数字系统测试与可测性设计“课程思政”教学案例

——第4章 可测性设计

案例：数字集成电路中时序电路的测试

一、基本信息表

二、教学目标与学情分析

（一）学情分析

本门课程授课对象为集成电路设计与集成系统专业本科大三学生。先修课程为《数字电路》、《高级数字系统设计》等。本节课的内容是基于前三章对组合电路测试方法的掌握，讨论时序电路的测试问题，并通过可测性设计方法，解决时序电路伪输入不可控、伪输出不可观测的问题。在授课过程中，可以结合之前的实验内容，进一步加深对可测性设计方法的理解。

（二）教学目标

1、知识与能力目标

通过组合电路与时序电路特点的分析，总结出时序电路测试中遇到的阻碍与困惑。结合前修课程《数字电路》中掌握的移位寄存器电路的特点，采用可测性设计的方法插入扫描电路，解决测试时序电路时，伪输入不可控、伪输出不可观测的问题，进而确保电路的可测试性。通过课程的学习，培养学生掌握可测性电路设计与插入的理论方法，并使用EDA工具，自动进行可测性设计。

2、思政教学目标

2016年12月，在全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记强调：立德树人主要针对培养什么样的人，如何培养人以及为谁培养人这个根本问题，把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，高校立身之本在于立德树人。而我校在2000年建校之初，学校就明确了 2000年建校之初，学校就明确了服务行业及区域经济发展的应用型办学定位。办学20年来,学校以“教育创造学生价值”为理念，紧密依托东软的IT服务优势和大连高新区的产业优势，构建了产教融合、面向应用的办学体制，形成了校企合作、协同共赢的运行机制，创造性地提出并在全校范围实施了TOPCARES一体化人才培养模式，实现了人才培养与产业需求、企业需求的互补对接。

本门课程的思政建设方向和重点在于常学常新并加强理论修养。通过学习方法和学习内容的改革武装头脑，指导学生的学习实践，全面系统的学习课程的各章知识点，及时跟进国内外行业最新发展现状，联系我国的行业实情学习，并且在学习过程中深入思考学习本门课对知识体系及行业发展的作用。本案例为理论课内容，并结合部分实验课内容，辅助理论知识的消化吸收。在学习内容中优化课程思政内容供给，让学生明确要成为什么样的专业人才，如何成为合格的专业人才，及能够为我国集成电路产业做什么样的贡献这一根本问题。把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教学全过程。用好课堂教学这个主渠道，课程建设思路如下图所示。

图1 课程建设思路

主要培养目标如下表所示。

表1思政教学目标

三、教学内容设计

（一）教学重点与难点

1.教学重点

分析组合电路和时序电路的结构以及测试过程中异同点，总结时序电路测试过程中的难点。

2.教学难点

依托前修知识，解决时序电路测试过程中，伪输入不可控、伪输出不可观测的问题，通过可测性设计，解决时序电路测试的问题。

（二）课程思政元素

1、工匠精神：苏轼的《题西林壁》，建议学生换个角度看问题，分析时序电路测试中的问题。

2、创新精神：“学而不思则罔，思而不学则殆”，依托前修知识，解决时序电路测试中的问题。并引入“设计思维”模型，激发“头脑风暴”。

3、团队精神：通过“三人行必有我师”活动，鼓励团队合作。

4、家国情怀：结合国内外EDA工具现状调查，向学生灌输“核心技术、求不来、买不来，要靠自己奋斗出来”的忧患意识和自强意识。

5、责任意识：通过 “丢失的飞船”和“消失的摩天大楼”等案例，培养学生严谨的工作作风和认真负责的工作态度。

（三）教学内容设计

1、授课内容导入，通过思政元素1，培养学生多维度认识问题，分析时序电路测试过程中存在的问题。

2、分析问题，通过思政元素2，鼓励学生基于前修课程内容，思考如何解决伪输入不可控、伪输出不可观测的问题。

3、在分析问题的过程中，个人能力较为局限的时候，通过思政元素3，激发团队合作精神，辅助学生深刻理解“三人行必有我师”的道理。

4、知识巩固，通过EDA工具的波形，巩固学生对可测性设计方法的理解。并通过思政元素4，让学生认清现状，激发学生的爱国情怀。

5、可测性设计实现过程中，务必认真自习，通过思政元素5，培养学生严谨的工作作风和认真负责的工作态度。

四、教学方法与手段

1.教学方法：

讲授教学法：通过老师的系统讲解，引导学生分析时序电路测试和组合电路测试的差异点。

讨论教学法：设计课堂小组讨论环节，学生就时序电路测试分析，凝练测试过程中亟须解决的问题，探索解决办法。

案例学习法：通过案例电路的动作，引导学生分析扫描测试的原理，进一步确定时序电路测试的问题及解决办法。

演示教学法：通过生动形象的演示教学，辅助学生将时序电路测试方法内化、吸收。

2.教学手段的运用：

希沃品课：利用希沃品课与智慧教室等信息化工具，展示丰富的教学资源，包括图片、视频、PPT等，生动形象地呈现案例分析和演示，激发学生的视觉感知。同时，通过希沃品课抽选功能，鼓励学生积极参与课堂，促进学生思考与讨论。

