關(guān)于面向?qū)嵺`的現(xiàn)代SoC設(shè)計課程教學(xué)方法的創(chuàng)新的論文
摘 要：現(xiàn)代SoC設(shè)計課程是集成電路設(shè)計及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門核心基礎(chǔ)課程。課程教學(xué)分理論授課和實踐教學(xué)兩個環(huán)節(jié)，為使學(xué)生更好地理解授課內(nèi)容，切實有效地提高工程動手能力，對該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的探索和研究。利用團(tuán)隊互動式教學(xué)、遞進(jìn)式實驗設(shè)
關(guān)鍵詞：教育技術(shù)論文發(fā)表,發(fā)表現(xiàn)代教育技術(shù)論文,信息技術(shù)教學(xué)論文投稿
摘 要 現(xiàn)代SoC設(shè)計課程是集成電路設(shè)計及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門核心基礎(chǔ)課程。課程教學(xué)分理論授課和實踐教學(xué)兩個環(huán)節(jié)，為使學(xué)生更好地理解授課內(nèi)容，切實有效地提高工程動手能力，對該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的探索和研究。利用團(tuán)隊互動式教學(xué)、遞進(jìn)式實驗設(shè)置、項目牽引等教學(xué)方法進(jìn)行面向?qū)嵺`的教學(xué)探索，實施多年，取得顯著成效，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時，有效地提升了學(xué)生的工程實踐能力，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提升。
關(guān)鍵詞 現(xiàn)代SoC設(shè)計課程；實踐教學(xué)；實驗案例；互動式教學(xué)
中圖分類號：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1671-489X（2015）08-0143-02
Practice Oriented Teaching Exploration for Modern SoC Design Course//SHEN Jianliang， ZHANF Fan， SONG Ke， LYU Ping， ZHANG Li
Abstract Modern SoC Design is one of basic core courses in integrated circuit design and related majors. It has teaching theory and practicetwo aspects. In order to make students better understand the teaching content and improve the practical ability， this paper do some deep research andexploration on practical teaching， that through interactive teaching by team， setting progressive traction experimental and project teaching method. The implementation of many years has achieved remarkable success to stimulate the learning enthusiasm while effectively improve the practical ability of students， so as to promote the improvement in the teaching quality.
Key words modern SoC design course； practical teaching； experimental case； interactive teaching
1 前言
現(xiàn)代SoC設(shè)計是電子科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、通信與信號系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程。它的先行課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計、數(shù)字邏輯和硬件描述語言，后續(xù)課程有微處理器設(shè)計、高級計算機體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)SoC設(shè)計方法學(xué)等，在一系列硬件課程教學(xué)中起著承上啟下的作用，對學(xué)生理解SoC系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計思想將產(chǎn)生深刻的影響。由于該課程理論性較強、知識面較寬、信息量較大，存在教師難教、學(xué)生難學(xué)等問題，容易造成學(xué)生被動地學(xué)習(xí)，難以真正理解SoC設(shè)計的精髓，也無法調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，致使教學(xué)效果不理想[1-2]。本課程以SoC設(shè)計的基本原理和基本流程為教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程中注重實踐能力的培養(yǎng)，并對實踐教學(xué)方法進(jìn)行探索，以滿足未來對教學(xué)及科研工作的要求。
