研究生课程教学中“三位一体”创新思维培养

罗 萍，周泽坤，樊 华, 苏 琦

(电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054)

0 引言

研究生教育是为国家培养具有坚实基础理论和系统专业知识，以及良好创新精神的高级专门人才的环节，是整个教育链的最高端。高质量研究生培养对我国实现教育强国具有重要意义。

课程学习是我国研究生培养过程中的重要环节，直接关系到研究生的教育质量和创新能力的培养[1]。本科教学目标在于扎实数理基础、开启专业之门、拓宽知识视野、培养学生综合能力。而研究生教学重在夯实学生的专业知识、提升其知识灵活运用与驾驭能力、培养其创新思维能力和科学精神。

本文瞄准研究生创新思维能力培养目标，基于课堂教学主阵地，提出如图1所示建立知识体系、应用案例分析、培养思维方法“三位一体”的研究生课程教学新模式，并将其运用于“模拟集成电路分析与设计”研究生课程教学中。

图1 “三位一体”的研究生课程教学模式

1 建立知识体系

完整的知识体系是创新思维的基础。所谓知识体系，就是把具有内在联系或逻辑关系的大量不同的知识点，系统、有序地组合成某种类型的知识架构。有了这个知识架构，才能更好地理解问题、解决问题。

研究生课程教学是构建研究生知识、素质、能力的重要渠道。目前“启发式教学”“课堂讨论”[2]“案例分析”[3]等教学手段在研究生课程教学中广为应用。但是，若这些手段运用不当，可能会让学生只关注于教师抛出问题所涉及的某些知识点，导致学生仅掌握一些碎片化知识而非完整知识体系。碎片化知识，只能“头疼治头、脚痛医脚”。相较于单纯的知识积累，知识体系可显著提升信息提取的有效性，知道事实之间的联系远比知道事实本身重要[4]。因此，知识体系的建立非常重要。

在有限的课堂学时下，如何让学生掌握更多的知识，给课程教学带来了很大的挑战。课程知识体系的构建有助于学生快速把握课程教学的知识架构、形成课程内容的整体观，并理解碎片知识的关联性。

“模拟集成电路分析与设计”是一门内容多、难度大的研究生课程。利用思维导图构建如图2所示的课程知识体系，在首次课时就向同学们展示该课程的教学内容、所含章节知识点及其关联性，从而让学生快速建立起本课程项目知识概念、搭好体系框架。

图2 “模拟集成电路分析与设计”课程知识体系

在具体学习某章节知识点时，还可以进一步细分图2中的每一条枝干，形成章节内局域知识体系。以“Differential Amps”为例，对其细化后可获得教材第三章的主要知识点和知识体系，如图3所示。教师借助知识体系作为知识牵引，学生通过对课程整体知识体系的了解和对局域知识体系的展开，可做到粗细分明、脉络清晰、张弛有度，从而很好地掌握本门课程的要领。

图3 Differential Amps局域知识体系

2 运用案例分析

案例分析教学法，针对课程重点、难点，选择合适的问题或事例作为案例，学生基于已有知识点对案例进行分析，经教师点评得出最终结论。

2.1 运用案例分析学习知识点

知识传授是课程教学的主要任务。课程知识体系搭建好后，需要把具体的知识点补充上去。

本校“模拟集成电路分析与设计”研究生课程选用Willy Sansen先生编写的《Analog Design Essentials》作为课程教材。该教材共24章777页，涉及的知识点很多。同时，该教材编撰方式异于传统教材，采用PPT配上少许文字介绍的形式。全书共计1462页PPT，正文没有任何公式推导，仅极简的原理阐述，因此课程学习难度很大。在课程教学过程中，运用案例分析，选取具有代表性的知识点进行分析，可在知识系统完整的前提下，突出重点和难点，保证教学效果。

