江先陽 黃啟俊 常勝

[摘 要]人類進(jìn)入萬物互聯(lián)的智能化時(shí)代，微電子是具有戰(zhàn)略資源和國際特征的基礎(chǔ)行業(yè)，對(duì)涉及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有著至關(guān)重要的作用，其科技水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個(gè)國家總體實(shí)力的重要指標(biāo)。因此，培養(yǎng)微電子人才，發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)可以加速我國國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的步伐，提升我國科技和經(jīng)濟(jì)的競爭力。2015年武漢大學(xué)通過“本科教育改革大討論”確立了本科教育的基本理念：人才是培養(yǎng)的根本，本科教育是根;以成“人”教育統(tǒng)領(lǐng)成才教育。2016年，“武大通識(shí)3.0”課程改革開始啟動(dòng)。作為武漢大學(xué)通識(shí)課程建設(shè)的一部分，“微電子與智能社會(huì)”課程于2018年底獲批建設(shè)，其主要內(nèi)容也與我國科技經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求相契合，因此，如何建設(shè)好這門課程，成為課程團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)任務(wù)之一。

[關(guān)鍵詞]通識(shí)課程;課程建設(shè);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目]2019年國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“可裁剪的心血管疾病檢測智能方法研究”（81971702）;2011年國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向非規(guī)則計(jì)算算法的FPGA邏輯映射優(yōu)化”（61072135）;2017年教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)模式認(rèn)知及其應(yīng)用”（2042017gf0052）

[作者簡介]江先陽（1974—），湖北大悟人，博士，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授（通信作者），主要從事大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)研究;黃啟?。?965—），廣西桂林人，博士，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人工智能、信號(hào)處理算法等研究。

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-09

一、引言

人類已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的智能化、系統(tǒng)嵌入式小型化時(shí)代，其基礎(chǔ)是集成微電子科技的電子元器件，因此微電子是具有戰(zhàn)略資源和國際特征的基礎(chǔ)行業(yè)，對(duì)涉及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有著至關(guān)重要的作用，其科技水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個(gè)國家總體實(shí)力的重要指標(biāo)。因此培養(yǎng)微電子人才，發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)將加速我國國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的步伐，提升我國科技和經(jīng)濟(jì)的競爭力。2015年，武漢大學(xué)通過“本科教育改革大討論”確立了本科教育的基本理念：人才是培養(yǎng)的根本，本科教育是根;以成“人”教育統(tǒng)領(lǐng)成才教育。2016年，“武大通識(shí)3.0”開始啟動(dòng)，“微電子與智能社會(huì)”課程于2018年獲批成為該體系中的一門重要課程，并納入學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程。如何建設(shè)好通識(shí)課程，是世界范圍內(nèi)值得探索的課題[1，2]。目前，課程組已經(jīng)在相關(guān)課程基礎(chǔ)和團(tuán)隊(duì)成員多種教學(xué)中進(jìn)行了多樣探索，包括教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、依托專業(yè)競賽教學(xué)模式、依托國產(chǎn)AI芯片系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)練習(xí)、通識(shí)教學(xué)方法的改進(jìn)等，希望將這門課程建設(shè)成為“武大通識(shí)3.0”課程改革的亮點(diǎn)。

二、教學(xué)內(nèi)容和素材的準(zhǔn)備

課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)包含5位長期專注于微電子教學(xué)的老師。在教學(xué)內(nèi)容和素材的準(zhǔn)備中，根據(jù)微電子學(xué)科領(lǐng)域的范疇，依據(jù)其知識(shí)體系的框架，結(jié)合各位老師的學(xué)術(shù)背景進(jìn)行分工合作，課程建設(shè)的模塊劃分和課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)如表1所示。

在內(nèi)容和素材準(zhǔn)備上，課程組不僅圍繞通識(shí)課程的基本理念來建設(shè)，也考慮到微電子的特色和深度。因此，在內(nèi)容上既講究全面，也講究深度，使學(xué)生能夠在完整掌握微電子領(lǐng)域的基本規(guī)律和基礎(chǔ)知識(shí)情況上，認(rèn)識(shí)其在智能社會(huì)中的地位、影響和應(yīng)用。課程講授脫離只講理論的窠臼，大量引入實(shí)踐范例分析和思辨環(huán)節(jié)，與時(shí)俱進(jìn)地將微電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、人工智能、自動(dòng)駕駛、航空航天等納入講授和分析，開拓了學(xué)生的視野，提高了同學(xué)們的興趣，豐富了學(xué)生的知識(shí)體系，有效地提升了學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的思維能力。

