“微電子與智能社會”通識課程建設探索

江先陽 黃啟俊 常勝

[摘 要]人類進入萬物互聯(lián)的智能化時代，微電子是具有戰(zhàn)略資源和國際特征的基礎行業(yè)，對涉及自主知識產(chǎn)權的科技進步、國民經(jīng)濟的發(fā)展，有著至關重要的作用，其科技水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家總體實力的重要指標。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)濟結(jié)構(gòu)性調(diào)整的步伐，提升我國科技和經(jīng)濟的競爭力。2015年武漢大學通過“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)領成才教育。2016年，“武大通識3.0”課程改革開始啟動。作為武漢大學通識課程建設的一部分，“微電子與智能社會”課程于2018年底獲批建設，其主要內(nèi)容也與我國科技經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略需求相契合，因此，如何建設好這門課程，成為課程團隊的重點任務之一。

[關鍵詞]通識課程;課程建設;教學改革

[基金項目]2019年國家自然科學基金面上項目“可裁剪的心血管疾病檢測智能方法研究”（81971702）;2011年國家自然科學基金項目“面向非規(guī)則計算算法的FPGA邏輯映射優(yōu)化”（61072135）;2017年教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項“基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的運動模式認知及其應用”（2042017gf0052）

[作者簡介]江先陽（1974—），湖北大悟人，博士，武漢大學物理科學與技術學院副教授（通信作者），主要從事大規(guī)模集成電路設計研究;黃啟?。?965—），廣西桂林人，博士，武漢大學物理科學與技術學院教授，博士生導師，主要從事微電子系統(tǒng)設計、人工智能、信號處理算法等研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-05-09

一、引言

人類已經(jīng)進入萬物互聯(lián)的智能化、系統(tǒng)嵌入式小型化時代，其基礎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行業(yè)，對涉及自主知識產(chǎn)權的科技進步、國民經(jīng)濟的發(fā)展，有著至關重要的作用，其科技水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家總體實力的重要指標。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)濟結(jié)構(gòu)性調(diào)整的步伐，提升我國科技和經(jīng)濟的競爭力。2015年，武漢大學通過“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)領成才教育。2016年，“武大通識3.0”開始啟動，“微電子與智能社會”課程于2018年獲批成為該體系中的一門重要課程，并納入學校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程。如何建設好通識課程，是世界范圍內(nèi)值得探索的課題[1，2]。目前，課程組已經(jīng)在相關課程基礎和團隊成員多種教學中進行了多樣探索，包括教學內(nèi)容設計、依托專業(yè)競賽教學模式、依托國產(chǎn)AI芯片系統(tǒng)的實訓練習、通識教學方法的改進等，希望將這門課程建設成為“武大通識3.0”課程改革的亮點。

二、教學內(nèi)容和素材的準備

課程建設團隊包含5位長期專注于微電子教學的老師。在教學內(nèi)容和素材的準備中，根據(jù)微電子學科領域的范疇，依據(jù)其知識體系的框架，結(jié)合各位老師的學術背景進行分工合作，課程建設的模塊劃分和課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)如表1所示。

在內(nèi)容和素材準備上，課程組不僅圍繞通識課程的基本理念來建設，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，使學生能夠在完整掌握微電子領域的基本規(guī)律和基礎知識情況上，認識其在智能社會中的地位、影響和應用。課程講授脫離只講理論的窠臼，大量引入實踐范例分析和思辨環(huán)節(jié)，與時俱進地將微電子領域的最新進展，包括物聯(lián)網(wǎng)、智能手機、人工智能、自動駕駛、航空航天等納入講授和分析，開拓了學生的視野，提高了同學們的興趣，豐富了學生的知識體系，有效地提升了學生理論結(jié)合實際的思維能力。

三、課程建設探索

（一）依托專業(yè)競賽的探索

為了帶動學生對課程學習的積極性，團隊將本通識課程和目前的專業(yè)競賽結(jié)合起來，讓其中一部分有闖勁、基礎扎實的學生可以脫穎而出，提前感受智能社會的魅力。當前，各個學科領域的競賽層出不窮，其參與度非?；鸨?，全國性的競賽參與度有的達到幾千人，小的競賽也有好幾百人，各校也會組織一些有預賽，學生參與度很高。然而，從學生角度來看存在若干問題：（1）學生本來課業(yè)負擔就很重，很多學科競賽需要占用課外時間，還不能計入學分，所以參與積極性不高;（2）部分競賽本科生和研究生不分，對本科生形成擠兌效應，打擊了一些本科生的積極性;（3）部分參與的學生止步于預賽，投入的精力沒有明顯的回報，導致部分“現(xiàn)實”的學生不參與。從教師的角度看也存在若干問題，在研究型大學以科研為主導的情況下，老師們?nèi)绻笇П究粕鷧⑴c競賽需要投入很多精力，包括組織、指導和帶隊參加比賽，還要面向本科生做很多引導工作，而這些基本上是“義務勞動”，如果指導的學生不能夠以積極的態(tài)度來準備比賽，或者競賽成績不理想，對于老師也會形成相當大的壓力。更何況部分老師為了組織這樣的競賽，從相關部門拿到一定的資助用于學生參賽，由于目前指揮棒的存在，相關部門也會給拿到資助的教師相當大的壓力。綜合起來看，就形成了競賽的需求和參與之間一定的差距。為了填補這一差距，課題組正好結(jié)合本門通識課程進行了一定的探索，希望通過這些探索形成多贏的局面，也就是學生樂學、教師愿意教、競賽有成績的局面。

