“集成电路设计基础”课程教学改革探索

段倩倩 张文栋 史健芳 李朋伟 桑胜波

摘要：“集成电路设计基础”课程是电子科学与技术类专业的一门必修課。详细介绍了“集成电路设计基础”传统教学方法的不足，探讨了教学内容和实践环节的优化整合思路，构建了高效的理论教学内容框架与实践教学流程，通过教学改革增强了学生课程理论与工程实践相结合的能力。

关键词：集成电路设计;传统教学;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0091-02

信息产业已成为21世纪的战略性支柱产业，集成电路产业作为信息产业的重要基础，其发展水平是衡量国家综合国力的一大重要标志。[1]目前，集成电路产业的迅速发展对“集成电路设计基础”课程提出了新的要求，传统教学方法培养的设计人才已不能满足产业的发展需要。因此，为了适应行业发展需求，加强学生的就业能力，亟需对传统的教学内容和考核模式进行改革和创新。[2，3]

本文结合太原理工大学电子科学与技术专业的实际情况，综合考虑行业发展、企业需求和技术更新情况，提出了“集成电路设计基础”课程的教学改革研究项目。基于课堂理论教学、课外实验教学及学生科技创新等方面，通过教学内容、实践环节及考核方法等多方面的改革，旨在为该专业学生提供良好的学习环境，培养学生的电路设计能力、理论联系实践能力、创新性思维意识、分析问题和解决问题能力，同时也为青年教师的教学科研提供平台。

一、传统教学方法

集成电路设计基础是电子科学与技术类专业高年级本科生的一门专业必修课。在该课程之前，学生已经学习了电路分析基础、电子工艺学、模拟电子线路、数字电路和逻辑设计、高频电子线路等课程，在此基础上进一步学习集成电路设计基础知识，熟悉集成电路设计要点和制作过程，掌握主流集成电路设计和仿真软件的使用方法，培养集成电路基本设计能力。[4]

在课堂教学和实践过程中，传统的教学方法和考核方式主要存在如下问题：一是本课程的讲授内容主要集中在Protel99 SE或Altium Designer等主流集成电路设计软件的使用上，老师结合书本上的集成电路设计图，讲解如何利用Protel99 SE或Altium Designer等软件设计电原理图、电路板图和创建原理图元件库、电路板图元件库等知识，对电路设计、仿真、印制电路板制作工艺等知识的讲解涉及较少，课程内容之间的相关性、相承性、互补性得不到有机整合，与前面所学的课程也缺乏联系，学生被动接受知识，容易“知其然而不知其所以然”，缺乏对集成电路设计过程的宏观认识和整体把握，无法培养学生的主导性和创新思维能力;二是对于这门实践性比较强的课程，现有的实践环节缺乏系统规划，导致实践内容陈旧，实践方法单一，实践模式呆板，大多仅仅是在电脑上对已经成熟的电原理图和电路板图进行简单的重复，以熟悉软件的操作，学生不动手设计和仿真电路，不制作印制电路板，不对实际加工得到的电路进行测试和分析，陷入了局部的细节学习，学生不独立分析问题、解决问题，自学能力、动手能力、理论联系实践能力都得不到有效的培养;三是现有的课程考核方法过于单一片面，不能科学评价学生对课程的掌握程度，单纯通过纯理论、偏细节的考试和简单的实践考查进行课程考核显然无法使学生进行知识的融会贯通，对知识仅停留在粗浅的概念理解上。因此，为了培养学生的科学思维能力、实验研究能力和工程应用能力，应当对传统的教学内容尤其是实践环节及考核方式进行改革。[5]

二、课程改革实施建议

过去电路设计、印制电路板设计、电路测试分析等工作通常由不同的人员完成，随着电子科学技术的不断发展，对电路设计人员综合素质的要求越来越高，传统的教学大纲重理论、轻实践，将教学的重点放在了印制电路板的设计上，更多地关注如印制电路板元器件的布局、印制电路板的布线、Protel99 SE或Altium Designer软件的使用等，学生无法建立系统的集成电路设计思路，不能形成比较体系的集成电路设计知识结构，已经不能适应行业发展需要，因此需要对课程的讲授内容和实践环节进行适当的调整与改进，制订符合实际的教学大纲，增加对该课程的电路设计和仿真、印制电路板制作工艺等内容的讲解，使学生形成完整的集成电路设计的知识体系。实践环节应带领学生动手制作印制电路板，比较电路实际的测量结果和仿真结果的不同，分析原因，提高学生的实验研究能力、理论联系实践能力、分析问题和解决问题能力。下面重点谈一下实践环节的改革。

