集成电路设计与集成系统专业创新型人才培养的课程体系研究

集成电路设计与集成系统专业创新型人才培养的课程体系研究1刘有耀,杜慧敏，张丽果（西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121）摘要：集成电路设计与集成系统本科专业是国家特设专业，又是一个多学科交叉、高技术密集的新兴专业。目前国内没有形成完善的专业规范，因此如何合理、有效地设置课程体系成为本专业建设的重点和难点问题。本文对集成电路设计与集成系统本科专业人才培养特点进行了研究，确定了创新型人才培养目标定位，根据学科交叉融合发展规律，确定了人才培养规格，提出了一种理论与实践并重融合的课程体系。该课程体系具有系统性、完备性、交叉融合性，通过教学内容的有机组织，实现知识的连贯性、内容的先进性和实用性,将为集成电路设计与集成系统本科专业的创新型人才培养奠定良好的基础。关键词：集成电路设计;集成系统;本科专业;创新型人才；课程体系中图分类号：文献标识码：A文章编号：1.引言集成电路产业是信息产业的基础和核心，是推动信息产业发展的源泉和动力。国务院于2000年6月25日颁发了“鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策（18号）”文件，大力支持和鼓励我国集成电路产业的发展[1]。在国家政策的扶持下,我国集成电路设计业发展迅猛，伴随着国内集成电路的发展，对集成电路设计相关人员的需求也日益增加。教育部于2003年开始批准设置“集成电路设计与集成系统”目录外本科专业，2012年普通高等学校本科专业目录中调整为特设专业，以适应国内对集成电路设计与应用人才的迫切需求，截止2014年全国已有28所高校设置“集成电路设计与集成系统”本科专业[2,3]。国务院于2011年1月28日颁发了“进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策（新18号）”文件，要求高校要进一步深化改革，加强集成电路设计相关专业建设，紧密结合产业发展需求及时调整课程设置、教学计划和教学方式，加强专业师资队伍、教学实验室和实习实训基地建设，努力培养国际化、复合型、实用型人才[4]。“集成电路设计与集成系统”专业涉及的新概念、新技术、新方法不断涌现，是一个工程性和实践性很强的本科专业。集成电路领域技术和管理人才严重不足、人才质量普遍不高已成为制约我国集成电路产业健康、快速发展的瓶颈[5,6]。国家集成电路产业“十二五”发展规划提出加强人才培养，着力发展芯片设计业，2014年6月，国务院印发《国家集成电路产1本文是集成电路设计与集成系统国家特色专业建设点项目(TS12509)的部分成果。业发展推进纲要》进一步指出着力发展集成电路设计业，加大人才培养力度[7]。因此，研究适合本专业的理论与实践并重融合的课程体系，培养创新型集成电路设计人才具有十分重要的现实意义和历史意义。2.集成电路设计与集成系统专业人才培养的特点集成电路是推动当前经济发展的重要技术，由于集成电路设计与集成系统领域发展迅速且新知识、新技术层出不穷，多学科交叉融合，毕业生就业具有国际性，要求教学体系和实践平台建设必须跟上最新的产业需求，才能培养出适合社会和企业需要的集成电路设计与集成系统创新型人才[5,6]。在进行集成电路设计与集成系统领域创新型人才培养时我们需要紧紧抓住以下几点：1）集成电路设计与集成系统专业是新兴专业，国内还没有形成该专业的人才培养规范，目前国内各高校该专业的教学计划是从国外或者相关专业延伸来的，系统性、完备性差，还没有形成完整的知识体系。2）集成电路设计与集成系统专业是一个涵盖通信、计算机、集成电路等多领域的交叉学科，因此要利用综合性学科知识为该类人才的素质培养服务，从单纯地注重单一知识和能力的培养，要转变到注重综合知识和能力的培养。3）集成电路设计与集成系统是国家特设专业，根据高校自身办学特色和市场需求设置的专业，需要针对企业对该类人才的需求，将企业需求融入课程体系，与企业联合制定培养方案，建立核心课程体系，实时调整专业课程教学内容。