以图3中的局域知识体系为例。图3中无填充色的知识点为与前序课程教学内容有交叠的地方，而有填充色的地方为本教材新知识点内容。为了保持知识体系的完整性，对基础知识点，采用教师问学生答等方式快速复习巩固；对于教材新内容，教师则会在课前完成这些知识点电路的公式推导和仿真，课堂上引导性地给出部分电路的分析和仿真结果；对带虚框的有代表性的电路则让学生选做为完成分析的电路案例。如图4中4-Input Current Differential Amps的电路。分析此电路案例，一方面可对比电流差分与电压差分的不同，另一方面可巩固CG枝干中的Coscode知识点，并将其灵活应用于新电路中。对该知识点，教材只有图4(a)所示电路结构和iout的差分表达式，而无原理分析和公式推导。案例分析作业前一周布置后，同学们课后先自行分析，然后在第二周课堂上进行案例分析交流。图4(b)和式(1)分别为同学在案例分析中给出的小信号等效电路和等效输入电阻Rin1的分析结果。

作为省会的长沙，是湖南省的政治、经济、文化、交通和科教中心，并在2016年入选中国15个“新一线城市”之列，作为长株潭城市群的核心城市，长沙市城市建设日新月异，城市化水平不断提高，但城市建设所带来的环境地质问题也日益突出，影响和制约着城市的发展，如城市垃圾产生量快速增加造成对城市的污染等。目前，长沙市垃圾填埋场是否适宜问题研究程度较低，本文采用层析分析法对该课题进行了初步研究，并提出了城市未来垃圾填埋场选址建议。

(a)电路结构

(1)

式中，gm1、gm2、gm3和gds1、gds2、gds3分别代表图4中M1、M2、M3管的跨导和漏源电导。

合理运用案例分析教学不仅可以在有限的课堂时间传授更多的知识、提高课程教学效率，同时还可以有效调动学生的主动性、加深学生对知识点的理解和学习、提升学生的分析能力、思维能力和解决问题的能力。

2.2 运用案例分析拓展知识面

教材知识不足以让学生了解本学科技术前沿。适时补充这方面知识可拓展工科研究生知识面、提升从事科研工作的兴趣。

为了在有限的课堂时间内学习到更多的新知识，了解更多模拟集成电路IC(Integrated Circuits)新结构、新思想，“模拟集成电路分析与设计”课程开课18年来一直引入文献阅读案例分析环节。通过安排学生阅读近期ISSCC，JSSC，TCAS等学科领域重要国际会议材料、SCI期刊中的专业文献，并要求撰写阅读心得，而后遴选部分学生在课堂上用PPT分享他们所读文献的内容，完成文献案例分析的教学过程。

在选取文献案例时，除了考虑该文献能被同学理解得透彻之外，更要考虑文献对课程重要知识点的应用度、提升度和学生的受众性，如高性能的基准和运放方面的文献就比高性能模数转换器受众面更广。

有的学生在阅读文献时，还会对文献中的电路进行仿真验证，不仅可深入领悟文献中电路的优点，而且还发现其不足之处，并给出修改建议，这对学生来说无疑是一个创新的过程。

文献阅读作为案例分析，不仅可以弥补教材建设滞后、教学内容陈旧的问题[5]，而且可以拓展学生视野、共享前沿知识，并强化学生自主学习和科技创新的意识。

2.3 运用案例分析塑造价值观

“模拟集成电路分析与设计”课程知识点多、学时有限。教师就利用课间时间跟学生分享每周IC新闻与动态，如“模拟芯片创业大有可为”“台积电三星新一轮争夺战开打”“利润同比增10倍！中国芯片巨头打出漂亮仗”等。通过课间插播业界新闻信息、报道相关行业政策，让学生了解国内外集成电路领域产业链建设、技术发展动态、行业发展趋势和个人肩负的使命。并从行业新闻中选3-4个思政案例，每个思政案例分析占用课堂2-5分钟的时间，跟学生讨论国内外集成电路设计的差距、我国IC业存在哪些“卡脖子”的问题、如何实现突破和提升我国IC设计水平、新工艺下模拟IC的设计挑战等等，一方面鼓励学生认真学习、未来担当重任，另一方面也打开了学生的脑洞、调节了课堂严肃的气氛。起到了塑造学生价值观、提高学生学习兴趣、引导学生多方位思考问题的作用。图5图6表现了学生、教师在这方面的活动。

