数字集成电路实验教学改革与实践

康海燕 冯晓丽 蔡觉平

摘  要：总结分析了当前高等院校数字集成电路实验教学中存在的问题，并提出了实验教学内容、教学模式以及考核方式三个方面的改革措施。教学实践表明，通过这三个方面的教学改革可以在很大程度上提高学生对实验的积极性与主观能动性。

关键词：数字集成电路;实验教学改革;改革模式

中图分类号：G642 文献标志碼：A 文章编号：2096-000X（2019）12-0141-03

Abstract： This paper summarizes and analyzes the existing problems in the experimental teaching of digital integrated circuits in colleges and universities， and puts forward reform measures from three aspects： experimental teaching content， teaching model and assessment method. The practices prove that students can greatly improve the enthusiasm and subjective initiative of the experiment through these three aspects of teaching reform measures.

Keywords： digital integrated circuit; experimental teaching reform; reform model

引言

为维护国家经济及国防安全，2018年集成电路被再次写入政府工作报告，位列实体经济发展的第一位，要发展集成电路产业，高素质的复合型创新人才是关键。而作为国家培养人才的高等院校，如何紧密围绕我国集成电路产业快速发展对高水平人才的迫切需求，遵循集成电路发展规律，培养学生的实践与创新能力，这对集成电路专业实践教学体系提出了更高的要求。

数字集成电路实验是集成电路专业理论性和实践性紧密结合的一门基础课程[1]，其在巩固数字集成电路理论知识、培养学生的动手操作能力以及数字集成电路创新设计与灵活应用的能力等方面起着重要作用[2-5]。如何在国家集成电路快速发展的大背景下，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，增强学生电路设计与实践创新能力是数字集成电路实验课的主要目标所在[6]。然而，传统的数字集成电路实验教学模式已不能适应现代集成电路的发展需求，对数字集成电路实验的教学手段、教学内容以及考核方式的改革势在必行。

一、数字集成电路实验存在的问题

（一）实验内容简单

目前大多数高等院校的数字集成电路实验内容较为简单，而且基础性实验所占比重较大[7]。基础性实验大都是基于EDA平台实现[8-10]，例如CMOS反相器（inverter）实验，学生首先基于HSPICES软件使用NMOS和PMOS搭建反相器，并分析二极管及CMOS反相器的直流特性;其次，通过改变电源电压以及MOS管的宽长比得到CMOS反相器的电压传输特性曲线（VTC）。通过这类基础性实验，学生虽然能够加深对CMOS反相器的理解，但是内容简单，缺乏综合性。

（二）教学手段落后

传统的实验教学模式，即教师在课堂上给定学生实验内容[11]，并采用集中授课的方式进行实验原理以及操作步骤的讲解，学生只须在规定的时间内得到预计的实验结果，教师就给予实验合格，很显然，这种传统的教学模式较为僵化，学生在课堂上按部就班的完成实验即可，实验的提前预习工作以及课后的问题讨论等都不能落到实处，这种教学模式在很大程度上抑制了学生对实验课程的主观能动性。

（三）考核方式不合理

实验课作为理论课的辅助课程，其成绩只占理论课总成绩很小的比重[12]。而且实验课的最终成绩主要是以实验报告作为主要的衡量标准，然而学生课后所提交的实验报告相似率极高，通过学生问卷调查发现，实验报告抄袭现象较为严重，明显违背了培养大纲的要求。因此，将实验报告作为考核实验的主要衡量标准显然不能真实地反映学生实际的实验操作能力。

二、数字集成电路实验的改革措施

为了更好的解决现阶段数字集成电路实验中存在的问题，主要从教学内容、教学模式以及考核方式三个层面着手进行实验教学改革，从根本上彻底改变学生对待实验的观念与态度，提高学生的主观能动性，进而提高学生对数字集成电路的综合设计能力。

（一）设计循序渐进的教学内容

我院数字集成电路实验改革之前的实验项目都属于基础与验证性实验，例如二极管及CMOS反相器直流特性实验，其实验目的主要是使学生掌握HSPICES软件的使用方法，通过改变不同参数得到电压传输特性曲线，从而使学生理解CMOS反相器电压传输特性曲线的影响因素和调整方法。又例如搭建反相器网络实验，其实验目的主要是使学生理解多扇出反相器链的性能优化方法。这些基础性数字集成电路实验侧重于对理论课堂某一知识点的强化与巩固，旨在夯实学生的理论知识。然而不同课程内容之间也无法实现有效的综合和衔接，对学生创新与综合能力的培养不足。

除了开设类似反相器这种基础性实验外，我实验中心为了更好的提高学生的自主实验能力，设计了一款基于Altera 片上系统（SoC）与FPGA的DE1-SoC 开发套件实验箱以及实验讲义，如图1所示。实验箱将最新的双核 Cortex-A9 嵌入式处理器与行业领先的可编程逻辑结合起来，能够提供强大的硬件设计平台，在实验教学中与软件配套使用，不仅丰富了实验的内容，而且加强了实验设计的灵活性。

基于实验箱（SME2016型）与Quartus II 设计工具，我实验中心面向集成电路专业的学生增加了LED点灯、交通信号灯、频率计以及数码管等六个基本的实验项目，以数码管扫描显示电路实验为例，其主要实验目的是使学生理解数码管的显示原理以及扫描显示原理，掌握基于Verilog HDL语言的数字电路设计方法以及FPGA的基本开发流程。通过以上实验，学生已经能够熟练掌握 FPGA的开发流程，并且根据自己的能力水平，还能够自行设计一些难度较大的组合时序电路并通过将其加载至 FPGA 中进行验证。此FPGA实验平台除了用于支撑本科生基于FPGA的数字电路实验项目的开展，而且，该实验平台还提供了丰富的外设资源，便于研究生设计较为复杂的且综合性较高的数字电路科学研究项目。

