羅 萍，周澤坤，樊 華, 蘇 琦

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054)

0 引言

研究生教育是為國(guó)家培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，以及良好創(chuàng)新精神的高級(jí)專門(mén)人才的環(huán)節(jié)，是整個(gè)教育鏈的最高端。高質(zhì)量研究生培養(yǎng)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國(guó)具有重要意義。

課程學(xué)習(xí)是我國(guó)研究生培養(yǎng)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到研究生的教育質(zhì)量和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。本科教學(xué)目標(biāo)在于扎實(shí)數(shù)理基礎(chǔ)、開(kāi)啟專業(yè)之門(mén)、拓寬知識(shí)視野、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。而研究生教學(xué)重在夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、提升其知識(shí)靈活運(yùn)用與駕馭能力、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力和科學(xué)精神。

本文瞄準(zhǔn)研究生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)目標(biāo)，基于課堂教學(xué)主陣地，提出如圖1所示建立知識(shí)體系、應(yīng)用案例分析、培養(yǎng)思維方法“三位一體”的研究生課程教學(xué)新模式，并將其運(yùn)用于“模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”研究生課程教學(xué)中。

圖1 “三位一體”的研究生課程教學(xué)模式

1 建立知識(shí)體系

完整的知識(shí)體系是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。所謂知識(shí)體系，就是把具有內(nèi)在聯(lián)系或邏輯關(guān)系的大量不同的知識(shí)點(diǎn)，系統(tǒng)、有序地組合成某種類型的知識(shí)架構(gòu)。有了這個(gè)知識(shí)架構(gòu)，才能更好地理解問(wèn)題、解決問(wèn)題。

研究生課程教學(xué)是構(gòu)建研究生知識(shí)、素質(zhì)、能力的重要渠道。目前“啟發(fā)式教學(xué)”“課堂討論”[2]“案例分析”[3]等教學(xué)手段在研究生課程教學(xué)中廣為應(yīng)用。但是，若這些手段運(yùn)用不當(dāng)，可能會(huì)讓學(xué)生只關(guān)注于教師拋出問(wèn)題所涉及的某些知識(shí)點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生僅掌握一些碎片化知識(shí)而非完整知識(shí)體系。碎片化知識(shí)，只能“頭疼治頭、腳痛醫(yī)腳”。相較于單純的知識(shí)積累，知識(shí)體系可顯著提升信息提取的有效性，知道事實(shí)之間的聯(lián)系遠(yuǎn)比知道事實(shí)本身重要[4]。因此，知識(shí)體系的建立非常重要。

在有限的課堂學(xué)時(shí)下，如何讓學(xué)生掌握更多的知識(shí)，給課程教學(xué)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。課程知識(shí)體系的構(gòu)建有助于學(xué)生快速把握課程教學(xué)的知識(shí)架構(gòu)、形成課程內(nèi)容的整體觀，并理解碎片知識(shí)的關(guān)聯(lián)性。

“模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”是一門(mén)內(nèi)容多、難度大的研究生課程。利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建如圖2所示的課程知識(shí)體系，在首次課時(shí)就向同學(xué)們展示該課程的教學(xué)內(nèi)容、所含章節(jié)知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)性，從而讓學(xué)生快速建立起本課程項(xiàng)目知識(shí)概念、搭好體系框架。

圖2 “模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”課程知識(shí)體系

在具體學(xué)習(xí)某章節(jié)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，還可以進(jìn)一步細(xì)分圖2中的每一條枝干，形成章節(jié)內(nèi)局域知識(shí)體系。以“Differential Amps”為例，對(duì)其細(xì)化后可獲得教材第三章的主要知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系，如圖3所示。教師借助知識(shí)體系作為知識(shí)牽引，學(xué)生通過(guò)對(duì)課程整體知識(shí)體系的了解和對(duì)局域知識(shí)體系的展開(kāi)，可做到粗細(xì)分明、脈絡(luò)清晰、張弛有度，從而很好地掌握本門(mén)課程的要領(lǐng)。

圖3 Differential Amps局域知識(shí)體系

2 運(yùn)用案例分析

案例分析教學(xué)法，針對(duì)課程重點(diǎn)、難點(diǎn)，選擇合適的問(wèn)題或事例作為案例，學(xué)生基于已有知識(shí)點(diǎn)對(duì)案例進(jìn)行分析，經(jīng)教師點(diǎn)評(píng)得出最終結(jié)論。