图5 学生做文献阅读案例分析

图6 教师课间分享IC新闻

3 培养思维方法

思维模式是人才创新的动力与源泉[7]。如果说研究生“三位一体”课程教学中“建立知识体系、运用案例分析”是方法、是途径，那么思维方法、创新能力的培养则是研究生课程教学的目标。

3.1 逻辑思维的培养

逻辑思维是人们借助概念、判断、推理等思维形式认识事物本质、把握对象规律的认知过程，是创新思维的基础。在知识学习和科学研究过程中，逻辑思维无处不在。逻辑思维能力是研究生应具备的基本能力，也是其培养的重要目标。

逻辑思维是基于已有知识和经验，对新事物、新问题的观察、比较、分析、综合、抽象、概括、判断、推理。

巧妇难为无米之炊，基础知识的学习和构建是逻辑思维培养的根本。在课程教学中，让学生梳理课程知识体系中各个知识点的关联性、总结知识点由浅入深的变化规律、找寻其逻辑关系，进而完善知识体系，是培养学生找寻逻辑规律、进行归纳总结的逻辑思维方法的很好手段。

运用案例分析则是利用他人的经验，训练学生的逻辑思维的有效方法。基于案例分析，引导学生分析案例中的对象是由什么基本电路组成？为什么要这样设计？这样的设计在功能、性能上有什么提升？这一案例的物理意义是什么？数学关系是什么？工程的可实现性如何？性价比如何？学生在回答这些问题的过程中，可逐步建立类比推理、综合判断的逻辑思维方法。

3.2 创新思维的培养

创新思维是指以独特新颖的方法解决问题的思维过程，它是逻辑思维的延伸。创新思维以超常规甚至反常规的方法、视角去提出问题、思考问题，并给出独辟蹊径、与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、量变到质变的成果。

研究生应该是具有坚实专业知识，具有独立思考能力、很强学习能力、丰富实践能力的、明确价值取向的综合性人才。

为训练研究生们发现问题的能力，教师在案例选取和分析上不是全部包揽，而是通过有的放矢的启发引导，在后面案例的选取和分析时让学生在逐渐增加知识点的理解基础上自主解决，只是遇到难点时才开展交流商讨。这样可根据每一届学生生源与基础的不同而灵活调整，做到因势利导、因地制宜。总之，阅读文献的选取由学生根据兴趣自己选择，教师仅给出大方向和整体要求。找到问题、确定关注目标后，则通过案例分析培养学生的思维能力。通过鼓励学生批判式地阅读文献，发现文献所给电路的不足之处，并进行修改，由此培养其创新思维能力。

“模拟集成电路分析与设计”课程还安排了课程设计作业，让3～5位学生组成一组设计一个模拟IC电路，进行实践训练。学生必须自学Hspice或Spectre等仿真软件，再利用课堂中所学基本电路知识点、电路设计方法以及文献中电路的设计新思想，才能完成课程设计要求的电路分析、参数设计、功能/性能仿真。课程设计是一个主动思考、积极创新的实践过程、也是团队协作、科学研究的一次尝试，挑战虽大，一旦完成，则能很好提升学生的IC创新思维能力和动手能力。

4 结语

本文提出建立知识体系、运用案例分析、培养思维方法“三位一体”的研究生课程教学模式，这一教学模式能充分体现研究生课堂教学中教师以知识牵引为主、授人予渔，学生以方法学习为主、发挥主动思考的育人思想。

以知识体系为牵引、以案例分析为手段、以培养研究生逻辑思维和创新思维方法为目标，利用“三位一体”的课程教学模式，提升了学生对课程整体知识快速掌握的能力以及创新思维能力。同时，在知识传授的过程中，还完成对学生价值的塑造。