板书：结合讲解、小组讨论等活动，将重要知识点辅以板书表达，帮助学生整理知识体系，引发学生的深度思考。

五、教学过程

一、课前（上一节课结束后）

  1、发布课前思考题

  2、发布微课视频

二、课中

  1、授课内容导入，介绍本章学习思路，讨论组合电路与时序电路的区别。

  【讲授】组合电路的特点是当信号稳定之后, 输出信号是完全由当前的输入信号所决定的，组合电路对过去的输入信号没有记忆能力，组合电路没有由输出端到输入端的反馈信号，组合电路可由基本逻辑门组成的网络实现。

时序电路的特点是当信号稳定之后, 输出信号由该时刻的输入信号和电路原来的状态所决定的。电路具有连接输出端到输入端的反馈信号，以实现记忆（或存储）功能。

【隐性思政元素1引入】以苏轼的《题西林壁》为引，帮助学生明白该章节其实研究的依然是前修课程《数字电路》中所学时序电路，只是换了一个角度来分析。帮助学生树立学习的信心，并以工匠精神来分析问题。

图2 思政元素1课件

【讨论-引入隐性思政元素2】在理解时序电路基本结构的基础上，鼓励学生自己独立思考，来分析时序电路测试过程中遇到的问题，以及应该如何解决。

图3 思政元素2课件

创新是科学发展、文明进步的动力。 当代大学生肩负着中华民族伟大复兴的历史使命，培养大学生创新能力，是大学教育的首要任务。 培养大学生创新能力，必须培养其理性的思辨精神，使之具备良好的判断能力和批判精神，鼓励其在学习和继承人类优秀文明成果的基础上，勇于突破成规，勇于对现有知识质疑，敢于独辟蹊径，不断发现和创新科学知识，推动社会不断向前发展。

在创新的过程中，可以通过创新创业的手法来辅助，课程中引入“设计思维”模型，辅助学生分析问题的根本原因，快速梳理思路，寻求解决方法。

图4 引入“设计思维”模型

【讨论-引入隐性思政元素3】在个人思考能力不够或没有“思维火花”的时候，通过“三人行必有我师”的团队讨论，激发“头脑风暴”，形成不同的解决方案。

图5 学生踊跃回答问题

图6 学生小组研讨

图7 学生积极分享思路

  2、【演示】结合学生的讨论结果，演示可测性设计的核心电路及其工作原理。主要针对以下内容进行详细讲解。

（1）可测性设计的定义：英文是Design for Test，可简写为DFT。按照一定的方法修改电路的原设计，使得该电路在做成芯片后，其物理电路可测，可控。

（2）可测性设计方法的分类：全扫描设计、部分扫描设计以及其他。

（3）扫描测试的核心思想：将时序电路测试问题转换为组合逻辑测试问题。也就是课程前三章所学的知识均可以应用。

（4）扫描电路效果演示。

首先需要给定目标效果，如下图所示。

图8 时序电路测试目标效果

其次对电路进行修改，如下图所示。

图9 时序电路进行可测性设计后的效果图

之后结合PPT的动画效果，分步演示测试向量移入以及测试结果移出的过程。基于篇幅原因，在此仅给出最后一张测试结果移出效果图，如下图所示。

图10 时序电路进行可测性设计后的效果图

 3、【案例演示-隐性思政元素4】通过EDA工具进行波形演示，进一步加深学生对扫描测试概念以及效果的理解。并结合学生的调研报告，分析EDA工具的发展国内外现状。如下图所示。

图11 EDA工具市场份额图

工欲善其事必先利其器，IC设计领域的EDA工具主要被Cadence、Synopsys、Mentor三家垄断。EDA进入中国的最大意义，是使得国内集成电路设计工具开始与世界接轨，结束了过去依靠半手工半自动化的CDA（计算机辅助设计）时代。设计工具的改善，使得我们在设计手段方面开始向世界水平靠拢，也在一定程度上加快了我们的集成电路设计水平。中美贸易战开始，我国EDA等工业软件短板凸显，被“卡脖子”的风险上升，目前我国已有多家重点企业、高校被软件禁用。EDA是集成电路设计的核心工具，是集成电路产业的重要支撑技术，也是我国在集成电路行业被卡脖子最严重的领域之一。如下图所示，一场无硝烟的战争正在程序中。

图12 中美之战对比

我们要支持国产EDA的发展，追赶之路很艰辛，但是我们仍要负重前行。我们祖国的强大，靠的是我们每一个人的努力。爱国主义是中华民族生生不息、屹立于世界民族之林的强大精神动力。有国才有家，国家强大，我们的腰板才能挺直。通过对比，激发学生的爱国情怀。以下是学生调研后的感想截图。

图13 学生感想1

图14 学生感想2

4、【课程总结-隐性思政元素5】

总结本节课所讲授的可测性设计方法以及注意点，强调在改动电路结构的时候一定要认真仔细，确保修改的正确性。以“丢失的飞船”和“弯曲的摩天大楼”为例，让学生深刻体会“失之毫厘，谬以千里”的道理。随堂PPT如下图所示。