2.1 運(yùn)用案例分析學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)傳授是課程教學(xué)的主要任務(wù)。課程知識(shí)體系搭建好后，需要把具體的知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充上去。

本?！澳M集成電路分析與設(shè)計(jì)”研究生課程選用Willy Sansen先生編寫(xiě)的《Analog Design Essentials》作為課程教材。該教材共24章777頁(yè)，涉及的知識(shí)點(diǎn)很多。同時(shí)，該教材編撰方式異于傳統(tǒng)教材，采用PPT配上少許文字介紹的形式。全書(shū)共計(jì)1462頁(yè)P(yáng)PT，正文沒(méi)有任何公式推導(dǎo)，僅極簡(jiǎn)的原理闡述，因此課程學(xué)習(xí)難度很大。在課程教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用案例分析，選取具有代表性的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析，可在知識(shí)系統(tǒng)完整的前提下，突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，保證教學(xué)效果。

以圖3中的局域知識(shí)體系為例。圖3中無(wú)填充色的知識(shí)點(diǎn)為與前序課程教學(xué)內(nèi)容有交疊的地方，而有填充色的地方為本教材新知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。為了保持知識(shí)體系的完整性，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，采用教師問(wèn)學(xué)生答等方式快速?gòu)?fù)習(xí)鞏固；對(duì)于教材新內(nèi)容，教師則會(huì)在課前完成這些知識(shí)點(diǎn)電路的公式推導(dǎo)和仿真，課堂上引導(dǎo)性地給出部分電路的分析和仿真結(jié)果；對(duì)帶虛框的有代表性的電路則讓學(xué)生選做為完成分析的電路案例。如圖4中4-Input Current Differential Amps的電路。分析此電路案例，一方面可對(duì)比電流差分與電壓差分的不同，另一方面可鞏固CG枝干中的Coscode知識(shí)點(diǎn)，并將其靈活應(yīng)用于新電路中。對(duì)該知識(shí)點(diǎn)，教材只有圖4(a)所示電路結(jié)構(gòu)和iout的差分表達(dá)式，而無(wú)原理分析和公式推導(dǎo)。案例分析作業(yè)前一周布置后，同學(xué)們課后先自行分析，然后在第二周課堂上進(jìn)行案例分析交流。圖4(b)和式(1)分別為同學(xué)在案例分析中給出的小信號(hào)等效電路和等效輸入電阻Rin1的分析結(jié)果。

作為省會(huì)的長(zhǎng)沙，是湖南省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通和科教中心，并在2016年入選中國(guó)15個(gè)“新一線城市”之列，作為長(zhǎng)株潭城市群的核心城市，長(zhǎng)沙市城市建設(shè)日新月異，城市化水平不斷提高，但城市建設(shè)所帶來(lái)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題也日益突出，影響和制約著城市的發(fā)展，如城市垃圾產(chǎn)生量快速增加造成對(duì)城市的污染等。目前，長(zhǎng)沙市垃圾填埋場(chǎng)是否適宜問(wèn)題研究程度較低，本文采用層析分析法對(duì)該課題進(jìn)行了初步研究，并提出了城市未來(lái)垃圾填埋場(chǎng)選址建議。

(a)電路結(jié)構(gòu)

(1)

式中，gm1、gm2、gm3和gds1、gds2、gds3分別代表圖4中M1、M2、M3管的跨導(dǎo)和漏源電導(dǎo)。

合理運(yùn)用案例分析教學(xué)不僅可以在有限的課堂時(shí)間傳授更多的知識(shí)、提高課程教學(xué)效率，同時(shí)還可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和學(xué)習(xí)、提升學(xué)生的分析能力、思維能力和解決問(wèn)題的能力。

2.2 運(yùn)用案例分析拓展知識(shí)面

教材知識(shí)不足以讓學(xué)生了解本學(xué)科技術(shù)前沿。適時(shí)補(bǔ)充這方面知識(shí)可拓展工科研究生知識(shí)面、提升從事科研工作的興趣。

