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摘要：文章首先阐述了基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化原则，然后从明确教学目标、优化实践教学内容、优化教学方法、优化教学评价方式四个方面论述了基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化策略，最后总结了基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化成效。
关键词：IC设计类专业；实践教学体系；项目学习
IC（Integrated Circuit，集成电路）是半导体产业的核心，也是电子信息产业的基石。随着我国从制造大国向制造强国的转变，IC产业迎来了快速发展的机遇，但高素质IC工程人才的缺乏成为IC产业发展的制约因素之一[1-3]。培养具有实践经验和创新能力的高素质IC工程人才既是高等教育的责任，也是高等教育面临的机遇，故越来越多的高校根据现实需求新设了IC设计类专业。IC设计类专业高度重视学生工程实践能力的培养，而实践教学体系的优化是助力学生工程实践能力培养的重要内容。项目学习作为一种以学生为中心的实践教学模式，在实践教学体系的优化方面具有显著优势。因此，基于项目学习对IC设计类专业实践教学体系进行优化探索，对于专业发展具有重要的理论和实践意义。
一、相关背景
在国内，IC设计类专业作为新工科专业，是很多高校的新设系列专业。随着专业建设的推进，IC设计类专业的实践教学正在不断发展，但也存在一些问题。根据文献[4-10]总结，这些问题主要涉及以下三个方面。第一，实践教学条件不充分，脱离IC产业真实场景。IC设计类专业发展迅速，新技术、新方法不断涌现，但现有实践教学条件不充分，往往难以跟上这种快速变化，且脱离IC产业真实场景。例如，有些实验平台和工具已经过时，不能满足当前实践教学的需求，或者设施设备与IC产业的实际存在差距，导致学生在实践中缺乏实际感和创新意识。
第二，实践教学内容不够全面和系统，编排规律性不强。IC设计类专业的知识结构较为复杂，涉及的技术细节也较多，导致现有实践教学内容不够全面和系统，因此需要对其内容进行系统的梳理和整合，避免出现知识点遗漏和重复的现象。例如，实践教学内容只涉及IC设计的某一阶段或某一方面，没有覆盖IC设计的全流程或各方面，导致学生对IC设计的整体认识不足。同时，IC设计类专业没有按照从基础到高级的逻辑顺序，把知识技能按层次串联起来，导致内容编排规律性不强，出现前后颠倒和脱节的现象。例如，有些实践教学内容没有与理论教学内容相对应，或者没有按照IC设计的实际步骤进行安排，导致学生在实践中缺乏目标，难以形成完整的知识框架。
第三，实践教学方法不够灵活，缺乏多样性和趣味性。传统的实践教学方法不够灵活，往往只注重课堂实验，偏重基本知识与技能的传授，而忽视了学生的课外实践，且缺乏多样性和趣味性。例如，有些实践教学方法过于单一和固定，没有给学生提供足够的选择机会，或者没有与学生的兴趣和需求相结合，导致学生在实践中缺乏主动性和参与感。
据上所述，IC设计类专业实践教学仍需不断优化和完善。而结合项目学习对IC设计类专业实践教学体系进行优化，创新教学理念和方法，能够大幅度提高实践教学质量。通过项目学习的实施，不仅可以丰富实践教学内容，还能更有效地安排教学活动，确保学生能够在真实的项目中做到学以致用，进而培养出更多优秀的IC设计人才，满足社会和行业的需求。
二、基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化原则
项目学习是一种研究性实践教学模式[11-12]，即以项目为核心，以学生为主体，以教师为指导，以合作为方式，以成果为展示。它强调学生在教师的引导下，围绕一个具有挑战性和价值的项目，进行自主探究、协同合作、展示交流和反思评价，其能够使学生在项目实施中获得知识、提升能力和培养素养。笔者认为，项目学习是以学生的主动参与为前提，以学生的实践经验为基础，以学生的能力提升为结果的实践教学模式，非常便于开展课堂内外相结合的实践教学，也有助于解决实践教学中存在的问题。下面基于项目学习，对IC设计类专业实践教学体系优化原则加以阐述。
（一）完备性和精确性相结合
