關(guān)于面向實(shí)踐的現代SoC設計課程教學(xué)方法的創(chuàng )新的論文
摘 要：現代SoC設計課程是集成電路設計及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)核心基礎課程。課程教學(xué)分理論授課和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節，為使學(xué)生更好地理解授課內容，切實(shí)有效地提高工程動(dòng)手能力，對該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節進(jìn)行深入的探索和研究。利用團隊互動(dòng)式教學(xué)、遞進(jìn)式實(shí)驗設
關(guān)鍵詞：教育技術(shù)論文發(fā)表,發(fā)表現代教育技術(shù)論文,信息技術(shù)教學(xué)論文投稿
摘 要 現代SoC設計課程是集成電路設計及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)核心基礎課程。課程教學(xué)分理論授課和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節，為使學(xué)生更好地理解授課內容，切實(shí)有效地提高工程動(dòng)手能力，對該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節進(jìn)行深入的探索和研究。利用團隊互動(dòng)式教學(xué)、遞進(jìn)式實(shí)驗設置、項目牽引等教學(xué)方法進(jìn)行面向實(shí)踐的教學(xué)探索，實(shí)施多年，取得顯著(zhù)成效，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習熱情的同時(shí)，有效地提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的穩步提升。
關(guān)鍵詞 現代SoC設計課程；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)驗案例；互動(dòng)式教學(xué)
中圖分類(lèi)號：G642.44 文獻標識碼：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
現代SoC設計是電子科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、通信與信號系統等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心基礎課程。它的先行課程包括數字集成電路設計、數字邏輯和硬件描述語(yǔ)言，后續課程有微處理器設計、高級計算機體系結構、可重構SoC設計方法學(xué)等，在一系列硬件課程教學(xué)中起著(zhù)承上啟下的作用，對學(xué)生理解SoC系統的軟硬件設計思想將產(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(wèn)題，容易造成學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習，難以真正理解SoC設計的精髓，也無(wú)法調動(dòng)學(xué)習積極性，致使教學(xué)效果不理想[1-2]。本課程以SoC設計的基本原理和基本流程為教學(xué)內容，教學(xué)過(guò)程中注重實(shí)踐能力的培養，并對實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行探索，以滿(mǎn)足未來(lái)對教學(xué)及科研工作的要求。
2 以往SoC設計課程教學(xué)中存在的問(wèn)題
教材理論性強，缺乏與實(shí)踐教學(xué)的聯(lián)系 目前國內SoC設計技術(shù)相關(guān)教材種類(lèi)很多，但大多數理論性強，不夠形象生動(dòng)，基本只是對設計流程簡(jiǎn)單羅列，所舉示例不夠直觀(guān)，很少或者沒(méi)有配套的實(shí)驗，和實(shí)踐教學(xué)存在脫節，不能直接與SoC系統設計相對應，從而達不到理想的教學(xué)效果[3]�，F代SoC設計課程多數為高年級本科生和低年級研究生選修，這個(gè)階段學(xué)生對于SoC系統有一定的理解，但對于具體的設計方法和涉及的工具鏈還沒(méi)有清晰的認識，對部件的功能和結構分析的能力也還比較弱，急需通過(guò)一定的工程實(shí)踐來(lái)提升設計能力。在實(shí)踐過(guò)程中可以鞏固所學(xué)的理論知識，同時(shí)對理論知識更好地理解又會(huì )進(jìn)一步指導實(shí)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設計是集成電路設計領(lǐng)域一門(mén)重要的課程，涵蓋的知識面很廣。