為了在有限的課堂時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到更多的新知識(shí)，了解更多模擬集成電路IC(Integrated Circuits)新結(jié)構(gòu)、新思想，“模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”課程開(kāi)課18年來(lái)一直引入文獻(xiàn)閱讀案例分析環(huán)節(jié)。通過(guò)安排學(xué)生閱讀近期ISSCC，JSSC，TCAS等學(xué)科領(lǐng)域重要國(guó)際會(huì)議材料、SCI期刊中的專業(yè)文獻(xiàn)，并要求撰寫(xiě)閱讀心得，而后遴選部分學(xué)生在課堂上用PPT分享他們所讀文獻(xiàn)的內(nèi)容，完成文獻(xiàn)案例分析的教學(xué)過(guò)程。

在選取文獻(xiàn)案例時(shí)，除了考慮該文獻(xiàn)能被同學(xué)理解得透徹之外，更要考慮文獻(xiàn)對(duì)課程重要知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用度、提升度和學(xué)生的受眾性，如高性能的基準(zhǔn)和運(yùn)放方面的文獻(xiàn)就比高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器受眾面更廣。

有的學(xué)生在閱讀文獻(xiàn)時(shí)，還會(huì)對(duì)文獻(xiàn)中的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，不僅可深入領(lǐng)悟文獻(xiàn)中電路的優(yōu)點(diǎn)，而且還發(fā)現(xiàn)其不足之處，并給出修改建議，這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)創(chuàng)新的過(guò)程。

文獻(xiàn)閱讀作為案例分析，不僅可以彌補(bǔ)教材建設(shè)滯后、教學(xué)內(nèi)容陳舊的問(wèn)題[5]，而且可以拓展學(xué)生視野、共享前沿知識(shí)，并強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科技創(chuàng)新的意識(shí)。

2.3 運(yùn)用案例分析塑造價(jià)值觀

“模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”課程知識(shí)點(diǎn)多、學(xué)時(shí)有限。教師就利用課間時(shí)間跟學(xué)生分享每周IC新聞與動(dòng)態(tài)，如“模擬芯片創(chuàng)業(yè)大有可為”“臺(tái)積電三星新一輪爭(zhēng)奪戰(zhàn)開(kāi)打”“利潤(rùn)同比增10倍！中國(guó)芯片巨頭打出漂亮仗”等。通過(guò)課間插播業(yè)界新聞信息、報(bào)道相關(guān)行業(yè)政策，讓學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外集成電路領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)、行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和個(gè)人肩負(fù)的使命。并從行業(yè)新聞中選3-4個(gè)思政案例，每個(gè)思政案例分析占用課堂2-5分鐘的時(shí)間，跟學(xué)生討論國(guó)內(nèi)外集成電路設(shè)計(jì)的差距、我國(guó)IC業(yè)存在哪些“卡脖子”的問(wèn)題、如何實(shí)現(xiàn)突破和提升我國(guó)IC設(shè)計(jì)水平、新工藝下模擬IC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)等等，一方面鼓勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)、未來(lái)?yè)?dān)當(dāng)重任，另一方面也打開(kāi)了學(xué)生的腦洞、調(diào)節(jié)了課堂嚴(yán)肅的氣氛。起到了塑造學(xué)生價(jià)值觀、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生多方位思考問(wèn)題的作用。圖5圖6表現(xiàn)了學(xué)生、教師在這方面的活動(dòng)。

圖5 學(xué)生做文獻(xiàn)閱讀案例分析

圖6 教師課間分享IC新聞

3 培養(yǎng)思維方法

思維模式是人才創(chuàng)新的動(dòng)力與源泉[7]。如果說(shuō)研究生“三位一體”課程教學(xué)中“建立知識(shí)體系、運(yùn)用案例分析”是方法、是途徑，那么思維方法、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)則是研究生課程教學(xué)的目標(biāo)。

3.1 邏輯思維的培養(yǎng)

邏輯思維是人們借助概念、判斷、推理等思維形式認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)、把握對(duì)象規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程，是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。在知識(shí)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究過(guò)程中，邏輯思維無(wú)處不在。邏輯思維能力是研究生應(yīng)具備的基本能力，也是其培養(yǎng)的重要目標(biāo)。

邏輯思維是基于已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新事物、新問(wèn)題的觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理。

