0 引 言
长期以来，传统芯片技术一直被美国等西方发达国家垄断，我国集成电路核心技术在自主创新和产业发展上严重受制于人。近年来，随着云计算、物联网、人工智能等技术的迅猛发展和相关应用市场的快速增长，人工智能芯片已成为下一代芯片技术的研究热点。在这一全新赛道上，世界各国处于同一起跑线，这无疑为我国在芯片领域实现“弯道超车”，解决影响我国经济社会发展和国家安全的“卡脖子”问题，提供了一个绝佳的突破口。
振兴集成电路产业、摆脱“芯”困境，需要更多的专业型人才进入该领域。《中国集成电路产业人才白皮书（2019—2020年版）》预测，2022年全行业人才需求将达到74.45万，人才缺口将近25万。与世界发达国家相比，我国的集成电路人才总量不足，尤其是高端设计人才和创新人才严重匮乏。高等学校作为人才培养的主力军，应大力加强集成电路相关学科的建设与人才培养。为此，《教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见》提出：“创新集成电路相关专业人才培养机制，提高人才培养质量，提升我国集成电路产业持续发展能力”[1]。
2009年，教育部联合中组部、财政部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”（简称“珠峰计划”），旨在建立拔尖人才重点培养机制，吸引最优秀的学生投身基础科学研究，形成拔尖创新人才培养的良好氛围，努力使受“珠峰计划”支持的学生成长为相关基础学科领域的领军人才，并逐步跻身国际一流科学家队伍[2]。“珠峰计划”为芯片设计拔尖人才培养提供了契机和有利条件。培养芯片产业需要“厚基础、强创新、重情怀”的高素质人才，传统的人才培养模式不能达到既定的效果[3]，依托拔尖人才培养基地，探索一套理论与实践相结合、教学与科研相结合的芯片设计拔尖人才培养模式，是一个意义重大、影响深远的课题。
1 三级能力培养研究性教学模式
《教育部等六部门关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》明确提出：“开展研究性教学，鼓励学生参与科研项目训练，促进学生自主深度学习、建构知识体系、形成多维能力”[4]。研究性教学模式是在教学过程中使学生掌握扎实的理论和专业知识，同时注意将科研方法融入其中，为学生未来进行科学研究打好基础，其核心目标是培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的科研能力和科学精神[5]。
面向芯片设计拔尖人才培养的，以计算机硬件理论课和实验课为基础，教学与科研实践相结合的三级能力培养研究性教学模式如图1所示。第一级为基于“计算机硬件系统设计原理”理论课程培养学生计算机硬件系统的分析与设计能力；第二级为基于“CPU设计实验”实践课程培养学生芯片设计与开发能力；第三级为结合教师科研项目和“大学生创新创业训练计划”等科研实践活动，培养学生芯片设计的创新意识和研究能力。通过以问题和项目为基础的研究性教学改革，为学生创造在教师指导下自主进行研究性学习的环境和条件，实现从分析能力→ 设计能力→研究能力的逐级提升，培养学生芯片设计的创新意识和科研能力。
芯片产业关系到我国的经济发展和国家安全，因此，在培养芯片设计拔尖人才过程中应以“德育为先、能力为重”[6]。在构建以计算机硬件课程为基础、科教融合的研究性教学模式过程中，坚持立德树人，将课程思政融入拔尖人才培养的全过程，做到“教书育人、实践育人、科研育人”[7]。在理论课教学过程中，通过讲授计算机硬件技术的发展历程和计算机科学家的故事，引导学生树立积极进取、勇于探索的科学精神；在实践课教学过程中，鼓励学生勇于克服学习中遇到的困难，培养学生坚忍不拔、勇于创新的科研精神；在参与科研实践过程中，让学生了解华为、寒武纪等自主研发芯片技术以及我们目前面临的困境，激发学生的民族自豪感和使命感。通过对学生科学精神、工匠精神、创新意识、家国情怀等思想道德品质的培养，使他们在不久的将来能够成为芯片设计领域的领军人才，为我国芯片行业追赶世界先进水平作出贡献。
2 基于理论课程的硬件系统分析与设计能力培养
扎实的理论和专业知识是科研能力的基石。计算机硬件理论课程是芯片设计拔尖人才培养的基础，一方面要帮助学生建立一个完整而系统的计算机硬件知识体系，同时要引导学生以解决科研问题的方式去自主学习，通过调整课程目标、梳理教学内容、改革教学方式和考核方式，使学生初步建立科学研究的思维方式。
