基于OBE的模拟集成电路设计课程教学改革探索

许佳雄，刘振

摘  要：该文采用基于学习产出的教育（OBE）理念，针对模拟集成电路设计课程教学存在的问题，从教学内容、教学方式、考核方式等方面进行教学改革。在教学内容上引入电路仿真实践环节，运用线上与线下结合、课内与课外结合的教学方式进行课程的教与学，增加平时考核权重，期末考核侧重于考查工程应用能力。该教学改革能够提高学生的学习积极性，提高学生对模拟集成电路理论知识、设计思想的掌握，并提高分析和解决问题的能力及工程实践能力，为后续课程学习、参加集成电路学科竞赛和科研项目、从事集成电路设计工作打下坚实的基础。

关键词：OBE；模拟集成电路设计；电路仿真；教学内容；教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）18-0134-04

Abstract： In order to solve the problems existing in the course of Design of AnalogIntegrated Circuit， the concept of outcomes-based education（OBE） is used for the teaching reform from the aspects of teaching content， teaching methods and examination methods. The circuit simulation practices are introduced into the teaching content. The teaching and learning of the course are carried out combining online and offline， in class and out of class methods. The ratio of usual performance is increased， and the final examination focuses on the assessment of engineering application ability. The course reform in this paper can enhance students' learning enthusiasm， mastery of theoretical knowledge and design ideas for analog integrated circuit， ability to analyze and solve problems， and engineering practice ability. It can establish solid foundations for learning follow-up course， participating in integrated circuit competitions and scientific projects， and engaging in integrated circuit design.

Keywords： OBE; design of analog integrated circuit; circuit simulation; content of courses; teaching reform

集成電路是现代信息技术的核心与基石，也是支撑国家经济社会发展的战略性和先导性产业。集成电路核心技术已成为中国高科技发展的“卡脖子”问题。发展中国自主的集成电路关键技术，打破国外垄断，具有重要性和紧迫性。2021年1月，《国务院学位委员会 教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》中决定，设立“集成电路科学与工程”一级学科，为培养集成电路产业发展急需的创新型人才提供有力保障[1]。在此背景下，对高校集成电路相关的专业建设、课程教学、学生培养等提出了更高的要求。本科教学是培养集成电路人才的重要途径，通过教学改革提高集成电路相关课程的教学质量、人才培养质量，具有重要意义。

在集成电路产业链中，设计是首要环节，模拟集成电路设计在集成电路设计中占据举足轻重的地位[2]。模拟集成电路设计是广东工业大学微电子科学与工程专业的核心课程，学生主要学习单级放大器、差动放大器、电流镜等基本模拟集成电路的分析与设计方法，教学目标为培养学生具备初步的模拟集成电路设计能力，包括高效率的模拟集成电路直觉分析能力、各项设计指标之间的综合考虑与折中处理等。

本文首先分析当前模拟集成电路设计课程教学存在的问题，提出采用“基于学习产出的教育”（OBE）理念，从课程内容、教学方式、考核方式等方面对模拟集成电路设计课程进行教学改革。本文具体阐述基于OBE的教学改革措施，分析教学改革效果。本教学改革能够提高学生的学习积极性、对模拟集成电路设计方法与思想的掌握、分析和解决问题的能力及工程实践能力，对新工科专业的工程教育改革具有促进作用和推广价值。

一  模拟集成电路设计课程教学存在问题分析

模拟集成电路设计课程的学习难度较高。课程采用经典的拉扎维《模拟CMOS集成电路设计》教材，主要学习采用基本方法对基本结构的模拟集成电路进行分析与设计[3]。虽然基本分析方法本身不难，但应用到具体电路进行分析时，会遇到电路结构复杂性、参数变化对电路有较大影响、需要大量公式推导等问题，使初学者面临一定的学习困难，阅读教材、课堂听讲经常遇到不懂的地方，影响学习兴趣和积极性。在以往的课程教学中，作者尽可能采用浅显易懂的方式讲解知识点，对学生反映的教材难懂语句进行深入、扩展讲解，并强调各章节内容之间的关联以构成课程有机整体，取得一定的教学效果。但由于课程本身难度的限制，如何使学生更有效地学习课程知识、提高学生的学习兴趣、培养学生的专业技能与工程应用能力等，仍是本课程教学面临的关键问题。

