“微电子与智能社会”通识课程建设探索

　　[摘要]人类进入万物互联的智能化时代，微电子是具有战略资源和国际特征的基础行业，对涉及自主知识产权的科技进步、国民经济的发展，有着至关重要的作用，其科技水平和产业规模已成为衡量一个国家总体实力的重要指标。因此，培养微电子人才，发展集成电路产业可以加速我国国民经济结构性调整的步伐，提升我国科技和经济的竞争力。2015年武汉大学通过“本科教育改革大讨论”确立了本科教育的基本理念：人才是培养的根本，本科教育是根；以成“人”教育统领成才教育。2016年，“武大通识3.0”课程改革开始启动。作为武汉大学通识课程建设的一部分，“微电子与智能社会”课程于2018年底获批建设，其主要内容也与我国科技经济发展的战略需求相契合，因此，如何建设好这门课程，成为课程团队的重点任务之一。

　　[关键词]通识课程；课程建设；教学改革

　　[基金项目]2019年国家自然科学基金面上项目“可裁剪的心血管疾病检测智能方法研究”（81971702）；2011年国家自然科学基金项目“面向非规则计算算法的FPGA逻辑映射优化”（61072135）；2017年教育部中央高校基本科研业务费专项“基于脉冲神经网络的运动模式认知及其应用”（2042017gf0052）

　　[作者简介]江先阳（1974—），湖北大悟人，博士，武汉大学物理科学与技术学院副教授（通信作者），主要从事大规模集成电路设计研究；黄启俊（1965—），广西桂林人，博士，武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，主要从事微电子系统设计、人工智能、信号处理算法等研究。

　　[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期]2020-05-09

　　一、引言

　　人类已经进入万物互联的智能化、系统嵌入式小型化时代，其基础是集成微电子科技的电子元器件，因此微电子是具有战略资源和国际特征的基础行业，对涉及自主知识产权的科技进步、国民经济的发展，有着至关重要的作用，其科技水平和产业规模已成为衡量一个国家总体实力的重要指标。因此培养微电子人才，发展集成电路產业将加速我国国民经济结构性调整的步伐，提升我国科技和经济的竞争力。2015年，武汉大学通过“本科教育改革大讨论”确立了本科教育的基本理念：人才是培养的根本，本科教育是根；以成“人”教育统领成才教育。2016年，“武大通识3.0”开始启动，“微电子与智能社会”课程于2018年获批成为该体系中的一门重要课程，并纳入学校的创新创业课程。如何建设好通识课程，是世界范围内值得探索的课题[1，2]。目前，课程组已经在相关课程基础和团队成员多种教学中进行了多样探索，包括教学内容设计、依托专业竞赛教学模式、依托国产AI芯片系统的实训练习、通识教学方法的改进等，希望将这门课程建设成为“武大通识3.0”课程改革的亮点。

　　二、教学内容和素材的准备

　　课程建设团队包含5位长期专注于微电子教学的老师。在教学内容和素材的准备中，根据微电子学科领域的范畴，依据其知识体系的框架，结合各位老师的学术背景进行分工合作，课程建设的模块划分和课程内容结构如表1所示。

　　在内容和素材准备上，课程组不仅围绕通识课程的基本理念来建设，也考虑到微电子的特色和深度。因此，在内容上既讲究全面，也讲究深度，使学生能够在完整掌握微电子领域的基本规律和基础知识情况上，认识其在智能社会中的地位、影响和应用。课程讲授脱离只讲理论的窠臼，大量引入实践范例分析和思辨环节，与时俱进地将微电子领域的最新进展，包括物联网、智能手机、人工智能、自动驾驶、航空航天等纳入讲授和分析，开拓了学生的视野，提高了同学们的兴趣，丰富了学生的知识体系，有效地提升了学生理论结合实际的思维能力。

