基于OBE理念的集成电路实践教学改革策略研究

［摘 要］ 随着集成电路产业的快速发展，微电子专业人才需求日益增长。探讨了在成果导向教育理念指导下，对微电子专业集成电路实践教学进行改革的必要性和实施策略。通过分析当前微电子教育存在的问题，如理论与实践脱节、学生实践能力不足等，提出了一系列有针对性的教学改革措施。这些措施包括课程体系的优化、教学内容与方法的创新，以及评价体系的重建。研究结果表明，OBE理念的实施有助于提升学生的实践能力和创新能力，以及培养更符合产业需求的微电子专业人才。该研究成果不仅为微电子专业的教学改革提供了理论依据和实践指导，也为其他工程领域的教育改革提供了参考。

［关键词］ OBE理念；微电子；集成电路；实践教学；教学改革

［基金项目］ 2022年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“面向微电子人才培养的全流程贯通式实践模式研究”（HNJG-2022-0417）；2021年度国防科技大学教育教学研究课题重点项目“面向集成电路‘全流程’能力培养的微电子本科专业实践环节设计”（U2021204）

［作者简介］ 王 琴（1982—），女，湖北武汉人，博士，国防科技大学电子科学学院工程师，主要从事集成电路全定制设计与应用研究；李 楠（1984—），男，湖南常德人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事人工智能芯片设计与应用研究；陈长林（1986—），男，山东泰安人，博士，国防科技大学电子科学学院副研究员，硕士生导师，主要从事集成电路设计与应用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）01-0001-04 ［收稿日期］ 2024-09-03

引言

在全球科技迅猛发展的今天，集成电路产业作为信息技术的基石，已成为衡量一个国家科技实力和工业竞争力的关键指标。中国作为全球电子信息产品的主要制造基地，对集成电路人才的需求量持续增长，但高端芯片的自主研发与生产能力却相对滞后，这在一定程度上制约了国家科技进步与经济发展。面对这一挑战，国家高度重视集成电路产业的发展，将其视为国家战略性新兴产业的重要组成部分。

成果导向教育（outcome-based education，OBE）作为一种先进的教育理念，强调教育活动应紧密围绕确保学生获得实质性成功经验来展开。这一理念在全球范围内得到了广泛认可与应用，被视为提升教育质量和应对新时代教育挑战的有效途径。在中国高等工程教育领域，随着专业认证体系的不断完善和教育质量评价体系的深刻变革，OBE理念的引入与实践显得尤为重要。它不仅有助于推动教育模式的创新，更能促进人才培养与产业发展需求的深度融合［1-4］。

微电子专业作为集成电路产业人才培养的摇篮，其实践教学体系的改革与创新尤为关键。然而，当前微电子专业的集成电路实践教学中仍存在诸多问题，如理论与实践脱节、学生实践能力不足等，严重制约了人才培养质量的提升。因此，本文旨在深入探讨OBE理念在微电子专业集成电路实践教学中的应用策略，通过现状分析、理念阐释、策略提出等步骤，构建一个与产业需求紧密对接、能够有效提升学生实践能力和创新能力的实践教学体系。本文的研究不仅对于微电子专业的教学改革具有重要意义，也为其他工程领域的教育改革提供了有益的参考和借鉴。

一、微电子专业集成电路实践教学现状分析

在当前的微电子专业教育中，集成电路实践教学仍然是一个相对薄弱的环节。尽管“集成电路设计理论”课程作为专业核心课程，被赋予了理论与实践相结合的教学目标，但实际执行中仍存在诸多挑战［5-10］。

首先，实验课程内容分散，缺乏系统性，导致学生难以形成完整的知识体系。在实验教学中，基础性和验证性实验占据了主导，开放性设计实验则相对较少，这限制了学生创新思维和解决实际问题能力的培养。其次，由于实验设备和资源的限制，许多实验课程无法提供充足的操作机会，使得学生无法深入理解和掌握集成电路设计的全流程。此外，学生在前导课程中对芯片厂商开发平台和EDA工具套件的接触十分有限，这导致他们在面对复杂的集成电路设计任务时感到无所适从。