模拟集成电路设计课程的课堂教学与教材以理论学习为主，较少涉及电路仿真等实践环节。课程对电路的分析侧重公式推导，得到所需表达式进行定性分析，较少涉及包含具体数值的定量分析。课程考核存在重理论轻实践的问题，平时成绩以考勤和作业为主，期末考试命题以常规电路分析题为主，缺少对解决实际电路设计问题的考核。这些因素导致学生在课程学习中局限于对电路的理论分析，与电路设计实践存在脱节，对实际的集成电路设计的折中处理思想缺乏直观地认识和理解，难以有效、全面地理解电路设计，缺乏从工程应用角度进行设计的能力。在后续的集成电路课程设计实践课中，大部分学生在对设计的电路进行调试时，无法有效应用所学知识，只能随意地调节器件参数，设计效率低。

二  教学改革措施

针对上述分析的模拟集成电路设计课程教学存在的问题，有必要进行教学改革以满足集成电路学科对工程教育培养的新要求。OBE（Outcomes-Based Education）指“基于学习产出的教育”，采用以学生“学”为中心的教学方式，区别于传统的以教师“教”为主的教学模式[4，5]。OBE理念围绕学生通过课程学习取得的成果开展教学活动。OBE教学模式着重于培养学生的学习与创新能力、分析与解决问题能力，培养适应社会需求的创新型工程人才。鉴于模拟集成电路设计课程的理论体系与实践需求，适合应用OBE理念与教学模式进行课程教学改革。

基于OBE理念，在模拟集成电路设计课程课程教学内容上引入电路仿真实践环节，使学生对模拟集成电路有更全面、深入地理解。在教学方式上运用雨课堂等网络教学工具，增加课堂练习以实时掌握学生的学习效果，并采用线上与线下结合、课内与课外结合的方式进行课程的教与学。课程考核方面，增加平时成绩权重，将课堂练习与电路仿真纳入平时考核，期末考试命题增加电路仿真、设计类和综合类题型的比例，侧重于考查学生的工程应用能力。以下具体阐述课程教学改革措施。

（一）  增加电路仿真教学内容

根据模拟集成电路设计课程（以下简称“本课程”）教学内容，设置电阻负载共源级仿真、共源共栅级仿真、基本差动对仿真、五管运算放大器的频率特性和噪声仿真四个基本电路仿真实践。在同一学期开设的集成电路设计与布局实验课程中，学生先学习集成电路仿真软件的基本操作，包括绘制电路原理图、生成网表文件、电路的直流与瞬态仿真等。在本课程的每个基础电路仿真实践中，给定电路结构和器件参数，按学生学号的尾数设置不同的参数值。学生在电路仿真软件中绘制电路图，输入器件参数，并学会输入电压源的设置方法，包括大信号输入与小信号输入、共模输入与差模输入等。将电路原理图转换为网表文件，根据学号尾数加载不同的模型文件。接著进行电路仿真，对前三个电路通过直流仿真确定电路的静态工作点或输入共模电平；根据获得的输入直流条件，进行小信号传输函数仿真，得到电路的小信号增益、输入阻抗和输出阻抗，再通过瞬态仿真得到输出电压随输入电压的变化曲线，计算出电路的小信号增益或差模增益、共模增益、共模抑制比等。根据模型文件的参数值和对电路的理论分析，手工计算电路的增益，与仿真结果进行对比。最后改变器件参数值，例如负载电阻阻值、晶体管尺寸等，分析对电路性能的影响，应用所学知识解释仿真结果。对于第四个电路五管运算放大器的仿真，先设置输入为共模，进行直流仿真，得到输出电压随输入共模电平变化曲线，确定合适的输入共模电平，确保电路所有场效应晶体管处于饱和区；在输入共模电平基础上叠加差模输入，进行瞬态仿真，得到输出电压、输入电压随时间变化曲线，计算差模增益；进行交流仿真，将输入设置为两个反相的交流电压源，仿真输出电压的幅频特性曲线和相频特性曲线，计算低频增益、-3 dB带宽、单位增益带宽、相位裕度等；进行噪声仿真，仿真输出噪声电压、输入噪声电压随频率的变化曲线，解释仿真结果。

