题引导学生将集成电路工艺和半导体器件的集成电路版图设计结合起来，提高实验教学质量，实践证明，采用PBL模式开展集成电路实验教学，引导学生理论联系实践，培养了学生的创新能力，具有良好的教学实践意义。

1PBL教学模式

PBL是让学生以小组的形式，自发地解决课程学习中的实际问题以及问题背后的科学真理，将学习过程置身于解决复杂问题的情景中，从而调动学生的主观能动性[5]。PBL有三大基本要素：问题情境、学生和教师。首先从问题出发，问题情境是课程的组织核心，学生根据这一个问题情境，分析，寻找解决问题的最优方法，理解问题在现实中的意义；学生是问题的求解者，学生经过思考，在老师的指导下，通过小组合作，确定问题如何解决，通过这种途径的学习，把新旧知识整合；教师是学生的解决问题的伙伴和指导者，在学生碰到困难时，进行解疑答惑，为学生解决问题营造良好的学习环境和氛围[6]。在集成电路实验教学过程中，由于集成电路加工设备非常昂贵，加工周期很长，在实验教学中无法实现，为此在实验教学中需要完成的教学目标是：学生根据CMOS工艺要求设计集成电路，而且设计的集成电路必须符合CMOS工艺流程和设计规则。在这个情景问题中，学生把CMOS工艺每一个步骤的具体内容、CMOS工艺流程、电路原理、电路功能的学习内容综合起来，才能让设计的集成电路在加工完成后实现预期的功能。

2PBL教学模式在集成电路实验教学中的实施

2.1课程设计和实施

PBL模式是帮助学生把理论转化为技能和实践经验的教学模式，根据教学大纲的要求来建立实验教学的教学目标，在集成电路实验教学中完成反相器设计的教学内容、安排合适的问题情景，如图1所示。在图1中，教师安排问题情景时，要安排CMOS工艺及其流程的介绍，安排实验需要完成的任务是根据反相器的电路图设计反相器的集成电路。根据CMOS工艺需要完成6个图层的设计任务，包括N图层设计、P图层设计、有源层图层设计、多晶硅图层设计、接触图层设计、金属图层设计。利用L-edit软件设计集成电路，并接受设计规则的检查。设计结果既要符合CMOS工艺流程，又要达到设计要求，才能通过软件检查，制作出反相器集成电路。这些内容贯穿整个实验，组成了关于集成电路设计的完整实验任务。如图2所示。在图2中，学生从情景问题的实验任务开始，分析反相器的工作原理理论，一步一步设计绘制版图，首先是PMOS，然后是NMOS，然后连接成为反相器。完成后开始检查绘制的版图是否符合CMOS工艺，如果不符合，就需要重新开始分析原理图，修改并绘制PMOS、NMOS，重新连接版图；如果符合CMOS工艺，就检查是否符合反相器的工作原理，如果不符合，也需要重新开始分析原理图，修改并绘制PMOS、NMOS，重新连接版图；如果符合反相器的工作原理，就完成了设计任务。

2.2实施的目标和原则

在这个PBL模式的实验教学中，要求学生会设计出功能良好的集成电路，在2人一组的设计团队中，培养学生实际分析、解决问题的能力、团队协作能力和创新能力。PBL模式的集成电路实验教学过程中的问题情景要配合实验教学内容，为实现教学大纲的培养目标服务，在实验课的时间上设立轻松、宽裕的环境，引导学生参与课堂教学，联系理论和实践，激发学生的兴趣，在团队协作的同时，能够各自独立完成自己的实验任务。

2.3实施的效果和注意事项

在电子信息工程专业2016级和2017级学生的教学过程中，实践效果良好，具体体现在：（1）促进学生主动学习。在设计的情景问题中，学生积极查找相关的理论和资料，主动设想和实施自己的实验步骤，才能完成实验任务，体现了学生为主、老师引导的教学特点。（2）提高学生的实践经验。在情景问题中，学生理论联系实践，需要尝试自己的实验方式，验证结果，修改错误，取得成功，极大地增强了学生的实践自信。（3）加深实验理解、明确实验目标。通过情景问题，学生主动分析问题、解决问题，明确实验任务，最后理解实验目标，教学目标贯穿在每个具体的实验步骤，帮助学生理解实验内容。PBL模式在集成电路实验教学中取得很好的教学效果，但是在实施中还需要注意：（1）老师提供及时的答疑解惑。学生的积极性起初很高，但是遇到困难会消极，这时需要老师积极提供帮助，理论上的指导、精神上的鼓励都可以帮助学生克服困难，完成实验任务。（2）把握实验内容的深度。对于集成电路实验内容，在学生主动创新的范围内，还要符合学生的理解程度和能力水平，如果因为实验难度太大而长时间无法完成，最终会影响教学效果，打击学生的积极性。因此需要根据实际情况，调整教学内容和情景问题，实现学生有收获、教学有效果。

3结语

发挥高校服务社会经济发展的功能，服务地方社会经济发展，已成为普通高等院校的大学生教育的基本出发点，培养具有创新精神的应用型人才是现阶段各普通高等院校对本科生的基本目标[7]。高校服务社会经济发展，就需要培养具有创新实践能力的集成电路应用型人才。本文提出的PBL教学模式开展集成电路实验教学，设计教学过程，建立情景问题，引导学生主动分析问题、解决问题，基于CMOS工艺完成集成电路设计，使学生深入探索CMOS工艺和集成电路原理之间的关系，激发学生的创新能力和专业兴趣，加深学生对集成电路的设计和制造的理解，为培养学生在集成电路的实践和科研工作能力奠定良好的基础，取得良好的教学效果。

参考文献

[1]李建军,王姝娅,张国俊,等.微电子实验室建设的探索与实践[J].实验室技术与管理,2015,32（6）:239-242.

[2]余逸男.集成电路设计课程实验教学优化探讨[J].电子制作,2016,24:26.

[3]康海燕,冯晓丽,蔡觉平.数字集成电路实验教学改革与实践[J].高教学刊,2019,12,141-143.

[4]徐慧芳,程明,于玉亭.基于OBE理念的“集成电路CAD“教学改革探索[J].上饶师范学院学报,2018,38（3）:41-45.

[5]蔡晓娜,杨沛,雷国勤,等.PBL教学法对国内临床检验教学效果影响的meta分析[J].国际检验医学杂志,2019,40（23）:2877-2882.

[6]严良达.PBL教学模式在程序设计类课程中的实践[J].福建电脑,2019,35（2）:142-143.

[7]殷树娟.基于MOS工艺的单级运算放大器实验教学改革[J].实验室研究与探索,2015,34（4）:152-155.

作者：陈宏 郭清 刘立 杨树 邓焰 单位：浙江大学电气工程学院