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微电子专业中模拟领域课程群的CDIO教学建设

来源:UC论文网2020-10-12 09:33

摘要:

  摘要:微電子模拟领域课程群主要包括模拟/射频/混合信号集成电路设计、模拟集成电路版图设计、模拟EDA设计等数门专业课程,是设计方向课程中的核心部分。本文基于CDIO教学模式,对现有课程群存在的问题进行分析,从教学、项目制内容等方面进行研究。旨在以项目制为中心的模拟课程群中,激发学生主观能动性,加强理论与实践之间的联系,最终提高学生分析、查找、解决工程问题的综合能力。  关键词:微电子;CDIO...

  摘要:微電子模拟领域课程群主要包括模拟/射频/混合信号集成电路设计、模拟集成电路版图设计、模拟EDA设计等数门专业课程,是设计方向课程中的核心部分。本文基于CDIO教学模式,对现有课程群存在的问题进行分析,从教学、项目制内容等方面进行研究。旨在以项目制为中心的模拟课程群中,激发学生主观能动性,加强理论与实践之间的联系,最终提高学生分析、查找、解决工程问题的综合能力。


  关键词:微电子;CDIO;课程群;项目制


  中图分类号:G642.0文献标志码:A文章编号:1674-9324(2019)32-0261-02


  一、引言


  CDIO(构思—Conceive、设计—Design、实现—Implement和运作—Operate)始创于21世纪初,是一种以产品生命周期为载体,项目制为核心的自顶向下的工程教育模式,适用于以工程培养为主的工科专业。自创始之日起,随着以麻省理工学院为代表的国际一流院校开始实施,国内高校近年来也逐渐将CDIO教育理念引入计算机、自动化等工程类专业中,促进了教学方法和人才培养模式的创新,取得了一系列的成果。


  自2014年我国发布《国家集成电路产业发展推进纲要》以来,微电子产业已经上升为国家重点发展产业。而国内高校则肩负着微电子人才培养的重任。由于微电子专业是一门交叉性很强的系统学科,理论性、工程性都很强。而其中的模拟集成电路作为设计类的核心课程群,对学生运用理论知识、解决实际工程问题、总结经验、提出创新都有非常高的要求。因此结合CDIO理念,研究和实践该课程群的人才培养模式,是实现我校微电子专业升级和发展的重中之重[1]。


  二、模拟领域课程群面临的问题


  首先,在目前模拟领域专业课的教授过程中,我们发现大多数学生掌握的知识和拥有的能力与培养目标中的工程能力要求相距甚远,直接影响是学生在毕业后无法胜任直接的生产和设计工作。典型情况表现为在工程实践性较强的设计中,学生的知识网络碎片化,即使在单门课程掌握较好的学生群体中,也出现交叉知识无法融会贯通的现象,从而导致在实践过程中,对项目规划、进展、细节调整、团队分工等工作无从入手,进展艰难。


  而通过对各层次实践受众面的分析发现,在课堂实验—工程实验—开放实验—竞赛项目—创新创业项目的发展路线中,学生参与度急剧下降。其原因在于:在原设计的知识内容与多种类型、多层次实践活动结合的过程中,学生只关注了单一课程内的知识细节,只从有限的知识逻辑角度出发,而忽视了多门课程理论对实践的指导意义。在此情况下,教学活动过程中缺乏从项目(应用)逻辑出发的角度。在以知识逻辑为主的教学过程中,学生的思维容易蜷缩在狭小的知识空间,而对课程内部知识点之间的联系、与其他专业课之间的联系、知识网络架构、知识与实践的相关性缺乏认知。而具有一定规模的实践项目是从应用角度入手,例如,一个小规模的滤波器电路也涉及模拟电路、信号与系统、数字信号处理等多门课的知识点。因此,如果大部分学生仅局限在某一专业课的范围内探索,那么专业知识内容与多层次实践活动就会存在较大鸿沟,无法对项目进行指导。


  因此,我们应注意到从知识逻辑(课程讲授)角度出发与从项目(应用)角度出发的学习方法和教学方法具有较大不同,从而在课程环节中,需要从知识逻辑(课程讲授)角度和项目(应用)角度这两个视角,为学生提供相应的讲授和实践化锻炼。只有这两个角度交互印证,夯实教学基础,并紧密结合理论知识内容,才可以有力支撑学生进行深化的融会贯通式学习。这也是在模拟领域课程群中引入CDIO理念的本质目的[2]。