2 以往SoC設(shè)計課程教學(xué)中存在的問題
教材理論性強，缺乏與實踐教學(xué)的聯(lián)系 目前國內(nèi)SoC設(shè)計技術(shù)相關(guān)教材種類很多，但大多數(shù)理論性強，不夠形象生動，基本只是對設(shè)計流程簡單羅列，所舉示例不夠直觀，很少或者沒有配套的實驗，和實踐教學(xué)存在脫節(jié)，不能直接與SoC系統(tǒng)設(shè)計相對應(yīng)，從而達(dá)不到理想的教學(xué)效果[3]。現(xiàn)代SoC設(shè)計課程多數(shù)為高年級本科生和低年級研究生選修，這個階段學(xué)生對于SoC系統(tǒng)有一定的理解，但對于具體的設(shè)計方法和涉及的工具鏈還沒有清晰的認(rèn)識，對部件的功能和結(jié)構(gòu)分析的能力也還比較弱，急需通過一定的工程實踐來提升設(shè)計能力。在實踐過程中可以鞏固所學(xué)的理論知識，同時對理論知識更好地理解又會進(jìn)一步指導(dǎo)實踐[2，4]。
涉及的知識面廣，橫向和縱向存在很強的關(guān)聯(lián)性 SoC設(shè)計是集成電路設(shè)計領(lǐng)域一門重要的課程，涵蓋的知識面很廣。從底層的半導(dǎo)體物理器件，到芯片封裝測試及其應(yīng)用都有涉及，橫向與縱向的知識關(guān)聯(lián)性強。一方面，該課程先修課程本身難度就較大，與數(shù)字集成電路設(shè)計、數(shù)字邏輯和硬件描述語言等先修課程有縱向的密切關(guān)聯(lián)。如果學(xué)生沒有很好地掌握這些知識，勢必影響到現(xiàn)代SoC設(shè)計課程的學(xué)習(xí)。這種縱向聯(lián)系增加了教師的講授難度，制約課程教學(xué)的立體化展開，從而也制約了實踐教學(xué)的'開展[5]。此外，該課程與同期開設(shè)的高速PCB設(shè)計、高級計算機體系結(jié)構(gòu)、微處理器設(shè)計等課程也有較為重要的聯(lián)系。多年的教學(xué)經(jīng)驗表明，SoC設(shè)計等硬件類課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課程之間內(nèi)容脫節(jié)嚴(yán)重等問題[2]。
另一方面，該課程各個知識點之間橫向聯(lián)系密切，這些關(guān)聯(lián)使得現(xiàn)代SoC設(shè)計的教學(xué)不同于其他課程，對各知識點的介紹不能一步到位，而是逐步深化、層層遞進(jìn)，無形中增加了理解和教學(xué)的難度[2]。
實踐環(huán)節(jié)過分單一化，不能與理論教學(xué)有效結(jié)合 現(xiàn)代SoC設(shè)計配有專門的實驗課程，擁有專用實驗平臺，但往往受限于EDA工具的選擇、廠家定制硬件的配套實驗，不能有效結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容。由于硬件課程本身上手比較難，學(xué)生初學(xué)時往往不知道從何下手，同時實踐教學(xué)與理論授課也不能很好地直接對應(yīng)，特別是較為復(fù)雜的實驗系統(tǒng)很難徹底完成，需要學(xué)生課后花更多的時間和精力去消化。
3 教學(xué)改革與實踐環(huán)節(jié)設(shè)計
針對現(xiàn)代SoC設(shè)計教學(xué)中存在的上述問題，自2010年起，本單位逐步進(jìn)行現(xiàn)代SoC設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革，強化實踐環(huán)節(jié)，取得一定的實踐教學(xué)經(jīng)驗。
團(tuán)隊互動式教學(xué) SoC課程涵蓋了當(dāng)前ASIC設(shè)計的整個設(shè)計流程，包含芯片前后端設(shè)計、可測試性設(shè)計、低功耗設(shè)計等內(nèi)容，一位教師難以透徹地講解到所有的知識點。本單位結(jié)合承擔(dān)的科研項目實際，參考國家級精品課程教材，以研究生入學(xué)考試大綱為指導(dǎo)，根據(jù)每位授課教師在科研項目中的特長，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，并創(chuàng)新式地采用團(tuán)隊式互動教學(xué)方法，由多位教師共同講授一門課程，從而全方位多角度傳授課程的知識要點[2]。
1）團(tuán)隊式互動教學(xué)方法是指由多位知識互補的教師組成教學(xué)團(tuán)隊完成一門課程的講授。每位教師直接參與先行理論授課與后繼課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)理論授課和實踐教學(xué)的統(tǒng)一。同時，由授課團(tuán)隊共同完成課程內(nèi)容修訂、課程體系講座、實踐環(huán)節(jié)設(shè)計和指導(dǎo)，并親身在相關(guān)課程中主講若干學(xué)時或講座，介紹課程之間的關(guān)系，實現(xiàn)課程體系的貫通式教學(xué)。例如，為了更好得與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程銜接，“現(xiàn)代SoC設(shè)計”主講教師要為“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程開設(shè)“指令集設(shè)計”“流水線技術(shù)”等講座，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確計算機系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)課程在現(xiàn)代SoC設(shè)計教學(xué)中的地位和聯(lián)系[2]。