從底層的半導體物理器件，到芯片封裝測試及其應用都有涉及，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，與數字集成電路設計、數字邏輯和硬件描述語(yǔ)言等先修課程有縱向的密切關(guān)聯(lián)。如果學(xué)生沒(méi)有很好地掌握這些知識，勢必影響到現代SoC設計課程的學(xué)習。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(kāi)，從而也制約了實(shí)踐教學(xué)的'開(kāi)展[5]。此外，該課程與同期開(kāi)設的高速PCB設計、高級計算機體系結構、微處理器設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設計等硬件類(lèi)課程間缺乏統一規劃和協(xié)調，教學(xué)存在內容大量重復或缺失、課程之間內容脫節嚴重等問(wèn)題[2]。
另一方面，該課程各個(gè)知識點(diǎn)之間橫向聯(lián)系密切，這些關(guān)聯(lián)使得現代SoC設計的教學(xué)不同于其他課程，對各知識點(diǎn)的介紹不能一步到位，而是逐步深化、層層遞進(jìn)，無(wú)形中增加了理解和教學(xué)的難度[2]。
實(shí)踐環(huán)節過(guò)分單一化，不能與理論教學(xué)有效結合 現代SoC設計配有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗課程，擁有專(zhuān)用實(shí)驗平臺，但往往受限于EDA工具的選擇、廠(chǎng)家定制硬件的配套實(shí)驗，不能有效結合課堂教學(xué)內容。由于硬件課程本身上手比較難，學(xué)生初學(xué)時(shí)往往不知道從何下手，同時(shí)實(shí)踐教學(xué)與理論授課也不能很好地直接對應，特別是較為復雜的實(shí)驗系統很難徹底完成，需要學(xué)生課后花更多的時(shí)間和精力去消化。
3 教學(xué)改革與實(shí)踐環(huán)節設計
針對現代SoC設計教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，自2010年起，本單位逐步進(jìn)行現代SoC設計課程的教學(xué)內容與教學(xué)方法改革，強化實(shí)踐環(huán)節，取得一定的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗。
團隊互動(dòng)式教學(xué) SoC課程涵蓋了當前ASIC設計的整個(gè)設計流程，包含芯片前后端設計、可測試性設計、低功耗設計等內容，一位教師難以透徹地講解到所有的知識點(diǎn)。本單位結合承擔的科研項目實(shí)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，根據每位授課教師在科研項目中的特長(cháng)，對教學(xué)內容進(jìn)行調整，并創(chuàng )新式地采用團隊式互動(dòng)教學(xué)方法，由多位教師共同講授一門(mén)課程，從而全方位多角度傳授課程的知識要點(diǎn)[2]。
1）團隊式互動(dòng)教學(xué)方法是指由多位知識互補的教師組成教學(xué)團隊完成一門(mén)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(shí)踐教學(xué)環(huán)節，實(shí)現理論授課和實(shí)踐教學(xué)的統一。同時(shí)，由授課團隊共同完成課程內容修訂、課程體系講座、實(shí)踐環(huán)節設計和指導，并親身在相關(guān)課程中主講若干學(xué)時(shí)或講座，介紹課程之間的關(guān)系，實(shí)現課程體系的貫通式教學(xué)。例如，為了更好得與計算機系統結構課程銜接，“現代SoC設計”主講教師要為“計算機系統結構”課程開(kāi)設“指令集設計”“流水線(xiàn)技術(shù)”等講座，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，明確計算機系統 結構課程在現代SoC設計教學(xué)中的地位和聯(lián)系[2]。
2）增加對硬件設計的綜合分析。在團隊教師協(xié)助下，增加對基于ESL的SoC設計、基于平臺的SoC設計等的介紹和學(xué)習，為后繼課程做好技術(shù)鋪墊，積極引導學(xué)生思考，重新認識硬件基礎對于專(zhuān)業(yè)學(xué)習的重要性，改變“重軟偏硬”的思想，而深化“軟硬結合，相得益彰”的認識[2]。
