面向产业需求的集成电路专业本科教学改革研究
作者: 姜赛 张含 邱建华
[摘 要] 集成电路是现代信息产业的核心技术,广泛应用于消费电子产品、汽车电子、人工智能、军事国防等领域。目前,我国集成电路产业在国家政策、半导体设备、芯片设计、半导体工艺等方面已经取得显著发展,但在专业人才培养方面存在与行业脱节、创新能力不高等问题。提出建立面向产业导向、面向产业需求核心理论课程、面向产业需求校企融合实践和面向产业需求企业级实训的闭环课程体系,形成“从产业中来,到产业中去”的核心思想;改革优化集成电路基础课程,注重校企融合教学和实训,强化学生的工程实践能力和系统集成能力,构成满足OBE(Outcome-Based Education)教学理念的人才培养体系。
[关键词] 面向产业需求;集成电路;教学改革;课程设置
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324(2023)47-0105-04 [收稿日期] 2023-07-25
引言
随着信息技术的迅猛发展,集成电路作为电子工程领域的核心技术,在现代社会中扮演着举足轻重的角色。从智能手机到人工智能系统,从物联网到自动驾驶,集成电路的应用无处不在,推动着科技进步和产业发展。目前,我国集成电路产业在技术装备水平、产品结构、创新能力等方面都有了很大的提高,但与国际先进水平相比还存在较大差距。因此,我国还需要加强自主创新和核心技术研发,提高产业链整合能力和国际竞争力。同时,集成电路的人才培养成为提高人才核心竞争力重要的方法。因此,集成电路本科教学改革研究成为备受讨论的教学课题之一,引起产业界、学术界和政府多方共同关注[1]。传统的集成电路教学往往以理论知识为主导,侧重于学生的理论知识掌握,忽视了学生在实际工作中所需的技能和实践能力。而当学生毕业后步入职场时,他们常常面临实际工作任务的复杂性和多样性,从而出现与产业需求脱节的情况。这不仅对学生个人的职业发展造成了困扰,也对产业的创新和发展产生了不利影响。因此,面向产业需求的集成电路教学改革势在必行[2-3]。
本研究旨在探索面向产业需求的集成电路教学改革的策略和方法,构建产学研融合的集成电路教学课程体系,进一步提出明确的面向产业需求的集成电路本科教学改革具体实施策略,以提高学生的综合能力和就业竞争力。通过与企业合作,将课程内容与实际工作需求相结合,设计出符合产业发展趋势的课程设置方案。同时,采用基于项目驱动的教学方法,通过实际项目的设计和实施,培养学生的团队合作能力和解决问题的能力。此外,我们还将重视实践环节,在实验室实践、实习和实训等环节中,让学生将所学知识应用到实际操作中,提升他们的实际技能和职业素养。本研究的意义在于,通过对面向产业需求的集成电路教学改革的深入研究,我们可以为高等教育提供更加适应产业发展需求的教学模式和培养方案。同时,该研究也对高校教师的教学改革提供借鉴和参考,促进教育与产业之间的紧密对接。
一、面向产业需求的集成电路教学课程设置改革方法
(一)面向集成电路产业需求的课程设置原则
2020年8月,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》。在“人才政策”部分,该政策称,紧密结合产业发展需求及时调整课程设置、教学计划和教学方式,努力培养复合型、实用型的高水平人才[4]。在国家政策和产业需求的背景下,集成电路专业的教学将更加注重产学研结合,以应对快速发展的行业要求和迫切的人才需求。课程的设置在保持基础性的前提下,更加注重实用性和前瞻性。构建“半导体物理基础—半导体制造工艺—集成电路设计实现—集成片上系统设计”的“自下向上”的完整渐进式专业课程体系,通过校企融合教学和实训,强化学生的工程实践能力和系统集成能力,融合面向产业需求的新器件、新工艺和新应用的教学内容和创新创业教育教学方法,构成满足OBE教学理念的人才培养体系。
(二)融合产业前沿技术需求的课程改革方法
面向改革需求,我们构建了面向产业导向、面向产业需求核心理论课程、面向产业需求校企融合实践和面向产业需求企业级实训的闭环课程体系,形成“从产业中来,到产业中去”的核心思想(见图1)。首先,针对产业导向,我们将教学细分为集成电路制造—工艺开发、集成电路设计、集成电路制造—晶圆生产和集成电路封测四个主流阶段。其次,对于每一个产业细分,再融合产学研的发展需求,建立“基础理论—校企实践—企业级实训”课程。基础理论课设置兼具基础性和前瞻性,以“面向集成电路制造—工艺开发阶段”为例,其核心理论课程包含半导体物理、半导体器件与工艺和集成电路设计基础等基础课程;其核心实践课程包括半导体器件TCAD设计仿真、功率器件建模仿真和纳米FinFET器件物理与模型等校企融合课程。该类课程以校内教师为教学主体,企业导师讲授应用性知识并指导实践环节。最后,该课程体系还建立企业级PLL设计实践、企业级MCU设计实战和企业级Macro布局布线等企业级实训。面向产业前沿新兴技术领域的课程设置与产业需求紧密结合,以产业的实际需求,快速更新教学内容,促进市场和企业发展。这样,学生所学的知识和技能将与产业发展需求紧密契合,有助于提高学生的就业竞争力。
