《集成电路设计基础》课程思政设计与实施_张洁.pdf

57集成电路设计基础课程思政设计与实施张洁冷启顺周晓玉（北华航天工业学院 电子与控制工程学院，河北 廊坊 065000）摘要：结合“集成电路设计基础”这门专业核心课程的教学内容，本文详细阐述了课程思政的设计与实施，将“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体的人才培养模式体现到课程的教学活动中，充分发挥课程的育人功能，切实提高人才培养质量。关键词：集成电路设计基础，课程思政，育人目标中图分类号：G 6 4 2.0 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-7 9 3 8（2 0 2 3）0 1-0 0 5 7-0 3基 金 项 目：河 北 省 高 等 教 育 教 学 改 革 研 究 与 实 践 项 目（2 0 2 0 G J J G 6 1 0），北华航天工业学院本科教学研究与改革项目（J Y-2 0 2 0-4 6），河北省应用技术大学研究会课题（J Y 2 0 2 2 0 0 3）收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 5第一作者简介:张洁（1 9 8 0-），副教授，硕士，河北沧州人，主要从事信号处理和集成电路设计研究。第 33 卷第 1 期2023 年 02 月北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringVol.33 No.1Feb.20230 引 言习近平总书记在2019 年3 月18 日学校思想政治理论课教师座谈会上发表重要讲话时指出，“要坚持显性教育和隐性教育相统一，挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人1。”全国各高校深入学习贯彻习近平总书记关于思政教育的重要论述，积极开展“课程思政大练兵”活动，将思政内容融入到专业课程的教学中。如果说思政课程是对学生的显性教育，那么课程思政就是持续而重要的隐性教育。如何从知识目标、素质目标等方向挖掘课程的思政元素，彰显学科专业的育人特色是摆在专业教师面前的难题。对于专业课程的教学过程来说，思政内容讲少了没有滋味，达不到价值引领的效果；讲多了，“什么都想搂来讲”，又挤占了专业内容的时间，使知识传授大打折扣。本文基于 集成电路设计基础 课程中“MOS晶体管特征尺寸”这一教学内容，针对课程思政的实施过程进行深入探索，将家国情怀自然渗入课程内容的教授中，力求实现潜移默化、润物无声的效果。1 明确教学目标结合 集成电路设计基础 的教学内容和德育内涵，从知识、能力、育人三个层面再造每堂课的课程目标。以“MOS晶体管特征尺寸”这一教学内容为例：（1）知识层面通过学习MOS管的基本特性参数，使学生掌握MOS管的结构和工作原理，理解MOS管按比例缩小对管子特性的影响。（2）能力层面使学生掌握科学的学习方法，培养学生独立获取知识的能力；提升学生分析问题、解决问题的能力。（3）育人层面通过学习集成电路设计原理，加深学生对所学知识的理解，增强学生的国家、民族意识，激发学生的社会责任感和使命感，坚定学生投身于“中国芯”研发事业的决心。2 开展教学过程2.1 背景知识引入以一段简短视频，介绍“中兴事件”。“美国商务部宣布，因为违反美国制裁规定，该机构将禁止美国企业在未来7 年内向中国电信设备和智能手机制造商中兴通讯销售元器件”。对于美国此举，中兴通讯受到了很大的影响。没有了美国的元器件，其大量的设备将难以生产，陷入巧妇难为无米之炊的困境。那为什么非要购买国外芯片，它的好58处体现在哪？引导学生去思考这个问题。以学生了解的处理器参数为例，介绍美国因特尔公司的新一代（即12 代）酷睿（Core）桌面处理器。它首度采用“Intel 7”制程技术，即10nm Enhanced Superfin。制程技术精度越高，其CPU的运行速度越快，集成度越高。目前，国内生产线上的关键设备、关键材料等基本依赖进口，这些限制了中国集成电路产业的发展。通过引出“10nm”的概念，激发学生的学习热情，同时新闻事件的讲解引发学生的忧患意识。2.2 理论知识讲授（1）特征尺寸指什么？“Intel 7”制程技术10nm就是集成电路的特征尺寸。一般来说，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。以N型MOS晶体管为例，根据它的工作原理可知，当栅极不加电压或加负电压时，所有MOS管处于截止状态，栅极下方是两个背靠背的反偏PN结，当漏源电极之间加上电压时，主要存在的是PN结的漏电流。栅极和衬底之间形成了电容，随着栅极电压的增大，栅极上出现很多正电荷，从而使得P型衬底上的空穴要远离栅极方向。留下负离子来镜像栅极上的正电荷，这样形成耗尽层。栅极氧化层和耗尽层均不导电，表现为两个电容并联。随着栅极的电压进一步增加，界面电势达到一个足够高的值后，将吸引电子到栅极氧化层下方，以镜像栅极上更多的正电荷。该电子是自由电子，在栅极下方形成导电“沟道”。当在漏极和源极加载电压后，就在沟道中形成电流2。这个晶体管导电沟道的长度就是管子的特征尺寸。因此，特征尺寸的缩小可以提高载流子的运动速度，从而决定了晶体管集成电路的运行速度，这就是为什么拥有“Intel 7”制程技术的CPU频率提升的深层次原因，它体现了集成电路微观世界与芯片宏观应用之间的联系，也说明了微电子工艺的提升对IC性能的提升是最有效的。这是从物理结构阐述特征尺寸对于管子性能的影响。结合N型MOS晶体管的电路结构图，学生对特征尺寸的物理意义有了一定的了解。（2）特征尺寸有什么作用？