巧婦難為無(wú)米之炊，基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和構(gòu)建是邏輯思維培養(yǎng)的根本。在課程教學(xué)中，讓學(xué)生梳理課程知識(shí)體系中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性、總結(jié)知識(shí)點(diǎn)由淺入深的變化規(guī)律、找尋其邏輯關(guān)系，進(jìn)而完善知識(shí)體系，是培養(yǎng)學(xué)生找尋邏輯規(guī)律、進(jìn)行歸納總結(jié)的邏輯思維方法的很好手段。

運(yùn)用案例分析則是利用他人的經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維的有效方法?；诎咐治?，引導(dǎo)學(xué)生分析案例中的對(duì)象是由什么基本電路組成？為什么要這樣設(shè)計(jì)？這樣的設(shè)計(jì)在功能、性能上有什么提升？這一案例的物理意義是什么？數(shù)學(xué)關(guān)系是什么？工程的可實(shí)現(xiàn)性如何？性價(jià)比如何？學(xué)生在回答這些問(wèn)題的過(guò)程中，可逐步建立類比推理、綜合判斷的邏輯思維方法。

3.2 創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

創(chuàng)新思維是指以獨(dú)特新穎的方法解決問(wèn)題的思維過(guò)程，它是邏輯思維的延伸。創(chuàng)新思維以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角去提出問(wèn)題、思考問(wèn)題，并給出獨(dú)辟蹊徑、與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨(dú)到的、量變到質(zhì)變的成果。

研究生應(yīng)該是具有堅(jiān)實(shí)專業(yè)知識(shí)，具有獨(dú)立思考能力、很強(qiáng)學(xué)習(xí)能力、豐富實(shí)踐能力的、明確價(jià)值取向的綜合性人才。

為訓(xùn)練研究生們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，教師在案例選取和分析上不是全部包攬，而是通過(guò)有的放矢的啟發(fā)引導(dǎo)，在后面案例的選取和分析時(shí)讓學(xué)生在逐漸增加知識(shí)點(diǎn)的理解基礎(chǔ)上自主解決，只是遇到難點(diǎn)時(shí)才開(kāi)展交流商討。這樣可根據(jù)每一屆學(xué)生生源與基礎(chǔ)的不同而靈活調(diào)整，做到因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜。總之，閱讀文獻(xiàn)的選取由學(xué)生根據(jù)興趣自己選擇，教師僅給出大方向和整體要求。找到問(wèn)題、確定關(guān)注目標(biāo)后，則通過(guò)案例分析培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生批判式地閱讀文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)所給電路的不足之處，并進(jìn)行修改，由此培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力。

“模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)”課程還安排了課程設(shè)計(jì)作業(yè)，讓3～5位學(xué)生組成一組設(shè)計(jì)一個(gè)模擬IC電路，進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。學(xué)生必須自學(xué)Hspice或Spectre等仿真軟件，再利用課堂中所學(xué)基本電路知識(shí)點(diǎn)、電路設(shè)計(jì)方法以及文獻(xiàn)中電路的設(shè)計(jì)新思想，才能完成課程設(shè)計(jì)要求的電路分析、參數(shù)設(shè)計(jì)、功能/性能仿真。課程設(shè)計(jì)是一個(gè)主動(dòng)思考、積極創(chuàng)新的實(shí)踐過(guò)程、也是團(tuán)隊(duì)協(xié)作、科學(xué)研究的一次嘗試，挑戰(zhàn)雖大，一旦完成，則能很好提升學(xué)生的IC創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出建立知識(shí)體系、運(yùn)用案例分析、培養(yǎng)思維方法“三位一體”的研究生課程教學(xué)模式，這一教學(xué)模式能充分體現(xiàn)研究生課堂教學(xué)中教師以知識(shí)牽引為主、授人予漁，學(xué)生以方法學(xué)習(xí)為主、發(fā)揮主動(dòng)思考的育人思想。

以知識(shí)體系為牽引、以案例分析為手段、以培養(yǎng)研究生邏輯思維和創(chuàng)新思維方法為目標(biāo)，利用“三位一體”的課程教學(xué)模式，提升了學(xué)生對(duì)課程整體知識(shí)快速掌握的能力以及創(chuàng)新思維能力。同時(shí)，在知識(shí)傳授的過(guò)程中，還完成對(duì)學(xué)生價(jià)值的塑造。