因此,融合产业前沿新兴技术需求的课程设置方法是一种面向未来的教育策略,它能够满足将学生培养成具备多学科知识和实践能力的复合型人才,以适应快速发展的科技产业,以及推动产业创新和进步的需求。这种方法不仅有利于学生个人职业发展,也能为社会和产业的可持续发展做出积极贡献。
二、面向产业需求的集成电路本科教学改革具体实施策略
(一)面向产业需求的集成电路本科教学改革核心
在集成电路本科教学中,我们需要将OBE教学理念和产学研结合,对教学内容进行全面的改革。OBE教学理念强调以学生为中心,以成果为导向,注重培养学生的创新能力和实践能力。以OBE教学理念为导向,加强学生对集成电路设计基本原理和方法的掌握,强化学生对制造工艺、成本管理和环境安全等方面的了解,加强学生对半导体测试流程和测试设备的了解,培养学生的创新和实操能力。以企业项目作为教学体系的中心,构建系统的校内理论和实验课程,以及校外理论和实训课题。通过实际项目的教学,让学生对半导体芯片设计、制造工艺和封测充分理解,了解实际工作中所面临的问题和解决方法,提高其实践能力和解决问题的能力。对于课程评价改革,通过引入企业导师和校内导师双轨评价机制,对学生实训参与度、创新能力、团队合作能力等因素进行全面综合评价。基于这些改革,我们可以更好地满足集成电路行业对特定性、紧缺型人才的需求,培养出更具竞争力的集成电路专业本科人才。
(二)面向产业需求的SOC(System on Chip)设计教学实施方法举例
集成电路设计是半导体产业链中的首要环节。伴随人工智能、万物互联和自动驾驶等领域快速发展,具有系统性集成电路芯片设计能力的学生成为行业急需的对象。所以,培养学生软硬件协同芯片设计能力极为重要。面向产业需求,我们将系统性构建基于SOC芯片设计的课程体系和企业实训课题,通过产学研结合的方式,完成SOC设计教学实施。该教学主要基于产业超低功耗SOC设计需求,以ARM Cortex M3软核为基础,结合先进设计、仿真、综合工具完成设计,并用FPGA进行部署验证,以此为基础完成本课理论和实验教学[5]。
首先,基于产业合作,建立与SOC设计相关产业企业的合作关系,获取产业新技术需求和设计规范。与企业共同制定教学目标和教学内容,确保教学紧密贴合产业需求。以产业研究为导向,引入科研项目,激发学生的创新潜力。学生可以参与具有一定挑战性的SOC设计项目,从而加深对知识的理解和应用,并培养解决实际问题的能力。建立产业导师,聘请产业导师参与教学,提供实际项目指导和专业知识支持。产业导师将带领学生深入了解产业现状和技术前沿,帮助学生更好地理解和应用所学知识。
在教学过程中,充分贯彻产学研结合的教学方法和OBE教学理念。设定明确的OBE教学目标,明确学生在SOC设计方面应该掌握的知识和技能,包括ARM Cortex M3软核架构、超低功耗设计技术、先进设计和仿真工具的使用、融合产业超低功耗SOC设计需求和规范等。设计OBE教学策略,教学内容应该紧密贴合学习目标和产业需求。采用积极互动的教学方法,如案例教学、项目驱动教学和团队合作项目,促进学生主动学习和实践。教师将介绍SOC设计的基本原理和相关知识,包括ARM Cortex M3软核架构、低功耗设计技术、时钟和电源管理等。学生将学习SOC设计的整体框架和流程,继续开展实验教学,学生将参与具体的SOC设计项目。首先,学生将使用先进的设计、仿真、综合工具,如Vivado、Quartus等,进行SOC设计和验证。其次,学生将在FPGA平台上部署验证设计,测试功能和性能。最后,建立产业合作框架,学生还将参与产业合作项目,与企业合作完成SOC设计任务。学生将与企业合作完成具体功能模块的设计和验证,深入了解产业需求和设计规范。实施OBE教学评估,建立完善的学生评估体系,通过课堂作业、实验报告和项目评估,对学生的理论知识和实际应用能力进行综合评估。产业导师和校内教师将共同对学生进行指导和评价,并对OBE教学成果进行监测和反馈。通过OBE教学理论和产学研结合的SOC设计教学实施方法,学生将掌握先进的设计和仿真工具,提高实际应用能力。
结语
本文以“从产业中来,到产业中去”为核心思想,构建“半导体物理基础—半导体制造工艺—集成电路设计实现—集成片上系统设计”的“自下向上”的闭环课程体系。课程体系的设计以产业需求为导向,紧密结合集成电路产业的发展前沿,确保培养出符合行业需求的专业人才。设计课程内容时,注重涵盖集成电路产业的核心理论,融合行业发展前沿知识,帮助学生建立扎实的理论基础。将校内教学与企业合作实践结合,让学生接触真实的产业环境,提高他们的工程实践能力和系统集成能力。通过开设企业级实训课程,让学生深入参与集成电路产业项目,培养学生解决实际问题的能力,构建满足OBE教学理念的人才培养体系。这样的课程体系将有助于填补我国集成电路产业在专业人才培养方面的短板,为产业发展提供有力的支持。
参考文献