  三、模拟领域课程群CDIO实施内容


  从知识逻辑和项目实践二者并重的角度考虑,在教学环节设计中,以CDIO工程教育理念为指导,教师必须提供合理的资源和环境,并制定进阶式的项目导向工程环节,使学生从易到难,逐步提升自身能力。同时,在此过程中,能够逐渐从单一课程知识向外延伸,随着项目难度增加,融合多门相关专业课内容,从而达到锻炼自主能力的目的。从教师角度考虑,以CDIO为核心的课程建设主要应该包含以下几方面内容。


  (一)课程环节设计


  课程环节设计需要考虑多门专业课的交叉融合,既要抓住本门课的重点,又要关注交叉知识点的拓展,做到各环节内容、环节步骤、环节交织上的逻辑关系无缝连接。主要环节包括如下内容。


  1.课堂讲授。课堂讲授环节分为教师讲授和学生互动讲授两部分内容。教师讲授中,重点对本门课的知识架构内容进行解读和传授,并适当配合一定的工程案例进行简要介绍。案例应该包含相关课程的专业知识。教师在讲授该知识点时,拓展到相关课程进行适当回顾,同时对交叉知识点进行归纳、总结。之后,教师引导学生组成讨论组,在对本门课理解的基础上,重点对交叉知识点进行细节讨论,并及时向教师反馈尚未理解的内容,在最短时间内形成交互讨论的环节,夯实复杂知识点内容,从而完成整个知识体系的建立。


  2.课后知识内容自学梳理。在课后,教师需要引导学生在完整的知识架构下进行自学和理解。这是一个逐步深化的环节,这部分内容进一步从教师讲授为主转变为学生自学为主。同时指导学生对重要交叉知识点进行调研、查找文献、分析等工作,拓展知识维度,并定期组织交互讨论会,与同一项目组成员共同解决重要问题、分享知识点。


  3.调研与总结。将本门课重点与交叉知识点“打包”,根据项目实践需求,划定一定的调研范围,具体实施内容包括论文查阅、前修课程、后续课程相关知识点的汇总,最终形成调研报告。调研报告必须涵盖本知识群的研究现状、存在问题以及发展趋势和改进措施,同时引导学生形成自己的思路,提出新方法。


  4.实验实践。在模拟领域课程群中,实验实践是重点环节。需要采用进阶式设计的方式,可细分为基础实验和进阶式实验两个层面。基础实验包括基本理论运用、软件使用、基本电路仿真等。在该阶段,学生根据教师提供的实验指导书和辅助材料,进行基本的实验操作,完成实验报告。在进阶式实验环节,教师选择难度适中的实验项目框架,学生从中细化实验内容,提出实验设想、制定策略、实施解决方案、分析结果、总结经验,全自主完成实验[3]。


  (二)工程项目规划和实施


  项目制实践是CDIO工程教育理念中的核心部分。教师选取具有一定规模的工程性项目,如可编程增益放大器、传感器模拟前端、基准源等规模和难易程度适中的电路,明确各个项目的参数指标和实现目标,由2—3名学生组成项目组实施。其中一名学生作为组长,细分项目责任,逐步完成文献调研、方案制订、电路设计、报告总结等各项工作,充分锻炼学生文献获取、重要信息提取、沟通交流、规划、自学提高等重要能力。由于项目组长是项目制实践的发起人,他的能力很大程度上决定了项目实施的成败。因此,教师和项目组成员在项目初始阶段,需要对项目组长人选进行合理评估,确保其能够保证后续项目的顺利进行。


  (三)评价体系


  在CDIO实践中,评价体系的建立也是重要内容。评价体系包含了考试内容和实践内容两大部分,并且实践内容的评价是主要矛盾[4]。考试内容遵循传统的考查方式,只是更为强调交叉知识点的考查,主要关注学生对交叉理论的掌握程度。实践内容中,除了实践结果评估,学生的互动讲授和项目制中的总结陈述也是评价重点。学生分组互动讲述部分中,教师根据学生理解的知识点及逻辑关系进行评价;而项目制实验中,教师则根据项目实施过程、项目结题展示等过程进行评价,最终综合二者结果给出合理的评价结论。

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