北京工業(yè)大學電控學院集成電路與系統(tǒng)集成研究室 耿淑琴 侯立剛 汪金輝 彭曉宏

集成電路在社會發(fā)展中扮演著非同尋常的角色，幾乎滲透到了各行各業(yè)。隨著全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展，集成電路的制造與開發(fā)中心正逐步向我國轉(zhuǎn)移。我們肩負重大的歷史使命，是要把我國建設成為集成電路的生產(chǎn)大國進而成為集成電路強國[1]。因此培養(yǎng)二十一世紀集成電路設計人才是我們教師面臨的歷史任務。北京華大九天軟件有限公司致力于開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的EDA軟件，提供高端的SoC解決方案和一站式設計生產(chǎn)服務，為培養(yǎng)集成電路設計人才提供了很好的軟件平臺。北京市2011首屆“華大九天杯”大學生集成電路大賽以充分調(diào)動各方面的參與積極性。對學生來說，競賽為他們提供了一個開闊眼界、互相學習和交流的好機會，這是任何課堂教學都無法替代的；對指導老師來說，競賽可以促進他們轉(zhuǎn)變陳舊的教學理念，改進落后的課程體系，積極尋求新的教學模式，真正做到教學目標、教學內(nèi)容和教學方法與時俱進，切實達到面向應用、面向市場、面向社會并最終為社會提供優(yōu)秀專業(yè)人才的最高教學目標[2]。實踐表明，開展大學生集成電路設計競賽，對于推進我國集成電路人才培養(yǎng)、推進素質(zhì)教育、理論實踐結(jié)合能力、解決問題的能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作能力和培養(yǎng)學生的集體榮譽感等方面具有重要意義，同時也對高校的集成電路設計課程和實踐教學改革起了一定的引導作用，極大的強化了學生繪制版圖和電路設計能力。本人有幸?guī)ьI學生參加了此次比賽，獲得了一些啟示。

1.立足現(xiàn)實，拓寬應用

本次大賽的活動宗旨是豐富微電子學專業(yè)學生的專業(yè)知識，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、獨立思考和操作能力，鞏固和加深所學專業(yè)知識基礎，推動京津地區(qū)高校微電子學專業(yè)的交流和發(fā)展，并對國產(chǎn)正版EDA軟件的普及和應用起到積極推動作用。

2011年北京大學生集成電路設計大賽分成大學本科和研究生兩個級別（本科生組33個組；研究生33個組），每組3人，進行筆試和上機操作。比賽相關(guān)規(guī)則：筆試階段，采用閉卷形式，由各參賽隊員獨立完成，最終成績計入小組總分；上機操作，以小組形式參加。

2.正確的指導思想

電子學會組織的此次大學生集成電路大賽立足高，緊密結(jié)合教學實際，著重基礎、注重培養(yǎng)實踐能力的原則為大賽成功舉行樹立了正確的指導思想。

“華大九天杯”集成電路大賽凝聚了各級領導、專家、學者和我校學科部領導、老師及每個參賽隊員的心血與汗水。在比賽的前后，我們的指導思想是：參賽獲獎不是最終目的，深人持久地開展教育教學改革，充分調(diào)動學生學習積極性，吸引更多的學生參加各類競賽和科技活動，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀專業(yè)人才，才是我們的努力方向。集成電路大賽引來了眾多企業(yè)，他們對參賽學生的青睞，對于與學校合作的重視，也正是我們學校所渴求的。在參賽中與同行各企業(yè)充分交流，學校與企業(yè)的緊密結(jié)合，才能更清楚市場對優(yōu)秀畢業(yè)生的要求，進而能明確培養(yǎng)目標，并在平時的課程教學中加以滲透，在教學中不斷改進；在參賽中與其他兄弟院校充分分享經(jīng)驗，不斷學習別人的長處，分析參賽中暴露的共性問題，在教育教學中不斷改進；在參賽中提高教師的指導水平和改進教育教學方法；在參賽中提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)大批適應現(xiàn)代化建設需要的基礎扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應用型人才，才是我們參加北京大學生集成電路設計競賽的最終目的。

3.準備認真，重在過程

承辦方北方工業(yè)大學周密的準備工作和熱情的服務為大賽成功舉行創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。北方工業(yè)大學和華大九天公司組織的集訓為成功參賽奠定了扎實的基礎。

在學科部領導和各位老師的努力下，在實驗室老師的大力協(xié)助下，在華大九天公司培訓人員的大力支持下，我們組織了兩個階段的集中培訓，并在培訓的基礎上進行了有針對性的輔導練習，并在參賽前舉行了預賽。這些環(huán)節(jié)對學生和老師起到了很好的引導和督促作用，保證了良好的訓練環(huán)境，營造了積極向上的參賽氛圍。