IC设计类专业实践教学既要求完备性，也要求精确性。完备性是指实践教学要涵盖从基础到高级各个层级的实践能力培养，不遗漏任何重要的环节，从而提高学生的综合能力。为了实现完备性，需要建立一个全面、系统的实践教学体系，给学生提供丰富、多样的实践机会和学习项目，让学生在完备的实践教学体系中学习和成长。只有这样，才能培养出具有实践能力和创新精神的IC设计人才。精确性是指实践教学的学习项目设计要有明确的目标，与目标密切相关的内容，高效的设计工具和方法，以及能准确反映学习质量的评估方式。IC设计类专业的知识结构涉及多学科交叉综合，学生的学习日程安排非常紧张，因此精确性尤其重要，它能够避免重复性和冗余性的训练内容，减轻学生的学习负担，提高学生的学习效率和学习成果。概言之，完备性和精确性相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化的基本原则之一。
（二）基础性和挑战性相结合
IC设计类专业实践教学既要培养学生不同层次的知识与技能，还要本着因材施教的理念，兼顾学生专业背景和能力水平的差异，因此实践教学需要兼顾基础性与挑战性，提供不同层次的设计项目，以满足多样化的培养目标和需求。例如，通信、计算机和物联网等相近专业的学生可以选择少学时的基础实践课程，学习基础设计模块；而电子信息技术、微电子和IC设计与集成系统等电子专业的学生则需要在掌握基础实践项目的基础上，进一步选择更高级的专业设计项目。对于那些在电子专业领域知识背景扎实、学有余力的学生，还可以选择一些具有创新性和挑战性的开放性设计项目。因此，基础性和挑战性相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化的基本原则之一。
（三）顺序性和渐进性相结合
IC设计类专业实践教学的学习项目要按照顺序性和渐进性的原则进行编排，使学生能够从简单到复杂、从基础到高级，逐步提升自己的实践能力。顺序性是指学习项目要遵循知识结构和能力要求的逻辑顺序，将相关性强的设计项目有机地串联起来，形成一个完整的项目学习过程。渐进性是指学习项目要逐步增加难度和复杂性，让学生先掌握基础的设计模块，再完成进阶的设计项目，最终能够完成复杂的系统级IC设计项目。通过顺序性和渐进性的结构优化，可以帮助学生夯实基础实践能力，有效地发展和提升进阶实践能力，最终成为具有创新精神的IC设计人才。因此，顺序性和渐进性相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化的基本原则之一。
（四）先进性与贴近真实性相结合
IC设计类专业实践教学要注重先进性与贴近真实性相结合，以培养出符合产业需求的高素质人才。先进性是指学习项目应紧跟技术工艺的发展，将业界最新理念、最新进展和最新工具等引入实践教学，让学生了解和掌握最前沿的IC设计知识和技能。真实性是指学习项目应注重贴近真实产业环境，尽可能模拟实际的生产环境和项目流程，让学生体验和解决实际的设计问题和挑战。为了实现先进性与贴近真实性相结合，可以通过产学研相结合的方式，将产业和科研中的真实设计项目引入实践教学，让学生在实践中学习和创新。因此，先进性与贴近真实性相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化的基本原则之一。
（五）集中学习与自主学习相结合
由于IC设计类专业知识复杂且开放，学生在初学阶段往往难以独立开展项目设计。同时，由于课程学时紧张，单纯依靠课堂教学无法满足学生的实践需求。因此，实践教学应该采用集中学习与自主学习相结合的方式，兼顾基础教学和拓展教学。集中学习是指在实践课堂上，教师通过面对面交流与互动，传授IC设计的基本流程和方法、常用工具和平台等基础知识与技能，以便帮助学生掌握IC设计的核心思想和原理。自主学习是指在课堂外，教师通过提供更多的自我学习实践的机会，激发学生的自主学习和实践探究的动机，培养他们独立思考和终身学习的能力。因此，集中学习与自主学习相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化的基本原则之一。
（六）过程考核与成果考核相结合
为了全面评估学生的工程实践能力，不仅需要考查他们的最终成果，更应关注他们在整个项目过程中的表现。传统的评价体系往往重视设计结果和实验报告等成果性考核，这样的考核无法准确反映学生的真实能力。因此，在基于项目学习的IC设计类专业实践教学中，应将过程考核与成果考核相结合。这种考核方法对从收集资料、制定方案、执行设计到最终产出的每一个环节都进行评估，从而提升评价的可操作性、客观性和全面性。此外，将学生在课外进行的创新性和竞争性设计项目纳入评估范围，可以进一步激发他们的积极性和主动性，全方位地展现学生的实践能力和创新精神。这样的评估体系不仅能更准确地诊断教学中的问题，还能持续优化实践教学体系，为学生未来的工程实践打下坚实的基础。因此，过程考核与成果考核相结合，是IC设计类专业实践教学体系优化不可或缺的一个原则。
三、基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化