在教学方法上，传统的以教师为中心的教学模式仍占据主导地位，学生的主动性和创造性未能得到充分激发。教师在教学过程中往往忽视了对学生实践能力的培养，而是更多地侧重于理论知识的传授。这种教学模式难以满足快速发展的集成电路产业对人才的需求。

二、OBE理念在微电子专业实践教学中的应用

在微电子专业的集成电路实践教学中，OBE理念的应用标志着教育模式的重大转变。OBE理念强调以学生学习成果为核心，要求教学活动的设计和实施都围绕确保学生能够获得实质性的成功经验。这种以学生为中心的教育模式，不仅关注知识的传授，更重视学生能力的培养，尤其是实践能力和创新能力的提高。

在实施OBE理念时，首先需要明确和设定具体的学习成果目标。这些目标应与学生的职业发展紧密相关，明确指出学生在完成课程学习后应获得的具体能力和达到的技能水平。例如，不再是泛泛地要求学生“理解集成电路设计的基本原理”，而是具体到“能够设计并实现一个具有特定功能的集成电路”。

教学内容的选择和组织也应围绕学习成果进行。这意味着课程不仅要涵盖必要的理论知识，还要包括行业的最新实践、技术趋势和案例研究。通过这种整合，学生能够直观地看到知识的实际应用，从而增强学习的动力和效果。

教学方法的创新是OBE理念实施的关键。采用案例分析、项目驱动学习、模拟实验等多样化的教学方法，可以有效提升学生的实践操作能力和问题解决能力。例如，通过与企业合作引入真实的工程项目案例，让学生在解决实际问题的过程中学习和应用知识。

强化实践环节是微电子专业教育的重要组成部分。通过实验室工作、实习、设计竞赛等多种形式，为学生提供充足的实践机会。这些实践活动应与理论教学紧密结合，确保学生能够在实践中深化对理论知识的理解和应用。

最后，建立持续改进的机制是确保OBE理念有效实施的关键。教育机构应建立有效的反馈和评估机制，定期收集学生、教师和行业专家的反馈，以评估教学活动的效果，并根据反馈持续改进。

三、集成电路实践教学改革策略

针对微电子专业集成电路实践教学中存在的问题，以及OBE理念的核心要求，本文提出了以下详细且深入的教学改革策略，旨在从多个维度全面提升教学质量，培养出符合产业需求的微电子专业人才。

（一）实践课程体系的系统性重构

1.模块化课程设计。将集成电路实践课程进行模块化划分，每个模块都聚焦于特定的知识和技能领域，如半导体物理基础、电路设计、版图绘制、仿真验证等。各模块之间既相互独立又紧密关联，形成一个系统性强、逻辑清晰的知识体系。这种模块化设计有助于学生在学习中逐步构建完整的知识结构，提高学习效率。

2.项目化教学模式。以项目为导向，将理论知识与实践操作深度融合。通过设计一系列涵盖不同难度和层次的实践项目，让学生在完成项目的过程中逐步掌握集成电路设计的全流程技能。每个项目都设定明确的目标和评价标准，确保学生在完成项目后能够达到预定的学习效果。

（二）实践教学方法的多元化创新

1.案例教学。引入大量行业内的实际案例，让学生在分析案例的过程中学习理论知识，提高问题解决能力。通过案例教学，学生能够更直观地理解知识的应用场景和价值，增强学习的针对性和实效性。

2.虚拟实验室。利用虚拟现实技术建立虚拟实验室，为学生提供更多样化的实践机会。虚拟实验室可以模拟真实的实验环境和设备操作过程，让学生在没有实际设备的情况下也能进行实验操作和学习。

（三）实践教学资源的全面整合与优化

1.硬件资源建设。加大投入力度，建设高标准的集成电路设计实验室和测试中心。购置先进的实验设备和软件工具，如EDA设计软件、测试仪器等，确保学生能够接触到最新的技术和工具。

2.软件资源开发。开发适合微电子专业集成电路实践教学的软件资源，如在线课程、模拟实验平台、教学案例库等。这些软件资源可以为学生提供更加便捷、高效的学习途径和工具支持。