首先，从计算机硬件系统设计的角度出发，沿着单机指令串行执行→重叠→流水线、线性流水线→非线性流水线、指令的有序执行→乱序执行、单机→多核→多机系统、冯•诺依曼体系→非冯•诺依曼体系的脉络，整合计算机组成原理、计算机系统结构、微型计算机技术及应用等传统计算机硬件课程的教学内容，科学、定量地揭示计算机硬件的本质特征，并运用到计算机系统设计问题中。2013年开始我校计算机专业“唐敖庆理科实验班”（以下简称“唐班”）开设了计算机硬件系统设计原理课程，经过两年多的教学实践，于2016年出版了教材《计算机硬件系统设计原理》[8]。
在本课程授课过程中，改变传统以讲授、知识灌输为主的教学方式，代之以问题为导向的教学方式，引导学生进行自主深度学习。将计算机硬件课程内容转化为运算器设计、存储器设计、控制器设计、输入输出系统设计等计算机硬件系统设计问题，让学生在解决这些问题的过程中，通过不断实践、反思、再实践，达到自主学习、提升能力、解决问题的目的。与此同时，建立完善的网络课程，包含课件、视频、习题库等丰富的教学资源，在课堂教学之余学生可以通过网络课程进行自主学习；此外，构建基于课程知识图谱的学习资源推荐系统，可以为学生在自主学习时推荐更科学合理的学习路径。
作为学科基础课，传统计算机硬件课程介绍的往往都是比较经典的理论和方法。在本课程的教学过程中，在原有教学内容基础上引入一些前沿技术的介绍，不但可以激发学生的学习热情，而且可以引导学生就某些问题进行深入思考和研究，从而养成一种科学研究的思维方式。例如，在学习“流水线设计”时引入对华为“鲲鹏920”流水线的介绍，使学生了解相关领域的最新研究进展；在学习“高速缓存”“虚拟存储”“流水线”等内容时，让学生选择感兴趣的题目查阅相关文献，并在课堂上进行主题报告，从而加深对所学知识的理解。
课程考核以考查学生分析问题、解决问题的能力为主，加大过程性评价在课程考核中所占的比例。平时成绩主要由课后大作业和课堂报告构成。其中，课堂报告从选题是否具有研究意义和前沿性，对问题的分析是否透彻深入，能否提出新观点或新见解，报告内容在组织逻辑上是否严谨，报告时的表述是否清晰准确等方面进行评价。表1列出 2017级计算机专业“唐班”24名学生的课程报告题目和每项评价指标的得分情况。在试卷形式的期末考核中，以考核学生硬件系统分析与设计能力的综合性试题为主。
3 基于实验课程的芯片设计和开发能力培养
通过理论课程的学习，学生初步具备了计算机硬件系统的分析和设计能力。在此基础上，通过学习和借鉴北航等高校的教学思路和教学方法，并结合我校实际情况，于2016年开始在计算机专业“唐班”开设“CPU设计实验”。该课程设置了从单周期到多周期、从非流水到流水、从CPU设计到微系统设计，难度呈阶梯状上升的6个实验项目（见表2）。与传统的“计算机组成原理实验”相比，“CPU设计实验”的难度很大，即便对于“唐班”学生也极具挑战性，需要学生投入大量的时间和精力去钻研和实践。在近6年的教学过程中发现，大部分学生能够完成Project4之前的实验项目，取得“良好”的成绩；少部分学生能够完成所有实验项目，获得“优秀”的成绩。
“CPU设计实验”有助于培养学生的芯片设计和开发能力。通过设计一个支持几十条MIPS指令具备基本功能的CPU，学生将理论课上所学的知识与实践相结合，能够加深对整机概念的认识，进一步弄清计算机的内部结构和时空关系，学会指令功能的电路实现方法和技巧，从而提高自行设计、调试分析的独立工作能力；通过设计一个以简化指令CPU为核心、配上相应接口部件的SoC（片上系统），加深学生对计算机系统的全面认识，进一步弄清计算机的内外结构和时空关系，培养和训练以系统的观点来设计、实现和优化一个小型的计算机系统，提高硬件和软件协同设计与创新能力。
未来，计划增加“自主AI加速器设计”实验。通过设计AI加速器，让学生亲自动手将卷积神经网路的硬件架构实现，并在FPGA平台上进行验证，进一步提升自主研发能力。
4 基于科研实践的芯片创新意识和研究能力培养
通过计算机硬件课程和CPU设计实验课程的学习，学生具备了计算机硬件系统的分析能力和初步的芯片设计能力，同时可以熟练使用Verilog语言和Vivado等开发工具。在此基础上，依托“唐班”的导师制，鼓励有志于芯片设计研究工作的学生“早进课题、早进实验室、早进团队”，通过参与导师的科研项目和“大学生创新创业训练计划”项目等科研实践，进一步培养和提升芯片设计的创新意识和科研能力。
在开始科研实践之前，学生要进一步学习相关的理论、方法和技术。可以引导对处理器芯片设计感兴趣的学生自学各种主流的处理器架构，并对一些有代表性的高性能处理器，例如华为的鲲鹏处理器等，进行深入分析。在此基础上，学生可以基于开源的处理器架构，例如RISC-V指令集架构，尝试应用已掌握的设计方法和工具自行设计处理器。有志于智能芯片设计的学生，要了解人工智能的基本概念和基本理论，熟悉人工神经网络的结构，学会使用深度学习编程框架和开源计算平台完成神经网络的设计与实现。在此过程中，中国科学院计算技术研究所的“智能计算系统”课程提供了有益的参考[9]。
