集成電路實驗教學PBL模式研究探索

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摘要：為了培養率集成電路技術人才，在集成電路實驗教學中，提出采用pbl模式開展集成電路實驗教學，以問題為導向，分析電路原理、綜合CMOS工藝流程、完成集成電路設計任務。在集成電路實驗教學實踐中，根據教學目標制定問題，應用PBL模式使學生加深理解CMOS工藝和集成電路功能實現之間的聯系，激發了學生的專業興趣，提高了教學質量，具有良好的教學實踐價值。

關鍵詞：集成電路；PBL；實踐教學；創新能力

引言

在電子信息化時代，集成電路已經廣泛應用、并直接影響日常生活、生產制造、和軍工國防，半導體集成電路已經成為社會發展的重要生產力之一，為此需要大力發展半導體集成電路工業，大力培育半導體集成電路技術人才。高校實驗室是培養創新和實踐能力重要基地，開展實踐與創新相結合的實驗教學，才能更多、更有效地培養滿足社會急需的微電子技術人才[1]。集成電路是一種技術更新周期非常短的行業，教學中傳統課程內容不符合實際工作需要，過多的偏重于數字系統和模擬電路設計理論[2]，缺乏綜合性[3]，實踐性內容較多、難度較大，對學生理論基礎要求高，學生積極性不高[4]，達不到實際的教學效果。為此把問題導向教學模式（ProjectBasedLearning，PBL）引入集成電路實驗教學，開展實驗教學探索，用問題引導學生將集成電路工藝和半導體器件的集成電路版圖設計結合起來，提高實驗教學質量，實踐證明，采用PBL模式開展集成電路實驗教學，引導學生理論聯系實踐，培養了學生的創新能力，具有良好的教學實踐意義。

1PBL教學模式

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

2PBL教學模式在集成電路實驗教學中的實施

2.1課程設計和實施

PBL模式是幫助學生把理論轉化為技能和實踐經驗的教學模式，根據教學大綱的要求來建立實驗教學的教學目標，在集成電路實驗教學中完成反相器設計的教學內容、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是根據反相器的電路圖設計反相器的集成電路。根據CMOS工藝需要完成6個圖層的設計任務，包括N圖層設計、P圖層設計、有源層圖層設計、多晶硅圖層設計、接觸圖層設計、金屬圖層設計。利用L-edit軟件設計集成電路，并接受設計規則的檢查。設計結果既要符合CMOS工藝流程，又要達到設計要求，才能通過軟件檢查，制作出反相器集成電路。這些內容貫穿整個實驗，組成了關于集成電路設計的完整實驗任務。如圖2所示。在圖2中，學生從情景問題的實驗任務開始，分析反相器的工作原理理論，一步一步設計繪制版圖，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，就完成了設計任務。

2.2實施的目標和原則

在這個PBL模式的實驗教學中，要求學生會設計出功能良好的集成電路，在2人一組的設計團隊中，培養學生實際分析、解決問題的能力、團隊協作能力和創新能力。PBL模式的集成電路實驗教學過程中的問題情景要配合實驗教學內容，為實現教學大綱的培養目標服務，在實驗課的時間上設立輕松、寬裕的環境，引導學生參與課堂教學，聯系理論和實踐，激發學生的興趣，在團隊協作的同時，能夠各自獨立完成自己的實驗任務。

2.3實施的效果和注意事項

在電子信息工程專業2016級和2017級學生的教學過程中，實踐效果良好，具體體現在：（1）促進學生主動學習。在設計的情景問題中，學生積極查找相關的理論和資料，主動設想和實施自己的實驗步驟，才能完成實驗任務，體現了學生為主、老師引導的教學特點。（2）提高學生的實踐經驗。在情景問題中，學生理論聯系實踐，需要嘗試自己的實驗方式，驗證結果，修改錯誤，取得成功，極大地增強了學生的實踐自信。（3）加深實驗理解、明確實驗目標。通過情景問題，學生主動分析問題、解決問題，明確實驗任務，最后理解實驗目標，教學目標貫穿在每個具體的實驗步驟，幫助學生理解實驗內容。PBL模式在集成電路實驗教學中取得很好的教學效果，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、精神上的鼓勵都可以幫助學生克服困難，完成實驗任務。（2）把握實驗內容的深度。對于集成電路實驗內容，在學生主動創新的范圍內，還要符合學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，最終會影響教學效果，打擊學生的積極性。因此需要根據實際情況，調整教學內容和情景問題，實現學生有收獲、教學有效果。

3結語

發揮高校服務社會經濟發展的功能，服務地方社會經濟發展，已成為普通高等院校的大學生教育的基本出發點，培養具有創新精神的應用型人才是現階段各普通高等院校對本科生的基本目標[7]。高校服務社會經濟發展，就需要培養具有創新實踐能力的集成電路應用型人才。本文提出的PBL教學模式開展集成電路實驗教學，設計教學過程，建立情景問題，引導學生主動分析問題、解決問題，基于CMOS工藝完成集成電路設計，使學生深入探索CMOS工藝和集成電路原理之間的關系，激發學生的創新能力和專業興趣，加深學生對集成電路的設計和制造的理解，為培養學生在集成電路的實踐和科研工作能力奠定良好的基礎，取得良好的教學效果。

參考文獻

[1]李建軍,王姝婭,張國俊,等.微電子實驗室建設的探索與實踐[J].實驗室技術與管理,2015,32（6）:239-242.

[2]余逸男.集成電路設計課程實驗教學優化探討[J].電子制作,2016,24:26.

[3]康海燕,馮曉麗,蔡覺平.數字集成電路實驗教學改革與實踐[J].高教學刊,2019,12,141-143.

[4]徐慧芳,程明,于玉亭.基于OBE理念的“集成電路CAD“教學改革探索[J].上饒師范學院學報,2018,38（3）:41-45.

[5]蔡曉娜,楊沛,雷國勤,等.PBL教學法對國內臨床檢驗教學效果影響的meta分析[J].國際檢驗醫學雜志,2019,40（23）:2877-2882.

[6]嚴良達.PBL教學模式在程序設計類課程中的實踐[J].福建電腦,2019,35（2）:142-143.

[7]殷樹娟.基于MOS工藝的單級運算放大器實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2015,34（4）:152-155.

作者：陳宏 郭清 劉立 楊樹 鄧焰 單位：浙江大學電氣工程學院