课前撰写每个仿真实践的指导书，给定仿真任务、电路图、器件参数，对于重要的仿真步骤提供仿真方法指导和参考语句。在学习相关的电路理论内容之后，将电路仿真指导书提供给学生，布置电路仿真任务。学生根据前期已学习的软件操作基础，参照指导书进行电路仿真与分析。学生完成电路仿真后，撰写仿真报告，内容包括电路原理图、仿真程序、仿真波形图和仿真结果分析等。教师评阅学生提交的仿真报告，根据电路仿真完成情况，评定五级制分数，作为课程平时成绩的一部分。

（二）  线上与线下结合、课内与课外结合的教学方式改革

线上教学采用微信、雨课堂等工具，课前给学生推送预习内容，课后给学生推送习题、网络学习资源等。录制对部分课程内容、教材内容、习题的补充讲解视频，提供给学生观看学习；课余时间与学生通过网络进行课程交流、讨论与答疑。

线下的课堂教学在教师讲解知识点的基础上，增加基于雨课堂的课堂练习与题目讲解[6-7]。课堂练习题以选择题、判断题为主，每次课设置5道左右习题，考查学生课前预习及课堂听课效果。题目包括基础题和提高题，以基础题为主。基础题是对课程基础知识的考查，学生只要认真预习、课堂听课就能正确作答，基础题能够反映学生的学习态度，了解学生学习的薄弱环节。提高题为中等难度，在课本、课堂教学中无答案，学生需要应用基础知识进行初步的分析、推理，相比基础题进一步考查学生对知识点的掌握和应用情况。此外，运用雨课堂的签到、不懂反馈、投稿、课堂表现统计等功能，及时掌握学生的课堂学习效果。

（三）  完善课程考核方式

增加课程过程考核，将平时成绩比例提高到40%。平时成绩包括电路仿真、课堂练习、作业和考勤，四个电路仿真按五级制评分进行折算。通过雨课堂平台自动统计每位学生的课堂练习得分率，对课本习题进行适当改编作为作业题，部分作业题的难度较高，需要学生综合应用基础知识对电路进行深入分析，且存在多个易错点，对学生学习能力要求较高。批改每章作业题，登记作业得分。每次课进行考勤登记，考勤只作为平时成绩的扣分项。

期末考试占总成绩比例降为60%。考试命题适当增加与电路仿真相关的题目，例如根据网表文件画出电路图、分析网表文件存在的错误并修正、分析电路仿真波形出现的错误并给出修改方法等类型的题目，考查学生的仿真实践能力。增加设计类、综合类题目，注重考查学生应用知识解决问题的能力。减少常规的基本概念类、电路计算分析类题型。

三  教学改革效果

在2019—2020学年因新冠病毒感染疫情实行全部课时线上教学基础上，2020—2021学期18级微电子科学与工程专业的模拟集成电路設计课程实行全面的OBE教学改革。绝大多数学生能够按时完成电路仿真任务，提交电路仿真报告。表1为各次仿真成绩统计，每次仿真的优良率均超过90%，表明大部分学生能够按照仿真指导书的指引，应用所学课程知识进行相应电路的仿真实践。第4次仿真涉及确定输入共模电平、交流仿真获得放大器的频率特性与噪声仿真等，难度较高，导致优秀比例低于前3次仿真。部分学生能够对电路、仿真结果进行详细分析，获得所需数据，较好地将所学基础知识应用于电路仿真。仿真得到的某些变化曲线与课程所学内容存在偏差，部分学生能够从晶体管不同工作区间的角度进行有效分析与解释。除了仿真指导书提供的仿真方法与仿真语句，有学生能够自学其它的仿真语句并应用于仿真实践，可以更有效地进行电路仿真，或得到更多的仿真结果。通过电路仿真实践，学生学会基本的模拟集成电路原理图绘制及直流、瞬态、交流仿真方法，通过理论学习与仿真实践的结合，对模拟集成电路有更全面、深入的理解，对模拟集成电路的直觉分析、各设计指标之间的折中处理有更直观的认识，有利于提高运用知识解决实际问题的能力，提高课程学习效果。