图15 思政元素5课件-1

图16 思政元素5课件-2

六、教学评价

1.诊断性评价：

开课前线上测试：学生填写线上测试，摸清他们关于时序电路扫描测试所用的基础知识的掌握水平。

希沃品课互动：在课程开始时，利用希沃品课的抽选功能，提出时序电路测试面临的问题，进一步了解学生调查讨论的结果，通过回答质量，了解学生的团队协作和批判性思维能力。

2.形成性评价：

小组希沃品课互动：学生分成小组进行案例讨论，教师观察学生的讨论情况，同时在希沃品课上设置讨论区，鼓励学生在课堂上提问、讨论，并在希沃品课上进行投票。

作业提交与评定：学生将在课后完成关于指定时序电路测试的作业。内容包括扫描电路的插入及测试时间、测试向量的分析等，通过作业的完成度和深度，评估学生的分析和解决问题的能力。

七、思政教学反思

（一）思政教学的意义与价值

思想政治工作不只是思想政治理论课的事，专业课也要把做人做事的基本道理，把社会主义核心价值观的要求，把实现民族复兴的理想和责任融入课程教学之中，使专业课与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。专业课更要以培养担当民族复兴大任的时代新人为着眼点，要全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人。

（二）思政教学的成效和特色

课程实施思政改革学生评价良好，通过思政教学内容的学习，更加坚定了学习方向，明确了学习目标。通过国内外发展现状及差距，更加激起学生的学习热情。学生反映：“在《数字系统测试与可测性设计》课程学习中感受到了我国集成电路产业人才紧缺的现状，激发了我的爱国情怀，我要好好学习专业课，投身我国的集成电路发展事业”，“通过调查，我知道了我国芯片被卡脖子的事情。这件事使我深刻意识到科技强国和自主知识产权的重要性，我一定要好好学习各门专业课，培养自己的实践能力，为实现我国的科技自强贡献自己的一份力量”。

课程思政作为一种新的教育模式，强调思想政治教育与学科教学相结合，体现了教育全过程的思想性、引导性、服务性和创造性。它在推进德育工作、构建中国特色现代大学制度、培养“四有”新人等方面都具有重要意义。在实施思政教育的过程中，授课教师敏锐捕捉教学内容中的思政元素，把握好思政教育与学科教学相结合的时机和方式，做到了思想性与学科性有机融合。并依托学校为课程思政建立的目标导向、评价体系以及学科教师的培训、研究机制等保障性措施，来全面推进课程思政的实施。在实施过程中，具有以下几大特点。

1、教学内容更贴近实际。因为课程思政是将思政教育内容融入到学科教学中来进行授课，所以它更能够适应社会发展的需要和学生的需求。

2、知识点和思政元素的融合更加紧密。课程思政将知识点和思政元素紧密结合，使学生在学习专业知识的同时也能接受相关的思想政治训练。

3、语言表达能力和创新思维的培养更为有效。通过专业教学与思想政治教育的有机结合，有利于提高学生的语言表达能力和创新思维能力，增强学生的人文素养。

依托课程学习内容组织学生参加全国大学生集成电路创新创业竞赛，积极申报大创项目。在竞赛及项目完成过程中鼓励团队成员之间明确分工、取长补短、互相学习、互相进步。学生多次在全国大学生集成电路创新创业竞赛中获得省级三等奖及以上奖励，并多次获得全国大学生集成电路创新创业竞赛中特（一）等奖。

（三）思政教学的改进措施

1、师资队伍建设：逐步形成一支以主讲教师负责、结构合理、人员稳定、教学水平高、教学效果好的一流教师队伍。在现有基础上进一步抓好青年教师的培养工作。

2、教学内容与时俱进：要具有先进性、时代性、科学性，要及时反映本学科领域的新科技成果，重点体现“新观念、新技术、新工具”。

3、教学形式及资源不断完善：结合行业发展现状，完善教学资源，并结合国家时事，更新/丰富思政元素，做到紧跟时事，与时俱进。

4、进一步优化考评体系：深度融合OBE理念和TOPCARES教育方法学理念，进一步从判断性评价向改进提升性评价转化，采用逆向思维，制定有效定量评价课程预期学习效果的系统性的考试体系和评价机制，根据学生能力达成度，迭代改进教学设计和教学实施过程，不断提升教学效果。同时，通过考评体系，激励学生自主地、个性化地学习，增加国内外交流，保证课程各个环节不断更新与完善。

5、提升集成电路芯片测试能力：通过不同层次的设计方法运用和资源整理，有效提升芯片测试能力。

6、进一步拓展学生实践机会：在现有CO-OP实习和学科竞赛基础上，通过精心投入和科学组织，实现对口实习率达到30%，竞赛获奖比例达到30%的目标。

八、教学资源拓展

1、在教案中引入思政内容建设。

2、对应章节课件中加入思政内容，对课件进行更新。

3、设置思政教学效果展示课。

4、探讨思政元素的多元化教学模式，将线上与线下教学有机结合，可采取翻转课堂、讨论、调研等多种方式进行教学，并且设计相应的学生互评考核方式评价思政教学的效果。