1.电路设计和仿真

教师根据实际需要，提出设计指标，学生参考有关资料，确定电路方案和元件参数，使用Multisim软件（美国NI有限公司产品）交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。若不符合指标，修改方案或参数，直至达到预定要求为止。

Multisim软件具有非常完整、丰富的虚拟测试仪器，教师在设计指标时应在考虑学校现有仪器的基础上既使学生能充分认识和利用Multisim软件强大的虚拟测试功能，又方便学生对最后加工得到的电路板进行测试。

2.印制电路板设计

在设计的电路达到预定的要求后就可以开始进行印制电路板的设计。Altium Designer（澳大利亚Altium有限公司产品）是目前行业中最为主流的印制电路板设计软件，为设计者提供了全新的设计解决方案。

无论设计时软件自带的原理图元件库和电路板图元件库能不能满足要求，学生都应熟练掌握创建原理图元件库和新建库元件、创建电路板图元件库与新建库元件的方法。

3.印制电路板制作

教师应对典型的印制电路板工厂生产流程（下料、内层制作、压合、钻孔、镀铜、外层制作、防焊漆印刷、文字印刷、表面处理、外形加工）进行讲解，有条件的话可以组织同学去印制电路板制作工厂进行实地的参观。

目前比较通用的可以在一般实验条件下制作较高精度印制电路板的方法分别是热转印法和感光蓝油法，教师可根据实际的实验条件进行选择。

热转印法首先需要将设计好的印制电路板通过激光打印机打印在热转印纸上，然后根据打印好的印制电路板图锯下合适的覆铜板，并对覆铜板表面进行打亮，接着用电熨斗进行热转印工艺，热转印工艺完成后，将覆铜板放入腐蚀液（三氯化铁∶水=1∶5，体积比）中腐蚀约半小时，最后进行镀锡和钻孔，完成印制电路板的制作。[6]

感光蓝油法是将打印好的印制电路板打印在透明的胶片上，并根据打印好的印制电路板图锯下合适的覆铜板，然后将稀释的感光蓝油（感光蓝油∶水=1∶3，体积比）均匀地涂在覆铜板上，并用电吹风吹干，接着用打印好的胶片盖住覆铜板，用有机玻璃压在上面，然后放在紫光灯下曝光约150秒，显影后将覆铜板放入腐蚀液（三氯化铁∶水=1∶5，体积比）中腐蚀约半小时，最后进行脱模，完成印制电路板的制作。[6]

4.电路测试和分析

印制电路板制作完成后，将元器件焊好后对电路的输出结果进行测试，若结果与理论的仿真结果偏差较大，分析原因，撰写相应的实践报告。

三、考核方式改革

电路CAD 课程是一门更多面向应用、实践的课程，课程考核应将考查的重点放在学生的自学能力、实际的动手能力、分析和解决问题能力的考查上，降低纯理论、局部细节考查的难度，真正做到课程理论性与工程实践性相结合。

本课程的考核分为理论测验成绩、实践环节成绩两大部分。总成绩按以下公式计算：总成绩=理论测验成绩×30%+实践环节成绩×70%。实践环节中应充分发挥学生的自主创新能力，由于实验条件的局限和差异，成绩考核也不应仅取决于最后制作得到的电路的实际测量结果和之前仿真值的偏差大小，而应该综合考虑整个实践过程中学生动手能力、分析问题和解决问题能力、对集成电路整体设计思路的宏观认识和整体把握程度等。

教师还可设置课外科技创新活动，组织学有余力的同学进行诸如利用51单片机、DSP等进行简单的嵌入式系统开发、比较两种印制电路板制作方法等活动，并在实践考核打分时给予考虑。

参考文献：

[1]叶波，赵倩.“大规模集成电路设计”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2010，（15）：104-106.

[2]何涛，申桂英，苏忠根，等.独立学院《电子电路CAD》课程改革探索与实践[J].软件导刊（教育技术），2012，（1）：23-25.

[3]岳亚杰，杨慧晶，张宏国.集成电路设计与集成系统专业人才培养模式的探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2013，（3）：62-63.

[4]施敏，孫玲，徐晨，等.浅谈“集成电路版图CAD”课程建设[J].中国集成电路，2007，（12）：59-62.

[5]张翼宇.《电路CAD》课程的教学探讨[J].四川理工学院学报（社会科学版），2007，22（S1）：64-87.

[6]周旭.印制电路板设计制造技术[M].北京：中国电力出版社，

2012.

（责任编辑：王祝萍）