在電子競賽的準備過程中，適逢暑假，假期長，學生們可以充分利用暑假時間認真復習電子器件、數(shù)字電子電路、集成電路分析與設計等課程的理論知識。同時，學生們還學習華大EDA軟件，進行實際電路和版圖繪制上機練習，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實踐的學風。通過競賽準備，學生需要綜合運用所學知識，解決競賽中遇到的各種問題，提高了運用理論知識解決實際問題的能力。通過競賽準備，磨合了小組間的默契配合和分工，增進了師生情誼，提高了團隊作戰(zhàn)能力。通過競賽準備，找出了自己在知識上的不足，明確了社會的需要、工作崗位的需要和工作性質(zhì)，樹立了新的奮斗目標，產(chǎn)生了學習新的動力。

4.參賽對嵌入式系統(tǒng)和集成電路設計教學改革的啟示

北京大學生集成電路設計競賽對于培養(yǎng)學生參加實踐的積極性、理論聯(lián)系實際的學風和團隊意識有著重要作用，競賽給學生提供了一個施展才華、發(fā)揮創(chuàng)新能力的機會和平臺。并對高校集成電路設計課程的教學內(nèi)容和電子科學與技術(shù)的課程體系改革和學生今后工作起到一定的引導作用。

4.1 知識整合的系統(tǒng)教學思想

自從1958年基爾比發(fā)明集成電路以后，集成電路一直按照摩爾定律的預測飛速發(fā)展。面對集成電路如此迅猛的發(fā)展形勢，教學工作也要與時俱進，不斷改革創(chuàng)新。我承擔《嵌入式系統(tǒng)》和《集成電路分析與設計》課程，深深體會到微電子專業(yè)的學生學習嵌入式系統(tǒng)與其他專業(yè)有所區(qū)別，因為芯片的設計方向日益朝著片上系統(tǒng)SOC、片上可編程系統(tǒng)SOPC的方向發(fā)展[3]。學生不僅需要有系統(tǒng)的概念[4]，同時需要對典型處理器體系結(jié)構(gòu)有清晰的理解，在設計SOC芯片時才會有系統(tǒng)的設計思想[5]，又會對處理器內(nèi)部體系架構(gòu)有清晰的概念。因此，在對微電子專業(yè)的學生講授嵌入式系統(tǒng)時，要緊密結(jié)合集成電路設計的要求，結(jié)合集成電路分析與設計、數(shù)字電子、模擬電子、電子器件等課程的內(nèi)容，使學生不僅對處理器結(jié)構(gòu)體系清楚，更熟悉各模塊電路，如ALU單元電路、筒形移位器、乘法器、寄存器、SRAM、DRAM單元等等。在處理器的外圍，培養(yǎng)學生系統(tǒng)的概念，掌握外部單元電路，如存儲器單元電路、系統(tǒng)總線單元、SPI、IIC、UART等等外圍接口電路，從使用者的期望角度出發(fā)，來進行芯片的設計，既是使用者，又是設計者。學生在學習集成電路設計的課程時，緊密結(jié)合嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、結(jié)合處理器內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)，具有整體的大的系統(tǒng)性設計概念，整合學生對各個課程的分離的知識內(nèi)容，培養(yǎng)綜合運用所學知識解決系統(tǒng)問題。通過增加實驗和上機課時，提高學生將理論與實踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學生運用所學理論知識解決實際問題的能力。

4.2 改革傳統(tǒng)的教學模式

我國的大學課堂教學模式長期以來被德國教育家赫爾巴特的“四段論”與前蘇聯(lián)教育家凱洛夫的“五環(huán)節(jié)”所主宰，在新的教育環(huán)境和教育目標下，他們所倡導的課堂教學結(jié)構(gòu)和施教程序越來越明顯地暴露出它的弊端，最突出的是“以教代學”的陳腐教學思想和“注入式”、“滿堂灌”的落后教學方法.這種“以教師為中心，以教材為中心”的課堂教學，決定了學生在整個教學過程中所處的被動地位，很大程度地禁錮了學生的創(chuàng)造性思維，對學生自學能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)構(gòu)成了嚴重的障礙[2]。