4）集成电路设计与集成系统专业具有较强的工程性和实践性，不仅要具有较强理论知识基础，而且要具有较好的工程实践能力以及一定的创新能力，需要建立一种基于项目驱动的多层次的实践教学体系，保障四年工程实践训练不断线，逐步提升学生的工程实践能力和创新能力。3.集成电路设计与集成系统专业课程体系的构建根据集成电路设计与集成系统专业人才培养特点，按照通信、计算机和集成电路融合发展的科学规律，结合我校学科专业优势特色，确立了本专业人才培养的课程体系。3.1人才培养目标2006年全国科技大会上提出，到2020年我国将建成创新型国家，使科技发展成为经济社会发展的有力支撑。具有较强的自主创新能力是创新型国家的主要特征之一，只有培养具创新精神和创新能力的人才，才能提升自主创新能力。集成电路产业是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是最能体现科技进步对创新型国家贡献率的行业。因此，本专业旨在培养德、智、体、美全面发展、适应社会主义现代化建设和信息领域发展需要，掌握宽广的人文知识、坚实的自然科学知识以及扎实的专业知识，具备工程实践能力和创新能力，具有自主学习集成电路与集成系统领域前沿理论和技术的能力，能在集成电路与集成系统领域从事研究、设计、实现、应用的高素质创新型人才，为全面实现创新型国家提供强有力的支撑。3.2人才培养规格集成电路设计与集成系统专业是一个涵盖通信、计算机、集成电路等多领域的交叉学科，如图1所示。其中图1中①就是通信算法(应用)的直接IC(实现)化的ASIC、FPGA电路或者可重构电路；②就是算法(应用)的指令集合(体系结构)化的目标程序；③就是指令集合(体系结构)的IC(实现)化的处理器；④就是集成电路技术发展推动的先进处理器[8]。集成电路（实现）指令集（体系结构）通信算法（应用）2341图1集成电路设计与集成系统专业涵盖的学科范围根据多学科融合发展和人才培养目标定位，确定了本专业知识、能力、素质的人才培养规格如下：1）知识结构要求：①具有坚实的自然科学理论基础知识、电路与系统的学科专业知识、必要的人文社会科学知识和良好的外语基础；②具有通信系统、计算机系统结构、信号处理等相关学科领域的基础知识；③掌握集成电路与集成系统领域的基础知识和工程理论；④掌握集成电路与集成系统电子设计自动化（EDA）技术。2）能力结构要求：①具有使用电子设计自动化（EDA）工具进行集成电路与集成系统设计的能力；②具有较强的科学研究、工程实践及综合运用所学知识解决实际问题的能力；③具有了解本专业领域的理论前沿、发展动态和独立获取知识的能力；④具有自主学习能力、创新能力、协同工作与组织能力。3）素质结构要求：①具有良好的思想道德修养、职业素养、身心素质；②具有奉献精神、人际交往意识和团结协作精神；③具有一定的文学艺术修养、科学的工程实践方法；④具有一定的国际化视野、求实创新意识。3.3课程体系集成电路系统设计涵盖“系统设计、逻辑设计、电路设计、版图设计”四个设计层次，课程体系应覆盖四个设计层次需要的所有知识点，各知识点之间要具有连贯性、系统性和完备性。集成电路设计与集成系统专业具有很强的工程性和实践性，通过计算机应用能力、电子技术应用能力、嵌入式系统设计能力、集成电路设计能力以及工程创新能力的培养，强化学生工程实践能力和创新能力。集成电路设计与集成系统专业是一个多学科的交叉新兴专业，课程体系中应该包含通信、计算机和集成电路的相关知识点，各知识点之间要具有交叉融合性。集成电路系统设计是一个高速发展的学科领域,知识和技术更新速度非常快，课程体系应该体现先进性，使得学生能够接近先进的技术前沿,同时课程体系中也应该包含一些面向企业的工程设计与实践的实用性课程，进一步提高学生的就业竞争力和工程创新能力。因此，根据人才培养规格和特点以及课程体系的连贯性、系统性、完备性、融合性、先进性和实用性，结合我校自身优势特色，构建了如图2所示的知识、能力、素质协调统一的理论与实践并重融合的课程体系。