2）增加對硬件設(shè)計的綜合分析。在團(tuán)隊教師協(xié)助下，增加對基于ESL的SoC設(shè)計、基于平臺的SoC設(shè)計等的介紹和學(xué)習(xí)，為后繼課程做好技術(shù)鋪墊，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，重新認(rèn)識硬件基礎(chǔ)對于專業(yè)學(xué)習(xí)的重要性，改變“重軟偏硬”的思想，而深化“軟硬結(jié)合，相得益彰”的認(rèn)識[2]。
開展遞進(jìn)式的教學(xué)實踐項目 在實踐教學(xué)過程中需要遵循“由淺入深、由簡到難”的原則，同一個知識點可以安排多個實驗，遞進(jìn)式地讓學(xué)生掌握相應(yīng)的知識點。比如在涉及RTL級代碼綜合優(yōu)化的實驗時，可以分Step、Hold時序分析與講解、靜態(tài)時序分析、綜合優(yōu)化策略等內(nèi)容進(jìn)行，形成從基礎(chǔ)到高階的遞進(jìn)，讓學(xué)生遵循自然學(xué)習(xí)規(guī)律完成知識點的掌握。同時，實踐教學(xué)內(nèi)容一定要按照設(shè)計流程層層遞進(jìn)，從最初的RTL級代碼編寫規(guī)范開始，然后進(jìn)行設(shè)計綜合、布局布線、時序分析、物理實現(xiàn)與驗證等步驟，在理解工具腳本的基礎(chǔ)上層層推進(jìn)，最后實現(xiàn)對全流程的掌握[6]。
以項目為牽引，實現(xiàn)動手能力的再提高 實踐教學(xué)只能將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)門，個人的造詣必須在實踐中演練。否則，實驗做得再好，也只能是紙上談兵。以“項目”為引導(dǎo)，可以從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，提高學(xué)生的設(shè)計和實踐能力。實踐教學(xué)實驗的設(shè)計往往只包括最基礎(chǔ)的操作和應(yīng)用，難以覆蓋工程實現(xiàn)的方方面面，必須在實踐項目的鍛煉中才能不斷地提高科研能力，實現(xiàn)實驗教學(xué)的最終目的[4]。
4 實踐教學(xué)改革效果
多年來通過上述教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)的改革探索，SoC設(shè)計課程體系建設(shè)得到進(jìn)一步完善，教學(xué)質(zhì)量也提升了，成效顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
緊密銜接課程，奠定扎實的理論基礎(chǔ) 俗話說得好，基礎(chǔ)不牢、地動山搖。在進(jìn)行SoC設(shè)計課程講授前，對前導(dǎo)課程的知識點進(jìn)行回顧與梳理，可以幫助學(xué)生快速地進(jìn)入角色，部分與SoC設(shè)計課程銜接緊密的課程需要提前進(jìn)行預(yù)習(xí)。根據(jù)學(xué)生調(diào)查顯示，在鞏固學(xué)習(xí)模擬與數(shù)字電路等先導(dǎo)課程后，現(xiàn)代SoC設(shè)計課程中所涉及的基本原理更容易被理解，實踐內(nèi)容也更容易被掌握，更容易接受；同時，學(xué)好現(xiàn)代SoC設(shè)計課程后，對微處理器設(shè)計、可重構(gòu)SoC學(xué)習(xí)有很大促進(jìn)作用[2]。
提高SoC設(shè)計技術(shù)，為項目研發(fā)培養(yǎng)生力軍 通過本課程學(xué)習(xí)，很大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生也更愿意投入到硬件設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中來。在研究生開題時，很多學(xué)生基于對SoC設(shè)計的熱情選擇類似的課題開展研究，積極投身到SoC設(shè)計中來，有些甚至成為項目研究的主力，能獨立完成一個功能IP從前端到后端設(shè)計的所有設(shè)計流程，在項目研發(fā)中發(fā)揮了重要作用[2]。
5 結(jié)束語
現(xiàn)代SoC設(shè)計是電子科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、通信與信號系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程。隨著對實踐教育質(zhì)量的不斷重視，強化實踐育人環(huán)節(jié)，本文分析了以往該課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題，闡述了面向?qū)嵺`的教學(xué)改革與實踐環(huán)節(jié)設(shè)計實施方案，通過團(tuán)隊互動式教學(xué)、遞進(jìn)式實驗設(shè)置、項目牽引等實踐教學(xué)方法，實現(xiàn)對學(xué)生SoC設(shè)計技術(shù)的有效鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生ASIC芯片設(shè)計能力[2]。
參考文獻(xiàn)
[1]閻波，李廣軍，林水生.“微機系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（3）：42-43.
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