根据前文所述的基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化原则，烟台大学物理与电子信息技术学院（以下简称“学院”）以学生为中心，以能力培养为导向，以学习项目为驱动，从四个方面对实践教学体系进行了优化。
第一，明确教学目标。明确的教学目标对于培养学生的能力和素质至关重要，具体可围绕工程能力培养这一核心，制定明确的阶段性教学目标。①知识与技能目标：确定学生需要掌握的基本知识与技能；②实践能力目标：培养学生的实际操作能力，使其能够独立完成IC设计项目；③创新能力目标：培养学生的创新思维，使其能够解决实际工程问题；④综合素质目标，培养学生的综合实践能力、设计开发能力和岗位能力。
第二，优化实践教学内容。教学内容是实践教学体系的关键，为了支撑教学目标，需要确保教学内容的科学性、层次性和系统性。基于项目学习的IC设计类专业实践教学内容是由学习项目承载的，与优化后的阶段性教学目标相对应，采用四级项目体系对教学内容进行优化，构建从通用基础、模拟IC设计、数字IC设计到混合IC设计的四级学习项目，覆盖不同阶段的能力培养需求。
第三，优化教学方法。采用项目驱动式教学法，将学习项目作为主线，让学生在完成项目的过程中逐步掌握IC设计的基础知识和核心技能。此外，还可采用混合式教学法，将课堂内外、线上与线下相结合，为学生提供灵活的指导和支持，并根据学生的学习需求和进展，调整教学策略和支持方式。同时，鼓励学生主动探索和实践挑战性学习项目，培养其自主学习能力和创新意识。
第四，优化教学评价方式。基于项目学习的实践教学是过程与结果并重的教学模式，采用形成性评价和成果性评价相结合的多元化评价方式，既有利于全面评价学生的能力达成情况，也有利于评价结果的反馈，及时发现和纠正教学中的问题，进而促进教学效果持续改进和提高。
学院根据上述实践教学体系优化方案，对本院集成电路设计与集成系统专业的实践教学体系进行了优化，下面从通用基础、模拟IC设计、数字IC设计和混合IC设计四个层面介绍实践教学体系优化结果。
第一，通用基础层面。通用基础层面的实践教学目标是培养学生在IC设计方面的基本知识与基本技能，具体来说，要让学生熟练掌握MOS器件的结构、原理及MOS器件的互联和扩展。因此，本层面实践教学的教学内容是IC设计的核心和基础要点。优化后的课程体系包含四个学习项目，学生将学习如何设计不同工艺尺寸下的MOS器件，使用EDA工具绘制电路原理图和器件IC版图，并提取参数分析器件的电性能。此外，学生还将学习如何利用CMOS器件的互补特性，设计反相器，并将反相器互连成环形振荡器，从而掌握从器件级到部件级设计的转换方法。本层面学习项目要紧密结合最新的微电子工艺，遵循先进性与贴近真实性相结合的原则。学生将使用最新设计工具和先进工艺参数对设计版图进行优化，如缩短栅极长度、减少扩散区面积、缩小反相器间距等，以提升振荡频率等器件性能。本层面的学习项目为必修基础项目，要求对学生参与设计的过程和产出的结果进行全面考核。同时，还可以组织学有余力的学生在课余时间开展设计竞赛，以激励他们获得最优设计参数和操作性能。
第二，模拟IC设计层面。模拟IC设计层面的实践教学目标是培养学生熟练掌握模拟电路IC设计的实际操作技能。本层面的学习项目被设定为专业基础项目，要求IC设计类专业的学生必修，相近专业的学生根据自己的知识结构和学习能力选修。本部分的核心教学内容是放大电路的IC设计和优化，学习项目围绕放大电路IC设计开展。学习项目1是推挽放大器设计，学生需要根据CMOS放大电路的工作原理，绘制推挽放大器的原理图，并在给定的工艺参数下生成IC版图。学生还要对设计结果进行仿真分析，评估其工作电压范围、截止频率、直流损耗等性能指标，并根据最新的工艺要求，对器件尺寸和晶圆面积进行优化。项目2是功率放大器设计，学生在完成项目1的基础上，挑战更高难度的设计任务，即设计一个适用于处理器的功率放大器，满足更高的性能要求和更严格的设计约束。
第三，数字IC设计层面。数字IC设计层面的实践教学目标是培养学生具备数字电路IC设计的实践能力，通过本层次学习项目的学习，学生要掌握数字IC的基本概念、设计原理、设计工具和设计流程，逐步提高设计能力，进而解决深层次问题。本层次的教学内容被设定为IC设计类专业的必修内容。数字IC设计的学习项目以逻辑门设计为核心，在优化教学内容时，要充分考虑学习项目之间的层次性和顺序性，把数字IC的基本单元、基本逻辑门、组合逻辑门与时序逻辑门等按照渐进性原则进行编排。项目1 CMOS反相器互联驱动传输线是反相器传输线的电路分析和基础应用设计，要求学生根据讲义指南，用CMOS反相器构建长传输线，并进行模拟仿真，观察传输线效应对信号质量和传输延迟的影响，理解其原理。