课程体系以能力培养为导向，集中实践环节为支撑，核心课程为基础，一组集中实践环节和核心课程培养一种能力。同时，设置综合素质教育模块和课外科技创新活动模块，提升学生的工程素质和创新能力。电子技术应用能力集成电路设计能力嵌入式系统设计能力毕业设计电路分析基础模拟电子技术微机原理微处理器设计实践信号与系统数字信号处理通信原理集成电路设计实践微处理器系统设计通信集成电路系统工程设计实践电子技术综合设计数学、物理、英语、思想政治、人文社科、工程制图表示应达到的能力对应能力的集中实践环节具体课程或知识点图例说明：计算机应用能力高级语言课程设计电装实习数字集成电路设计模拟集成电路计工程创新能力数字电路与逻辑设计生产实习集成电路工艺原理计算机基础高级语言程序设计混合信号集成电路数字集成电路FPGA设计实践基于FPGA的嵌入式系统设计嵌入式系统原理及应用嵌入式系统集成电路设计仿真与验证技术集成电路设计建模与综合技术射频集成电路设计射频电路基础HDL与FPGA集成电路CAD工具集成电路版图设计计算机组成综合素质教育模块课外实践与科技创新活动模块图2集成电路设计与集成系统专业课程体系课程体系主要突出计算机应用能力、电子技术应用能力、嵌入式系统设计能力、集成电路设计能力以及工程创新能力的培养，进行分学年重点培养。第一学年主要培养学生的计算机应用能力，第二学年主要培养学生的电子技术应用能力，第三学年主要培养学生的嵌入式系统设计能力和集成电路设计能力，第四学年主要培养学生的工程创新能力，通过设置“数字集成电路”、“混合信号集成电路”、“嵌入式系统”三个方向课程模块，实现人才的个性化培养。通过嵌入式系统设计能力、集成电路设计能力和工程创新能力培养过程中的集中实践环节和核心课程设置，将集成电路设计与通信/计算机相结合，体现课程体系的交叉融合性。将集成电路系统设计层次中的“系统设计”贯穿于工程创新能力、嵌入式系统设计能力培养中，“逻辑设计”体现在电子技术应用能力培养中，通过“电路设计”与“版图设计”实现集成电路设计能力的培养，实现了课程体系的系统性和完备性，通过教学内容的组织实现知识的连贯性。课程体系设置了一系列集中实践环节和独立设课实验（集成电路EDA技术实验、微处理器设计实践）以及课内实验，在教学内容的组织上将软件无线电（SDR）系统（包括算法、体系结构、集成电路）设计与实现的科研成果融入教学过程，实现四年工程实践训练不断线，体现课程体系的工程性和实践性。同时通过下一代无线通信系统的核心器件——SDR系统处理芯片设计为牵引，设置通信集成电路系统工程设计与实践相关课程，采用世界主流EDA厂家先进EDA工具完成集成电路EDA技术实验以及集成电路系统设计，实现课程体系的先进性和实用性。3.4教学内容组织思路通过以“高级语言程序→汇编语言程序→机器指令序列→计算机组成（CPU、存储器、输入输出、数据通路与控制单元）→计算机部件设计→计算机部件（FPGA和专用集成电路）实现→整机（FPGA或专用集成电路）实现→面向通信、信号处理领域系统（嵌入式系统、数字集成电路、模拟集成电路）设计与应用”为主线组织教学内容，体现知识的连贯性，培养学生计算机应用能力、电子技术应用能力、嵌入式系统设计能力、集成电路设计能力。通过通信集成电路系统工程设计与实践（包括数字集成电路工程设计与实践、嵌入式SoC工程设计与实践、模拟集成电路工程设计与实践等），将软件无线电（SDR）系统的设计与实现的科研项目成果融入课堂教学，贯彻我校“教研统一”办学理念，突显我校信息通信行业优势特色，培养学生的工程创新能力。4.结论课程体系设置是专业建设中的关键核心问题,对人才的培养质量起决定性的作用。本文充分考虑了集成电路设计与集成系统专业多学科交叉融合、工程实践性强等特点，结合我校本专业在通信专用集成电路设计、专用处理系统设计方面的优势特色，形成了通信、计算机与集成电路设计相结合、理论教学与项目实践相结合的课程体系。以能力培养为导向，以集成电路设计和嵌入式系统设计融合为主线组织教学内容，培养学生集成电路设计与嵌入式系统设计（计算机应用、电子技术应用、微系统设计）能力，通过面向通信领域的