接下来，可以让学生参与到导师的科研项目中，在实践中加深对所学知识的理解和应用。例如，通过自动驾驶等需要机器视觉技术的科研项目，学生可以进一步掌握神经网络的架构设计和实现方法以及相关语言和软件平台的使用；通过诸如水下机器人等需要嵌入式技术的科研项目，可以让学生尝试设计AI加速器，将轻量级神经网络固化到硬件芯片中。学生还可以在开展“大学生创新创业训练计划”项目时选择适合本科生的题目，在教师指导下开展芯片设计方面的研究。在科研实践过程中，要注意引导学生学会查阅文献，初步掌握科学研究的方法，养成自主学习的习惯和创新的思维方式。
近年来，先后有30余名计算机专业“唐班”学生参与到智能芯片设计相关的科研项目中，完成“大学生创新创业训练计划”项目10余项，其中一些项目获得国家级优秀结题称号，多名学生作为第一作者在国内外期刊和会议上发表论文。
5 结 语
在理论课教学中，从硬件系统设计的视角整合了多门传统计算机硬件课程的教学内容，帮助学生建立一个完整而系统的计算机硬件知识体系；通过问题驱动的教学方式，引导学生从解决科研问题的角度去自主学习，使学生初步建立科学研究的思维方式；在实践教学过程中，合理提高课程的难度和深度，通过具有挑战性的课题实践培养学生科学研究的钻研精神；选择适合拔尖本科生的科研课题和科研指导方法，将教学和科研深度融合，以研促教，进一步培养和提升学生科学研究的创新意识和研究能力。我校是首批入选“珠峰计划”的高校之一，依托“吉林大学拔尖学生培养基地”对上述研究性教学模式进行了近10年的探索和实践，取得了显著成果，培养出一批投身于芯片设计领域的拔尖人才。此外，本文提出的研究性教学模式还可为其他专业的应用型拔尖人才培养以及相关课程建设与改革提供借鉴和参考。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部. 教育部等七部门关于加强集成电路人才培养的意见[EB/OL]. (2016-05-06)[2022-05-06]. http: //www.moe. gov. cn/srcsite/A08/s7056/201606/t20160607_248468.html.
[2] 刘粤湘, 胡轩魁, 吴艳, 等. 创新人才培养模式实施拔尖学生培养: “基础学科拔尖学生培养计划”的实施与探索[J]. 中国地质教育, 2011, 20(2): 14-21.
[3] 胡玥, 吕清花, 李劲, 等. 集成电路学科建设与人才培养模式的国际化战略分析[J]. 集成电路应用, 2021, 38(9): 23-25.
[4] 中华人民共和国教育部. 教育部等六部门关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见[EB/OL]. (2018-10-08)[2022-10-08]. http: //www.moe. gov. cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351895.html.
[5] 邱宏, 徐美, 于明鹏, 等. 依托科研实例课程开展科教融合创新人才培养[J]. 高等理科教育, 2020(6): 28-33.
[6] 郑麟, 周腾, 蔡玲如, 等. 计算机硬件基础课程的思政元素挖掘与融入研究[J]. 计算机教育, 2021(8): 61-65.
[7] 雷娜, 曾琅, 张德明. “三全育人”理念下人才培养模式探索与实践: 以北京航空航天大学集成电路科学与工程学院为例[J]. 工业和信息化教育, 2021(12): 30-34.
[8] 刘子良, 徐高潮, 齐红, 等. 计算机硬件系统设计原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016.
[9] 陈云霁, 李玲, 李威, 等. 智能计算系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2020.
基金项目：国家自然科学基金项目（U20A20285，62072211）；吉林省高等教育教学改革研究重点项目（2021）。
作者简介：齐红，女，吉林大学教授，研究方向为智能芯片设计，qihong@jlu.edu.cn；姜宇（通信作者），男，吉林大学副教授，研究方向为环境智能感知与芯片设计，jiangyu2011@jlu.edu.cn。
引文格式：齐 红，王康平，曲冠南，等. 面向芯片设计拔尖人才培养的研究性教学模式探索[J].计算机教育,2023(3)：85-89.
转自：“计算机教育”微信公众号
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