除了借助实验箱实现一些简单的实验外，我实验中心循序渐进的开展了一些具有综合性设计的实验项目。主要实验内容有：计数器实验，数字滤波器实验以及SPI串行外设接口实验等。这些实验是采用Verilog HDL硬件描述语言编写可综合的代码，利用工具Modelsim编写测试平台TestBench，给出输入信号，验证RTL代码与SPEC的一致性。再使用Synopsys 公司的Design Compiler（DC）进行电路的逻辑综合。Design Compiler的操作由Tcl命令来实现，还需要使用Modelsim进行时序仿真，利用Synopsys的Prime Time（PT）进行静态时序分析，查看设计是否满足时序要求。整个实验的前端设计实验环境都是在Linux环境下实现完成。

这类综合性实验是基础性实验的拓展、延伸和深化，主要实验目的是通过这些综合性实验的实践操作，使学生能够深刻了解现代数字集成电路的设计流程，熟练掌握数字集成电路设计“利器”，即EDA工具的使用方法以及Verilog HDL硬件描述語言在数字集成电路设计中的应用，不仅能够培养学生综合运用知识的能力，而且能够提高学生的创新能力，为学生日后从事数字集成电路设计奠定良好的基础。

（二）多样化的教学模式

根据实验教学的特点，实验教学改革必须采用多样化的教学模式，我实验中心提出“微课”+ 集中教学 + 实验室开放三者相结合的教学模式，提高实验实践教学效果。在实验集中授课之前，学生利用“微课”进行实验预习，并完成实验预习报告;在传统集中授课课堂上，教师根据实验预习的效果有针对性的进行讲解，学生在课堂上完成实验的核心内容;对于综合性的数字集成电路实验而言，实验的设计性较强，课堂之后学生可以在开放实验室继续实验，实验中碰到的问题可以相互讨论或者随时咨询开放实验室的值班教师，学生在实验室的实验情况如图2所示。待实验完成后有计划的安排学生进行分组答辩，并将答辩成绩计入实验总成绩。通过这种多重的教学模式改革，从根本上提高了学生对实验的积极性和主观能动性。

此外，实验中心计划建立信息化的网络教学平台，通过此平台，教师可以实时管理开放实验室，查看开放实验室的使用情况，还可以实时的发布实验教学资源、完成实验作业布置，作业批阅等功能，学生也可以进行课程资源共享、实验报告递交等任务，并可在线参与课程讨论答疑，为师生的交流和研讨等环节提供更便捷的途径，方便了实验教学活动的开展。该网络教学平台可以将实验教学过程当中需要的课程文档，产生的课程资料记录在“案”，不仅动态记录了实验课程的开展进度，同时也记录了学生不断学习成长的脚步。

（三）“一对一”的考核方式

改变传统的实验课辅助理论课观念，将实验作为一门拥有独立学分的必修课程。考核方式有实验报告、实验答辩以及实验能力达标测试。而实验报告与实验答辩成绩占总成绩的20%，总成绩的80%来源于“一对一”的实验能力达标测试，即一个同学对应一套设备进行测试，这种考核方式能够调动学生的积极性，加强学生对于实验的紧迫感。

“一对一”的实验能力测试考题范围覆盖所有已授内容且根据学生实验水平的高低有难易度区分。学生首先在达标测试系统里预约与自己专业相关的测试题目，并根据预约时间到指定预约地点参加测试。测试时间段，学生按题目要求完成版图设计、电路搭建、测试以及数据记录和分析等，老师现场评测各项指标并按评分标准评定成绩。如果初测不达标者，给予一次补测的机会，若补测不合格，直接影响学生的正常毕业。

三、教学改革成效

经过师生双方的共同努力，数字集成电路设计实验教学改革取得了不错的成效，学生对数字集成电路设计的积极性与主观能动性有了很大的提高。实验教改之前，数字集成电路实验课是隶属于理论课的一部分，考试成绩只占理论课很小的比分，学生认为只要听好每一节理论课即可，对待实验课的积极性不高，而且对于学习能力较强的学生，实验内容较为简单，缺乏挑战性。

实验教改之后，数字集成电路实验作为一门拥有独立学分的课程，拥有自己独立的考核制度。学生在实验课前不仅需要提前查找资料，做好实验预习工作，而且还需要充分利用课外时间继续实验，方可在规定的时间内完成数字集成电路设计作业。实践表明，虽然综合性实验的难度相对较大，但是大部分集成电路设计与集成系统专业的学生不仅能够接受这种实验，而且表现出浓厚的兴趣。整个实验流程以小组的形式组队，队员们根据各自的兴趣爱好分工协作，极大地提高了学生对实验的积极性。

实验教改之后，学生对数字集成电路设计流程有了一个清晰的认识，熟练掌握了EDA软件以及Verilog HDL程序设计语言，为后续的学习打下了良好的基础。这在毕业设计阶段体现的尤为明显，由于前期在实验课程中熟练掌握了设计工具以及程序语言，且能够透彻的理解每个电路模块的作用，因此，在毕业设计阶段能够快速完成电路设计，直接进入创新性难点攻克阶段，不仅缩短了毕业设计的周期，而且提高了论文的质量。

四、结束语

通过在教学内容、教学模式以及考核方式三个方面的教学改革措施后，学生对数字集成电路实验的学习态度有很大的转变，并且对实验的实际操作能力有很大的提升。然而，随着集成电路的不断发展，数字集成电路实验的教学改革仍然是一个相当漫长的过程，如何将虚拟仿真应用到集成电路实验中将是我们下一步的工作重点。

参考文献：

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