開(kāi)展遞進(jìn)式的教學(xué)實(shí)踐項目 在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中需要遵循“由淺入深、由簡(jiǎn)到難”的原則，同一個(gè)知識點(diǎn)可以安排多個(gè)實(shí)驗，遞進(jìn)式地讓學(xué)生掌握相應的知識點(diǎn)。比如在涉及RTL級代碼綜合優(yōu)化的實(shí)驗時(shí)，可以分Step、Hold時(shí)序分析與講解、靜態(tài)時(shí)序分析、綜合優(yōu)化策略等內容進(jìn)行，形成從基礎到高階的遞進(jìn)，讓學(xué)生遵循自然學(xué)習規律完成知識點(diǎn)的掌握。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)內容一定要按照設計流程層層遞進(jìn)，從最初的RTL級代碼編寫(xiě)規范開(kāi)始，然后進(jìn)行設計綜合、布局布線(xiàn)、時(shí)序分析、物理實(shí)現與驗證等步驟，在理解工具腳本的基礎上層層推進(jìn)，最后實(shí)現對全流程的掌握[6]。
以項目為牽引，實(shí)現動(dòng)手能力的再提高 實(shí)踐教學(xué)只能將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)門(mén)，個(gè)人的造詣必須在實(shí)踐中演練。否則，實(shí)驗做得再好，也只能是紙上談兵。以“項目”為引導，可以從根本上提高學(xué)生學(xué)習主動(dòng)性，提高學(xué)生的設計和實(shí)踐能力。實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗的設計往往只包括最基礎的操作和應用，難以覆蓋工程實(shí)現的方方面面，必須在實(shí)踐項目的鍛煉中才能不斷地提高科研能力，實(shí)現實(shí)驗教學(xué)的最終目的[4]。
4 實(shí)踐教學(xué)改革效果
多年來(lái)通過(guò)上述教學(xué)內容和實(shí)踐環(huán)節的改革探索，SoC設計課程體系建設得到進(jìn)一步完善，教學(xué)質(zhì)量也提升了，成效顯著(zhù)，主要體現在以下幾個(gè)方面。
緊密銜接課程，奠定扎實(shí)的理論基礎 俗話(huà)說(shuō)得好，基礎不牢、地動(dòng)山搖。在進(jìn)行SoC設計課程講授前，對前導課程的知識點(diǎn)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設計課程銜接緊密的課程需要提前進(jìn)行預習。根據學(xué)生調查顯示，在鞏固學(xué)習模擬與數字電路等先導課程后，現代SoC設計課程中所涉及的基本原理更容易被理解，實(shí)踐內容也更容易被掌握，更容易接受；同時(shí)，學(xué)好現代SoC設計課程后，對微處理器設計、可重構SoC學(xué)習有很大促進(jìn)作用[2]。
提高SoC設計技術(shù)，為項目研發(fā)培養生力軍 通過(guò)本課程學(xué)習，很大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，學(xué)生也更愿意投入到硬件設計、嵌入式系統設計中來(lái)。在研究生開(kāi)題時(shí)，很多學(xué)生基于對SoC設計的熱情選擇類(lèi)似的課題開(kāi)展研究，積極投身到SoC設計中來(lái)，有些甚至成為項目研究的主力，能獨立完成一個(gè)功能IP從前端到后端設計的所有設計流程，在項目研發(fā)中發(fā)揮了重要作用[2]。
5 結束語(yǔ)
現代SoC設計是電子科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、通信與信號系統等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心基礎課程。隨著(zhù)對實(shí)踐教育質(zhì)量的不斷重視，強化實(shí)踐育人環(huán)節，本文分析了以往該課程在教學(xué)環(huán)節中存在的問(wèn)題，闡述了面向實(shí)踐的教學(xué)改革與實(shí)踐環(huán)節設計實(shí)施方案，通過(guò)團隊互動(dòng)式教學(xué)、遞進(jìn)式實(shí)驗設置、項目牽引等實(shí)踐教學(xué)方法，實(shí)現對學(xué)生SoC設計技術(shù)的有效鍛煉，培養學(xué)生ASIC芯片設計能力[2]。
參考文獻
[1]閻波，李廣軍，林水生.“微機系統原理與應用”課程的教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（3）：42-43.
[2]王潔，周寬久，賴(lài)曉晨，等.面向實(shí)踐的計算機組織與結構教學(xué)探索[J].實(shí)驗室科學(xué)，2014（5）：31.
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