現(xiàn)代教育理論指出：指導學生從實踐和探索中通過思考獲取知識，又在解決問題的探索活動中，運用已獲得的知識和技能是培養(yǎng)智能的最好途徑。

本次競賽上午閉卷完成理論知識的考試。本科生的上機操作內(nèi)容是根據(jù)提供的狀態(tài)圖設計一個計數(shù)器電路，然后進行原理圖的繪制，再次進行版圖繪制，進而進行DRC、LVS等環(huán)節(jié)驗證，并撰寫設計報告。學生需要利用數(shù)字電路中所學的狀態(tài)表，構(gòu)造出邏輯關(guān)系式，運用卡諾圖化簡得到最簡電路，最后再繪制單元電路，設計出具體的CMOS電路和版圖，并進行驗證。同時還需要構(gòu)造出計數(shù)器所需的時鐘電路。在上機的開始一個半小時中，指導老師可以參與指導，這樣增加了比賽中老師對學生的限時指導內(nèi)容，更有利于學生的競賽，符合培養(yǎng)人才的現(xiàn)代理論要求。

學生基本上完成了從需求分析、電路設計、繪制電路、（仿真）、版圖繪制、驗證到撰寫報告等環(huán)節(jié)。通過競賽，使學生能親自感受一個簡單的集成電路設計流程，培養(yǎng)了學生的系統(tǒng)設計概念。學生從早晨9點一直進行到下午六點，在短短的一天內(nèi)要完成筆試和7個小時的上機電路繪制和驗證等工作，小組成員只有密切配合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，保持堅韌不拔的精神，才能取得最終的勝利。這種方式非常有利于培養(yǎng)學生的合作精神和團隊精神，鍛煉了學生的毅力和體力。

施教之功，貴在引導。可以看出，競賽在很大程度上符合現(xiàn)代教育理論的要求，符合學生的認知規(guī)律。以學生為主體、教師為主導的教學模式正是以傳授知識為前提，以形成技能為基點，以培養(yǎng)智能為重心，以全面發(fā)展人才為歸宿。在《嵌入式系統(tǒng)》和《集成電路分析與設計》課程教學中，增大課程的實驗內(nèi)容，學生帶著問題，進行學習，進行思考、小組討論，經(jīng)老師點撥，實現(xiàn)了運用所學理論解決實際問題的過程，既培養(yǎng)了學生的綜合能力，又完成了教學任務，符合現(xiàn)代教育論的要求。

施教之旨，在于培養(yǎng)學習方法和思維方式，培養(yǎng)獲取新知及再創(chuàng)造之本領。將學生分成小組，布置某一命題，發(fā)揮學生的主動性，引導他們查閱資料，分析歸納總結(jié)，并在課堂中進行報告或?qū)嶒炑菔?。學生反映效果很好，獲取了知識，又培養(yǎng)了學生自學能力和主動獲取知識的方法。

5.引導學生參與科研，撰寫學術(shù)論文

通過大賽引導大學生形成一股扎扎實實的學習和研究的風氣。激發(fā)學生在專業(yè)領域的學習興趣，參與到老師平時的科研中，增加動手實踐的機會。并在科研中進一步培養(yǎng)學生的研究興趣，形成良性循環(huán)。對于取得的研究成果，可以引導學生撰寫論文，并能在廣大同學中起到表率作用。

6.結(jié)束語

培養(yǎng)二十一世紀集成電路設計人才是我們教師面臨的歷史任務。北京市2011首屆“華大九天杯”大學生集成電路大賽以充分調(diào)動各方面的參與積極性。正確的指導思想、科學的組織程序、踏實認真的準備工作以及大賽對校企合作、對教學改革將產(chǎn)生重要的影響。實踐表明，開展大學生集成電路設計競賽，對于推進我國集成電路人才培養(yǎng)、推進素質(zhì)教育、理論實踐結(jié)合能力、解決問題的能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作能力和培養(yǎng)學生的集體榮譽感等方面具有重要意義，同時也對高校的集成電路設計課程和實踐教學改革起一定的引導作用，極大的強化了學生繪制版圖、電路設計能力和集成電路設計思想。

[1]甘學溫,趙寶瑛等.集成電路原理與設計[M].北京:北京大學出版社,2007.

[2]陳建英,李濤,撒曉英.抓住競賽契機 深化計算機專業(yè)教學改革[J].西南民族大學學報·自然科學版,2010,36(9):75-77.

[3]Ahmet Bindal,Sandeep Mann,Billal N.Ahmed.An Undergraduate System-on-Chip(SoC)Course for Computer Engineering Students[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,2005,48(2)：P279-289.

[4]Lei Jing,Zixue Cheng,Junbo Wang.A Spiral Step-by-Step Educational Method for Cultivating Competent Embedded System Engineers to Meet Industry Demands[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,1-10.

[5]Xiumin Shi,Ji Zhang,Yanbing Ju.Research and Practice in Undergraduate Embedded System Course[C].The 9th International Conference for Young Computer Scientists,2569-2663.