三、課程建設(shè)探索

（一）依托專業(yè)競賽的探索

為了帶動(dòng)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的積極性，團(tuán)隊(duì)將本通識(shí)課程和目前的專業(yè)競賽結(jié)合起來，讓其中一部分有闖勁、基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生可以脫穎而出，提前感受智能社會(huì)的魅力。當(dāng)前，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的競賽層出不窮，其參與度非?；鸨珖缘母傎悈⑴c度有的達(dá)到幾千人，小的競賽也有好幾百人，各校也會(huì)組織一些有預(yù)賽，學(xué)生參與度很高。然而，從學(xué)生角度來看存在若干問題：（1）學(xué)生本來課業(yè)負(fù)擔(dān)就很重，很多學(xué)科競賽需要占用課外時(shí)間，還不能計(jì)入學(xué)分，所以參與積極性不高;（2）部分競賽本科生和研究生不分，對(duì)本科生形成擠兌效應(yīng)，打擊了一些本科生的積極性;（3）部分參與的學(xué)生止步于預(yù)賽，投入的精力沒有明顯的回報(bào)，導(dǎo)致部分“現(xiàn)實(shí)”的學(xué)生不參與。從教師的角度看也存在若干問題，在研究型大學(xué)以科研為主導(dǎo)的情況下，老師們?nèi)绻笇?dǎo)本科生參與競賽需要投入很多精力，包括組織、指導(dǎo)和帶隊(duì)參加比賽，還要面向本科生做很多引導(dǎo)工作，而這些基本上是“義務(wù)勞動(dòng)”，如果指導(dǎo)的學(xué)生不能夠以積極的態(tài)度來準(zhǔn)備比賽，或者競賽成績不理想，對(duì)于老師也會(huì)形成相當(dāng)大的壓力。更何況部分老師為了組織這樣的競賽，從相關(guān)部門拿到一定的資助用于學(xué)生參賽，由于目前指揮棒的存在，相關(guān)部門也會(huì)給拿到資助的教師相當(dāng)大的壓力。綜合起來看，就形成了競賽的需求和參與之間一定的差距。為了填補(bǔ)這一差距，課題組正好結(jié)合本門通識(shí)課程進(jìn)行了一定的探索，希望通過這些探索形成多贏的局面，也就是學(xué)生樂學(xué)、教師愿意教、競賽有成績的局面。

結(jié)合本課程的建設(shè)，以今年華中賽區(qū)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽為例，武漢大學(xué)爭取到華中賽區(qū)的承辦權(quán)。最后參賽和全國賽事的對(duì)比情況如表2所示，可以看到，從獲獎(jiǎng)比例來看，武漢大學(xué)的情況和參賽隊(duì)伍和人數(shù)的數(shù)量是匹配的，與武漢大學(xué)微電子專業(yè)的地位基本對(duì)應(yīng)。

（二）依托國產(chǎn)AI芯片的系統(tǒng)應(yīng)用探索

為了探索本通識(shí)課程的內(nèi)涵式發(fā)展，課題組和寒武紀(jì)科技公司合作，借助實(shí)踐實(shí)訓(xùn)操作，在基于寒武紀(jì)的芯片上進(jìn)行工具鏈的訓(xùn)練，講授如何利用國產(chǎn)芯片以及相應(yīng)的工具實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理，例如進(jìn)行經(jīng)典畫風(fēng)轉(zhuǎn)變處理。

作為本通識(shí)課程的探索之一，老師們?cè)谡n程上講授智能計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展、國產(chǎn)AI芯片的架構(gòu)和優(yōu)勢(shì)、一個(gè)基于Athena 520開發(fā)板的畫風(fēng)轉(zhuǎn)換實(shí)例。參與學(xué)生有39人，課程涵蓋了理論講授，實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告論文。

（三）校企合作納入課程

課程建設(shè)還注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，結(jié)合湖北省和武漢市的科技和經(jīng)濟(jì)特色，聯(lián)系業(yè)界翹楚包括長江存儲(chǔ)有限公司、武漢敏芯半導(dǎo)體股份有限公司等，將企業(yè)的課題和部分芯片設(shè)計(jì)流程引入課堂，后續(xù)還將與這些企業(yè)建立實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地等。

（四）促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行通識(shí)課程學(xué)習(xí)的方法探索

除了上述課程框架的設(shè)計(jì)以外，在學(xué)習(xí)方法上主要改進(jìn)如下。

1.從機(jī)制層面形成更靈活的方式，例如將通識(shí)課程和競賽、部分實(shí)踐結(jié)合起來。對(duì)學(xué)生來說，只要認(rèn)真準(zhǔn)備和參與（例如認(rèn)真準(zhǔn)備和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、小論文等），就可以獲得相應(yīng)課程的學(xué)分。使學(xué)生既可以選擇比較靈活的時(shí)間去修一門課程，也能夠獲得原來課程規(guī)定的內(nèi)容之外的知識(shí)，從機(jī)制上讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，提高了學(xué)習(xí)積極性。