[1]管开轩,余江,周建中,等.高水平科技自立自强下我国集成电路人才培养“痛点”与对策[J].中国科学院院刊,2023,38(2):324-332.
[2]段倩倩,张文栋,史健芳,等.“集成电路设计基础”课程教学改革探索[J].中国电力教育:中,2014(11):91-92.
[3]陈艳,李世国,张卫丰.集成电路专业职教本科人才培养模式的探索[J].职业教育,2022(11):711.
[4]国务院.关于印发新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知:国发〔2020〕8号[A/OL].(2020-08-04)[2023-06-25].https://www.gov.cn/zhengce/content/2020-08/04/content_5532370.htm.
[5]MORGAN A A, ALLAM M E, SALAMA M A, et al. Implementation of an ARM compatible Processor core for SOC designs[C]. 2005 International Conference on Information and Communication Technology. IEEE,2005: 851-859.
Research on the Reform of Integrated Circuit Undergraduate Teaching for Industrial Needs
JIANG Sai, ZHANG Han, QIU Jian-hua
(School of Microelectronics and Control Engineering, Changzhou University, Changzhou, Jiangsu 213164, China)
Abstract: The integrated circuit industry is the core industry in the field of modern science and technology, and is widely used in consumer electronics, automotive electronics, artificial intelligence, military defense and other fields. At present, the integrated circuit industry in our country has made significant improvements in terms of national policies, semiconductor equipment, design capabilities, and process development, but there are problems such as being out of touch with the industry and poor innovation capabilities in terms of professional talent training. This paper proposes to establish a closed-loop curriculum system that is industry-oriented, core theoretical courses oriented to industrial needs, university-enterprise integration practice oriented to industrial needs, and enterprise-level practical training oriented to industrial needs, forming the core idea of “from industry to industry”. Through reform and optimization of integrated circuit basic courses, focus on school-enterprise integration teaching and practical training, strengthen students’ engineering practice ability and system integration ability, and form a talent training system that meets the OBE (Outcome-Based Education) teaching concept.
Key words: oriented to industry demand; integrated circuit; teaching reform; curriculum setting