对于微电子专业的学生来说，更应掌握特征尺寸电学方面的意义。结合MOS管伏安特性的推导过程，深入阐述特征尺寸对于管子特性的影响。首先，分析一个载有电流I的半导体棒，如果沿电流方向的电荷密度是dQ（C/m），电荷移动速度是v（m/s），那么vQId=（1）其次，当时，（2）式（2）中，表示单位长度的总电容。假设漏极电压DV大于0，源极的电压为0。因此，沿沟道x点处的电荷密度可表示为 （3）式（3）中，)(xV为x点的沟道电势。根据式（1），沟道内电流的表达式为：（4）其中，负号是因为载流子迁移电荷为负而引入的，v表示沟道电子的漂移速度3。对于半导体，其中是载流子的迁移率，E为电场。注意到，电子迁移率用表示，可以得到 （5）对应边界条件为0)0(=V和。式（5）两边都乘以并积分，可得 （6）由于DI沿沟道方向是常数，所以 （7）从式（7）可以看出，减少特征尺寸L将提高MOS管的电流控制能力。这是管子按比例缩小带来的有利一面。但当特征尺寸（沟道长度）很短时，源漏之间的漏电流可能使MOS管出现关不断的情况。漏电流的存在还会使电路的静态功耗增大。这是管子按比例缩小带来的不利一面。通过专业电路公式的讲解，使学生明白MOS管的工作原理，让学生在公式的推导过程中提升自己理解问题、解决问题的能力，在学科层面提升学生对事物的两面性、对立统一规律的认识，进而加深北华航天工业学院学报第 1 期2023 年 02 月59张洁等：集成电路设计基础 课程思政设计与实施第 1 期2023 年 02 月对唯物辩证法的理解。2.3 思政内容提升通过背景知识的介绍和专业知识的讲授，让学生充分意识到，在当前这个时代，想要掌握自己的国家命运就必须拥有属于自己的半导体产业链。现在中国也在大力地发展半导体产业，目的就是希望能够早日把命运牢牢地掌控在自己手上。在政策和技术的支持下，中国出现了一批先进的芯片产业公司，例如华为海思设计和研发的处理器麒麟9000 芯片，采用全球顶级5nm工艺制程，集成153 亿晶体管，更小尺寸蕴藏更大能量。麒麟9000 全新升级Cortex-A77 CPU，大核主频突破3.1GHz，爆发性能实力。承载无数人“中国芯”之梦的龙头，中芯国际作为国内晶圆制造龙头厂商，市占率在2020 年已达到全球第四，大陆第一。除此之外，芯片制造的核心技术-光刻机技术的国产化也提上日程，中国目前推出了02 专项光刻机项目，国内众多的厂商也纷纷加入支持。居安思危是每一个中国科技企业应该具有的思想，只有在逆境中不断突破才会有希望。通过视频剪辑和文字描述的方式，让学生了解目前中国集成电路产业迈出的坚实步伐。课程的最后援引华为公司在心声社区发布的一段文字：“没有伤痕累累，哪来皮糙肉厚，英雄自古多磨难。回头看，崎岖坎坷；向前看，永不言弃”，结束本次课的学习任务。通过课程教学，学生科技强国的热情得到激发，学生的责任感、使命感得以增强，对专业的认同感得以提升，最终使学生更加热爱自己所学的微电子专业。3 结 语“思政”与“课程”的关系，应当是“如春在花、如盐化水”，二者有机融合、相互促进、协调发展。国情教育和主流价值熏陶，是其最为基本的两个维度，如何实现润物无声的效果，是每位教师在设计打磨展示课程的全过程中应该思考的问题4。本文通过“MOS晶体管特征尺寸”教学内容的讲解，对解决如何将课程思政应用到每一堂课中、融入到整个教学过程中，如何让教师教学有思政意识，学生学习有兴趣、有认知、有领悟提出了解决方案，为后续在教学工作中更好地融入课程思政，全面做好课程育人工作奠定了良好基础。参考文献：1 习近平谈治国理政M.北京：外文出版社，2017.2 集成电路设计（第3版）M.北京：电子工业出版社，2016.3 模拟CMOS集成电路设计M.西安：西安交通大学出版社，2013.4 杨斯媛，王琳琳.大学英语思政渗透研究J.吉林医药学院学报，2021，42（2）:158-159.Implementation of Ideological and Political Education in Fundamentals of Integrated Circuit DesignZhang JieLeng QishunZhou Xiaoyu（School of Electronic and Control Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China）Abstract:Combined with the teaching content of the professional core course Fundamentals of Integrated Circuit Design，this paper expounds the design and implementation of the ideological and political education in details，embodies the trinity talent training mode of knowledge transfer，ability training and value shaping into the teaching activities of the course，gives full play to the educational function of the course and effectively improves the quality of talent training.Keywords:Fundamentals of Integrated Circuit Design，Curriculum Ideology and Politics，educational goal