2.從教師角度注意引導(dǎo)學(xué)生，為將來進(jìn)入職場或者深造提供需要知識(shí)體系。實(shí)際上，大多數(shù)學(xué)生對(duì)于未來職業(yè)和深造充滿憧憬，但是因?yàn)槲㈦娮有畔⒌膹?fù)雜性和綜合性，同學(xué)們對(duì)未來又很茫然。借助本門通識(shí)課程，將理工科的課程與社會(huì)的需求、將科學(xué)家的探索與創(chuàng)造過程結(jié)合起來，以滿足學(xué)生對(duì)未來社會(huì)的需求。

3.課程盡量采用小班討論的方式[3]，形成與理論課程互補(bǔ)的模式，讓學(xué)生在實(shí)際操作后形成問題，然后再在小班討論中集思廣益，形成解決方案。

四、取得的效果

教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探索是一個(gè)長期的過程。在本門通識(shí)課程的建設(shè)中，通過前期的探索，我們能夠感受到明顯的變化是，本課程獲得了電信學(xué)院、電氣學(xué)院、動(dòng)機(jī)學(xué)院、遙感學(xué)院等學(xué)院學(xué)生的關(guān)注，學(xué)生也愿意動(dòng)手參與實(shí)踐過程，形成了有別于理論課程的學(xué)習(xí)趨勢(shì)。

另外，在本課程中引入的國產(chǎn)芯片的工具鏈訓(xùn)練，同學(xué)們也驚奇地表明“原來我們國家的芯片可以做得這么好了”，“真是神奇，算法可以變成芯片。”這些反饋表明，提升學(xué)生對(duì)我國科技水平發(fā)展的信心，為學(xué)生以后走向社會(huì)、服務(wù)社會(huì)打下了堅(jiān)實(shí)的自信基礎(chǔ)。從這里可以看出本課程建設(shè)的必要性和重要性。

五、結(jié)語

在當(dāng)前通識(shí)課程風(fēng)起云涌的環(huán)境下，建設(shè)“微電子與智能社會(huì)”這門課程，既從內(nèi)容上追求內(nèi)涵，也非常注重課程的“社會(huì)性”，將同學(xué)們的學(xué)習(xí)和實(shí)踐緊密地結(jié)合起來，將學(xué)校課程與社會(huì)結(jié)合起來，有效地提升了同學(xué)們的興趣、關(guān)注度、投入度和被接受程度。課程采取的“實(shí)踐性”內(nèi)容建設(shè)和“引導(dǎo)性”的方法探索，促進(jìn)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到了提升教育質(zhì)量的目的。這些探索將為我們進(jìn)一步建設(shè)好這門課程提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

致謝：感謝武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院孫盡堯，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王豪兩位老師對(duì)本文作者給予班級(jí)建設(shè)和學(xué)生管理方面的指導(dǎo)。本文工作得到武漢大學(xué)“武大通識(shí)3.0”課程、武漢大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“微電子科學(xué)與工程類教學(xué)改革探索”（2016023）、武漢大學(xué)2019年規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目—電子線路（201926）和寒武紀(jì)科技有限公司的支持，特別感謝。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on the Construction of the General Education Course in

"Microelectronics and Intelligent Society"

JIANG Xian-yang1，2，3， HUANG Qi-jun1，2，3， CHANG Sheng1，2，3

（1. National Demonstration Center for Experimental Physics Education， Wuhan， Hubei 430072， China;

2. National Teaching Base for Electrical and Electronic Engineers， Wuhan， Hubei 430072， China;

3. School of Physics and Technology， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China）

Abstract： In the intelligent era of interconnection of all things， microelectronics is a basic industry with strategic resources and international characteristics. It plays an important role in the progress of science and technology involving independent intellectual property rights and the development of national economy. Its scientific and technological level and industrial scale have become important indicators to measure the overall strength of a country. Therefore， the cultivation of talents in the microelectronics field and the development of integrated circuit industry can accelerate the pace of structural adjustment of China's national economy and enhance the competitiveness of science and technology and economy. In 2015， Wuhan University established the basic concepts of undergraduate education through the "Broad Discussion on Undergraduate Education Reform" as the follows： talents are the core of cultivation， undergraduate education is the root and adult education is the guidance of talent education. In 2016， the curriculum reform of "General Course 3.0 of Wuhan University" started. As a part of the general course construction of Wuhan University， the course of Microelectronics and Intelligent Society was approved at the end of 2018， and its main content is also in line with the strategic needs of China's science and technology and economic development. Therefore， how to build this course well has become one of the key tasks of the course development team.

Key words： general education course; course construction; teaching reform