3.校企合作深化。加强与集成电路企业的合作与交流，建立校企联合培养机制。通过与企业合作共建实验室、实习实训基地等方式，为学生提供更多接触实际工程项目和了解行业发展的机会。同时，邀请企业专家来校授课或举办讲座等活动，丰富学生的专业知识和社会经验。

（四）评价体系的科学重建与持续优化

1.多元化评价指标。建立以学生学习成果为导向的多元化评价体系。除了传统的考试成绩外，还应考虑学生的实验课堂表现、项目设计成果、团队合作能力、创新思维等多方面的因素。

2.形成性评价与总结性评价相结合。形成性评价注重学生在学习过程中的表现和进步情况，通过定期反馈和指导帮助学生及时调整学习方法和策略；总结性评价则注重对学生学习成果的全面总结和评估，为学生的学习提供明确的指导和方向。

3.反馈机制的建立与完善。建立有效的反馈机制，定期收集学生、教师和行业专家的反馈意见和建议。同时，加强对学生学习过程的跟踪和监测工作，及时发现和解决学生在学习过程中遇到的问题和困难。

四、实践课程的OBE理念应用案例

在“微电子科学与工程专业设计”这门课程中，将OBE理念全面融入教学的每个环节，以确保学生能够获得与未来职业发展紧密相关的实质性成功经验。这是学习集成电路设计理论后开设的一门必修综合性实验课程，共计48学时，分为两次实践。

第一次实践：模拟集成电路综合设计实验。要求设计一款用于温度传感器信号调理的CMOS集成运算放大器。学生根据应用背景和电路需求设计集成运算放大器的主要指标，并在教师提供的工艺库中分析对比相关工艺的特点，选择合适的工艺库。根据运放指标选取合适的电路结构，结合SPICE模型设计电路，通过手工计算，得到各设计参数值。随后在EDA工具中绘制相应的原理图，进行主要指标的仿真验证。完成电路设计及仿真之后，需要根据原理图完成集成运放的版图设计，将电路转换为图形描述形式。完成版图后进行DRC、LVS和寄生参数的提取，最后进行后仿和电路优化。各实验小组针对项目完成情况进行汇报和实物演示，按要求完成设计报告并对实验过程中遇到的问题和心得体会进行总结交流。

第二次实践：数字集成电路综合设计实验。以设计一个UART控制器为例，学习数字电路寄存器传输级Verilog HDL描述与基于Modelsim的仿真过程。以Xilinx Artix-7系列FPGA为例，介绍如何定制一颗ARM Cortex-M3 SoC软核，并添加GPIO和UART外设，使用Keil MDK环境开发应用程序，Jlink下载、调试ARM程序，最终实现串口的通信。在数字集成电路设计实践中，学生学习使用Verilog HDL进行寄存器传输级设计，并在FPGA上实现。他们通过Keil MDK环境开发应用程序，使用Jlink进行下载和调试，最终实现串口通信。在这一过程中，学生不仅学习了数字电路设计的关键技能，还提高了解决实际工程问题的能力。

在评价体系方面，建立了以学生学习成果为导向的多元化评价体系。评价不仅基于学生的项目成果，还包括他们在设计过程中的创新思维和团队合作表现。采用形成性评价与总结性评价相结合的方式，通过定期反馈和指导帮助学生及时调整学习方法和策略。

通过这些改革措施，成功地将OBE理念融入“微电子科学与工程专业设计”课程中，提升了学生的实践能力和创新能力，更好地满足了集成电路行业对高素质人才的需求。

结语

本文通过对OBE理念在微电子专业集成电路实践教学中的应用进行了深入探讨，提出了一系列有针对性的教学改革策略。这些策略旨在通过优化课程体系、更新教学内容、创新教学方法、整合实践教学资源、重建评价体系以及支持学生个性化发展，提升学生的实践能力和创新能力。通过实施这些措施，期望微电子专业集成电路实践教学能够不断进步，以培养出更多具有创新精神和实践能力的高素质专业人才，为国家的科技进步和产业发展做出更大的贡献。