采用雨课堂工具进行课堂和课后习题练习，大部分习题为基础题，通过课堂习题练习，可以及时检验学生预习、听课、复习效果，使学生加强平时课程学习，避免仅在期末考试之前进行突击学习。课堂习题练习环节还可以增强课堂互动，每道题答题结束后展示答题情况统计，有针对性进行讲解。整个课程共安排138道课堂和课后习题，图1为习题得分率的分段人数统计。答题总体情况不够理想，得分率超过80%的学生仅3人，占3.6%；得分率为60%～70%的人数最多；得分率不及格的人数达到38人，比例高达45%。习题得分率低的原因包括答题时间较短不足够充分思考、网速较慢导致未在规定时间内作答、部分学生遗忘课后习题作答、少数学生缺勤拉低得分率及课程难度高使部分学生的学习跟不上课程进度等。

作业完成情况优于往年，优良率超过80%。绝大多数学生能够按时完成并提交作业，作业雷同情况少见。大部分学生能够正确作答基础题，表明能掌握课程基础知识。对于难度较高的分析或计算题，特别是分析电路某个参数的变化趋势类题目，部分学生能够对各种可能存在的情况进行详细分析并进行半定量计算，获得变化曲线，但也存在部分学生仅能简单列出晶体管工作区间和基本公式，未能有效分析参数变化原因等问题。

图2为期末考试卷面分数统计，最高分96分，80～89分数段的人数最多，超过80分的比例为38.1%，及格率76.2%，平均分69.1分。表2为两道仿真题的得分情况统计，两道题作答情况差别较大。画电路图题要求根据给出的网表文件画出电路原理图，大部分学生能够正确作答，超过一半的学生得满分，表明学生能够掌握网表文件语句的含义、网表文件与电路原理图之间的对应关系。网表文件改错题的作答情况一般，该题作答时需留意网表文件的细节，得满分难度较高，此外部分学生将正确的语句误认为错误，平均得分率仅52.4%说明学生较依赖软件直接生成相关语句，对于基本语句的结构与用法的掌握仍较薄弱。

四  结束语

采用基于学习产出、以学生学习为主的OBE理念对微电子科学与工程专业的核心课程模拟集成电路设计进行教学改革。课程教学内容增加基础模拟集成电路的仿真实践环节，课堂教学方式采用雨课堂平台进行课堂练习、课堂交流互动，课后进行线上学习与交流，考核方面增加平时成绩比例，期末考试命题增加电路仿真、电路综合设计与分析等题型。以电路仿真为主的教学改革可以使学生提高学习积极性，提高对模拟集成电路设计方法与思想的掌握，初步掌握模拟集成电路的直觉分析能力，提高分析和解决实际问题的能力及工程实践能力，有利于学生参加与集成电路相关的科技竞赛、申报大学生创新创业训练项目等。

模拟集成电路设计课程教学仍需进行持续改进，可设置更多的电路仿真任务供学生选择，提供更有效的仿真方法，与课程内容联系更紧密的电路仿真结果分析，适当增加模拟集成电路版图设计内容等；针对学生学习薄弱环节，修改或增加相应的课堂和课后习题、作业题；课程教学增加翻转课堂、课堂讨论环节，讲解更多的电路设计实例；提供更多的网络学习资源；进一步提高课程预习的考核比重等。

参考文献：

[1] 国务院学位委员会 教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-01/14/content_5579799.htm.

[2] 刘伟景，汤乃云，陈磊，等.模拟集成电路分析与设计教学实践研究[J]．高教学刊，2018（5）：118-120.

[3] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社，2018.

[4] 孙元.OBE-PBL模式下电路分析课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（52）：206-207.

[5] 朱晶晶，翟佳佳.基于OBE理念的模拟与数字电路基础课程教学研究[J].信息与电脑（理论版），2020，32（20）：244-246.

[6] 徐盛夏．教学方式与时俱进：“雨课堂”教学[J].教育现代化，2016，3（35）：191-192.

[7] 高震森，孙粤辉．雨课堂+翻转课堂在通信工程新工科专业教学中的应用探索[J]．高教学刊，2021（18）：115-118，122.