基于OBE的模拟集成电路设计课程教学改革探索_许佳雄.pdf

2023 年 18 期教 改 新 论高 教 学 刊Journal of Higher Education基于 OBE 的模拟集成电路设计课程教学改革探索许佳雄1，2，刘振1，2（1.广东工业大学 集成电路学院，广州 510006；2.广东工业大学 材料与能源学院，广州 510006）集成电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，但应用到具体电基金项目：广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“基于电路仿真的 模拟集成电路设计 课程 OBE 改革”（粤教高函2021 29 号）；广东工业大学本科教学工程项目“基于电路仿真的 模拟集成电路设计 课程 OBE 改革”（广工大教字 2021 71 号）第一作者简介：许佳雄（1984-），男，汉族，广东揭阳人，博士，副教授。研究方向为半导体材料与器件、集成电路设计。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）18-0134-04Abstract: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 examinationmethods.The circuit simulation practices are introduced into the teaching content.The teaching and learning of the course are carriedout combining online and offline,in class and out of class methods.The ratio of usual performance is increased,and the finalexamination focuses on the assessment of engineering application ability.The course reform in this paper can enhance studentslearning enthusiasm,mastery of theoretical knowledge and design ideas for analog integrated circuit,ability to analyze and solveproblems,and engineering practice ability.It can establish solid foundations for learning follow-up course,participating in integratedcircuit competitions and scientific projects,and engaging in integrated circuit design.Keywords:OBE;design of analog integrated circuit;circuit simulation;content of courses;teaching reformDOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.18.032134-教 改 新 论高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期路进行分析时，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。接着进行电路仿真，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135-2023 年 18 期教 改 新 论高 教 学 刊Journal of Higher Education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