项目2基本逻辑门电路设计是更复杂数字电路IC设计的基础内容，是要求学生重点完成的设计项目。通过这两个项目，学生可以获得逻辑门的设计经验，串联和并联场效应管对逻辑门性能影响的实践经验。项目3和项目4是组合和时序逻辑电路的版图设计，是承上启下的重要内容，要求学生运用一种结构化的基于反相器单元的设计方法，绘制电路原理图，进而生成IC版图，并进行DRC检查和效能仿真。学生要在器件尺寸、版图区域和性能方面做出合理的选择和平衡。项目4的具体任务是在项目3的基础上，绘制1Bit反相动态寄存器单元的版图，然后利用自动生成功能，生成一个4Bit动态寄存器的版图。完成这部分学习项目的教学，学生就具有了部件级数字电路IC设计的能力和经验，能够根据实际工程问题进行分析和设计，从而进行更大规模、更深层次的IC设计。
第四，混合IC设计层面。混合IC设计层面的实践教学目标是提高学生在IC设计方面的综合素质，使其具备较复杂的微处理器级和系统级IC设计经验及独立处理实际工程问题的能力。本部分的教学内容是两个综合性的高难度的系统级IC设计项目，即运算器（Arithmetic logic unit，ALU）设计和SoC芯片设计。学生要按照基于单元的分层设计法，将不同单元进行系统集成，设计出电路原理图，并进行前仿真验证，通过模拟验证其功能，然后生成Verilog描述，并用版图设计软件的编译功能，在指定的工艺条件下，生成IC版图，执行DRC，最后用SPICE进行后仿真和优化，完成较复杂IC的完整设计流程。本层次的学习项目还鼓励学生实现更高阶的设计目标，如通过增加额外的指令来提升处理器的性能，培养学生应对大型集成电路设计和探索替代解决方案方面的经验和技能。因为项目的设计流程比较长，教师在教学上可以采取课堂内外相结合的指导方式，提供一些基本的指导原则和目标，给学生创造一个开放和协作的环境，鼓励学生创新性地、灵活地和个性化地进行设计，且考核时不对设计结果设定严格的限制。
具体的模块内容如表1所示。表中带*的项目是各个模块中的提高性项目，难度较大，具有挑战性，鼓励能力水平较高的学生运用创新思维和自主策略来解决项目问题，从而培养他们的独立设计和创新能力。
四、基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化成效
针对学院集成电路设计与集成系统专业优化后的实践教学体系，笔者从学生和教师两个方面收集了反馈和考核结果，发现在以下四个方面对实践教学有明显的促进。
第一，提高了学生的学习兴趣和主动性。根据不同的学习目标和难度设计的层级递进的设计项目，让学生感受到IC设计的乐趣和挑战，培养了学生自主学习、探究学习和挑战学习的能力，使学生能够主动利用课余时间完成更高层次的设计任务，甚至愿意利用课余时间完成设计项目。
第二，降低了学生学习的难度，提高了学生的学习效率。设计项目层级递进式的编排，使学生能够循序渐进地掌握IC设计的基本概念、方法和工具，降低了学习过程的挫败感和困惑。同时，学生反映每完成一个项目，都能获得相应的知识和技能的提升，这就形成了有效的学习循环。
第三，增强了学生和教师的互动与沟通。通过学习项目实施，拉近了学生和教师之间的距离，增加了他们之间问答和讨论的机会。学生反映他们从被动学习转变为主动学习，能够更加积极地参与专业实践活动。
第四，提高了教学效率和教学质量。围绕设计项目开展的实践教学，让学生成为学习的主体。同时，教师能够充分利用有限的教学资源，灵活运用课堂内外的时间，根据学生的实际情况进行指导和评价，从而提高了教学效率和教学质量。
五、结语
IC设计类专业实践教学是IC设计人才培养的重要组成部分，而基于项目学习的专业实践教学是一种有效的教育方法。通过提供系统的、多层次的设计项目，建立了完备而精确的教学资源，优化了IC设计类专业实践教学体系。IC设计类专业实践教学体系的实施，在激发学习兴趣、增强学习主动性、提高学习效率和教学效果方面发挥了明显作用。具体而言，整合虚拟实验室、在线开放课程、行业合作平台等其他工具和资源，进一步提高了实践教学的便利性、实用性和有效性，从而培养具有创新精神和实际操作能力的IC设计人才，进而更好地适应快速变化的技术环境。
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基于项目学习的IC设计类专业实践教学体系优化探索论文
人参与 2025-03-10 10:59:48 分类 : 教育论文 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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