　　三、课程建设探索

　　（一）依托专业竞赛的探索

　　为了带动学生对课程学习的积极性，团队将本通识课程和目前的专业竞赛结合起来，让其中一部分有闯劲、基础扎实的学生可以脱颖而出，提前感受智能社会的魅力。当前，各个学科领域的竞赛层出不穷，其参与度非常火爆，全国性的竞赛参与度有的达到几千人，小的竞赛也有好几百人，各校也会组织一些有预赛，学生参与度很高。然而，从学生角度来看存在若干问题：（1）学生本来课业负担就很重，很多学科竞赛需要占用课外时间，还不能计入学分，所以参与积极性不高；（2）部分竞赛本科生和研究生不分，对本科生形成挤兑效应，打击了一些本科生的积极性；（3）部分参与的学生止步于预赛，投入的精力没有明显的回报，导致部分“现实”的学生不参与。从教师的角度看也存在若干问题，在研究型大学以科研为主导的情况下，老师们如果指导本科生参与竞赛需要投入很多精力，包括组织、指导和带队参加比赛，还要面向本科生做很多引导工作，而这些基本上是“义务劳动”，如果指导的学生不能够以积极的态度来准备比赛，或者竞赛成绩不理想，对于老师也会形成相当大的压力。更何况部分老师为了组织这样的竞赛，从相关部门拿到一定的资助用于学生参赛，由于目前指挥棒的存在，相关部门也会给拿到资助的教师相当大的压力。综合起来看，就形成了竞赛的需求和参与之间一定的差距。为了填补这一差距，课题组正好结合本门通识课程进行了一定的探索，希望通过这些探索形成多赢的局面，也就是学生乐学、教师愿意教、竞赛有成绩的局面。

　　结合本课程的建设，以今年华中赛区大学生集成电路创新创业竞赛为例，武汉大学争取到华中赛区的承办权。最后参赛和全国赛事的对比情况如表2所示，可以看到，从获奖比例来看，武汉大学的情况和参赛队伍和人数的数量是匹配的，与武汉大学微电子专业的地位基本对应。

　　（二）依托国产AI芯片的系统应用探索

　　为了探索本通识课程的内涵式发展，课题组和寒武纪科技公司合作，借助实践实训操作，在基于寒武纪的芯片上进行工具链的训练，讲授如何利用国产芯片以及相应的工具实现对图像的处理，例如进行经典画风转变处理。

　　作為本通识课程的探索之一，老师们在课程上讲授智能计算系统的发展、国产AI芯片的架构和优势、一个基于Athena520开发板的画风转换实例。参与学生有39人，课程涵盖了理论讲授，实验操作和实验报告论文。

　　（三）校企合作纳入课程

　　课程建设还注重理论和实践相结合，结合湖北省和武汉市的科技和经济特色，联系业界翘楚包括长江存储有限公司、武汉敏芯半导体股份有限公司等，将企业的课题和部分芯片设计流程引入课堂，后续还将与这些企业建立实习实训基地等。

　　（四）促进学生进行通识课程学习的方法探索

　　除了上述课程框架的设计以外，在学习方法上主要改进如下。

　　1.从机制层面形成更灵活的方式，例如将通识课程和竞赛、部分实践结合起来。对学生来说，只要认真准备和参与（例如认真准备和撰写实验报告、小论文等），就可以获得相应课程的学分。使学生既可以选择比较灵活的时间去修一门课程，也能够获得原来课程规定的内容之外的知识，从机制上让学生成为学习的主人，提高了学习积极性。

　　2.从教师角度注意引导学生，为将来进入职场或者深造提供需要知识体系。实际上，大多数学生对于未来职业和深造充满憧憬，但是因为微电子信息的复杂性和综合性，同学们对未来又很茫然。借助本门通识课程，将理工科的课程与社会的需求、将科学家的探索与创造过程结合起来，以满足学生对未来社会的需求。

　　3.课程尽量采用小班讨论的方式[3]，形成与理论课程互补的模式，让学生在实际操作后形成问题，然后再在小班讨论中集思广益，形成解决方案。

　　四、取得的效果

　　教学内容和教学方法的探索是一个长期的过程。在本门通识课程的建设中，通过前期的探索，我们能够感受到明显的变化是，本课程获得了电信学院、电气学院、动机学院、遥感学院等学院学生的关注，学生也愿意动手参与实践过程，形成了有别于理论课程的学习趋势。

　　另外，在本课程中引入的国产芯片的工具链训练，同学们也惊奇地表明“原来我们国家的芯片可以做得这么好了”，“真是神奇，算法可以变成芯片。”这些反馈表明，提升学生对我国科技水平发展的信心，为学生以后走向社会、服务社会打下了坚实的自信基础。从这里可以看出本课程建设的必要性和重要性。

　　五、结语

　　在当前通识课程风起云涌的环境下，建设“微电子与智能社会”这门课程，既从内容上追求内涵，也非常注重课程的“社会性”，将同学们的学习和实践紧密地结合起来，将学校课程与社会结合起来，有效地提升了同学们的兴趣、关注度、投入度和被接受程度。课程采取的“实践性”内容建设和“引导性”的方法探索，促进了学生自我学习的积极性，达到了提升教育质量的目的。这些探索将为我们进一步建设好这门课程提供坚实的基础。