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

（二）依托國產(chǎn)AI芯片的系統(tǒng)應用探索

為了探索本通識課程的內(nèi)涵式發(fā)展，課題組和寒武紀科技公司合作，借助實踐實訓操作，在基于寒武紀的芯片上進行工具鏈的訓練，講授如何利用國產(chǎn)芯片以及相應的工具實現(xiàn)對圖像的處理，例如進行經(jīng)典畫風轉(zhuǎn)變處理。

作為本通識課程的探索之一，老師們在課程上講授智能計算系統(tǒng)的發(fā)展、國產(chǎn)AI芯片的架構(gòu)和優(yōu)勢、一個基于Athena 520開發(fā)板的畫風轉(zhuǎn)換實例。參與學生有39人，課程涵蓋了理論講授，實驗操作和實驗報告論文。

（三）校企合作納入課程

課程建設還注重理論和實踐相結(jié)合，結(jié)合湖北省和武漢市的科技和經(jīng)濟特色，聯(lián)系業(yè)界翹楚包括長江存儲有限公司、武漢敏芯半導體股份有限公司等，將企業(yè)的課題和部分芯片設計流程引入課堂，后續(xù)還將與這些企業(yè)建立實習實訓基地等。

（四）促進學生進行通識課程學習的方法探索

除了上述課程框架的設計以外，在學習方法上主要改進如下。

1.從機制層面形成更靈活的方式，例如將通識課程和競賽、部分實踐結(jié)合起來。對學生來說，只要認真準備和參與（例如認真準備和撰寫實驗報告、小論文等），就可以獲得相應課程的學分。使學生既可以選擇比較靈活的時間去修一門課程，也能夠獲得原來課程規(guī)定的內(nèi)容之外的知識，從機制上讓學生成為學習的主人，提高了學習積極性。

2.從教師角度注意引導學生，為將來進入職場或者深造提供需要知識體系。實際上，大多數(shù)學生對于未來職業(yè)和深造充滿憧憬，但是因為微電子信息的復雜性和綜合性，同學們對未來又很茫然。借助本門通識課程，將理工科的課程與社會的需求、將科學家的探索與創(chuàng)造過程結(jié)合起來，以滿足學生對未來社會的需求。

3.課程盡量采用小班討論的方式[3]，形成與理論課程互補的模式，讓學生在實際操作后形成問題，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

教學內(nèi)容和教學方法的探索是一個長期的過程。在本門通識課程的建設中，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院、電氣學院、動機學院、遙感學院等學院學生的關注，學生也愿意動手參與實踐過程，形成了有別于理論課程的學習趨勢。

另外，在本課程中引入的國產(chǎn)芯片的工具鏈訓練，同學們也驚奇地表明“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?！边@些反饋表明，提升學生對我國科技水平發(fā)展的信心，為學生以后走向社會、服務社會打下了堅實的自信基礎。從這里可以看出本課程建設的必要性和重要性。

五、結(jié)語

在當前通識課程風起云涌的環(huán)境下，建設“微電子與智能社會”這門課程，既從內(nèi)容上追求內(nèi)涵，也非常注重課程的“社會性”，將同學們的學習和實踐緊密地結(jié)合起來，將學校課程與社會結(jié)合起來，有效地提升了同學們的興趣、關注度、投入度和被接受程度。課程采取的“實踐性”內(nèi)容建設和“引導性”的方法探索，促進了學生自我學習的積極性，達到了提升教育質(zhì)量的目的。這些探索將為我們進一步建設好這門課程提供堅實的基礎。

致謝：感謝武漢大學物理科學與技術學院孫盡堯，武漢大學物理科學與技術學院王豪兩位老師對本文作者給予班級建設和學生管理方面的指導。本文工作得到武漢大學“武大通識3.0”課程、武漢大學教學改革項目“微電子科學與工程類教學改革探索”（2016023）、武漢大學2019年規(guī)劃教材建設項目—電子線路（201926）和寒武紀科技有限公司的支持，特別感謝。

參考文獻

[1]李楠，周建華，LiNan，等.中美大學通識教育課程建設比較與啟示[J].科技進步與對策，2011，28（14）：147-151.

[2]趙紅昆，楊恩翠.混合式教學應用于校通識課的探索與實踐—以“奇妙的化學世界”為例[J].化學教育（中英文），2018 （2）：13-17.

[3]馮清.在化學類通識教育課程中開展“課堂辯論”對大學生能力培養(yǎng)的探索與實踐[J].University Chemistry，2018，33（11）.

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