新工科背景下师范院校智能芯片与系统方向产教融合人才培养模式的探索

2022-03-16黄继鹏梁士利刘淑华董永军赵晓宁

科教导刊·电子版 2022年16期

黄继鹏，梁士利，刘淑华，董永军，赵晓宁

（1.东北师范大学物理学院，吉林长春 130024；2.东北师范大学信息科学与技术学院，吉林长春 130117）

0 引言

在新工科建设的背景下，2020年1月，教育部提出完善人工智能领域学科布局，加强智能芯片与系统方向建设，推动人工智能向更多学科渗透融合[1]。智能芯片与系统研究涉及了人工智能、材料科学、微电子、电子信息等一系列高科技领域的协作。智能芯片的出现提高了深层神经网络的训练迭代速度，加速了人工智能产业的发展。其中，类脑芯片架构是一款模拟人脑的新型芯片编程架构，被视为最有希望突破“冯·诺依曼瓶颈”的颠覆性技术。IBM从2008年开始模拟人类大脑的芯片研究项目，2014年推出首个内置100万个模拟神经元的TrueNorth芯片。2020年东北师范大学刘益春教授课题组在Nature Communications发表了基于忆阻器利用三脉冲时序可塑性成功模拟了广义BCM学习规则，进一步通过设计忆阻器双层神经前馈网络实现了具有频率特性的时空学习功能[2]，同年，清华大学施路平等人在Nature发表成果，为类脑计算提出了新的系统层次结构[3]。

目前，全球类脑智能芯片的研究仍处于前期探索阶段，其人才培养涉及多个交叉学科，没有成功范式可以借鉴。中国集成电路产业人才白皮书显示，2021年我国存在约26.1万智能芯片与系统高端人才的缺口。因此，无论是基于保障国家安全出发，还是从支撑产业变革，促进国民经济发展的角度考虑，超前布局未来战略必争领域—类脑的智能芯片与系统专业方向紧缺人才培养新模式都是十分必要的。

1 当前我校智能芯片与系统专业方向现状

目前，我国师范院校多呈现以文理见长、基础学科特色鲜明、传统工科基础薄弱的特点。很多学院下设1个基础特色专业，多个协作专业；跨学院学科互补性较强，但交叉融合不足；校企共建、融合育人的机制不够明确；诸多师范院校虽具备智能芯片与系统专业方向相关的光电信息、材料等基础优势特色学科，但新工科建设难以形成合力。以东北师范大学为例，我校同样不具备传统的工科优势，但拥有材料科学与工程、化学和统计学3个理工类的国家“双一流”建设学科，还有物理学、电子信息科学与技术、智能科学与技术等多个相关优势专业。可依托紫外光发射材料与技术教育部重点实验室建设智能芯片与系统方向，在忆阻器、有机微纳器件研究等特色研究领域基础之上，布局类脑智能芯片前沿科学人才培养，与知名企业优势互补、联合办学，研究模拟人脑感知、记忆和刺激反馈、神经形态计算相关的课程体系改革，将智能芯片与系统方向相关科研成果转化为教学，支撑拔尖创新人才培养，破解学科交叉渗透，产教融合的育人难题。

2 新工科背景下对智能芯片与系统专业方向人才能力和素质的需求

新工科是基于当前“卡脖子”国际竞争新形势、国家未来战略需求、立德树人要求而提出的中国工程教育改革的重大战略方向。“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”为新工科建设指明了路线图。因此，智能芯片与系统专业方向人才培养必须紧密结合国家、行业和社会对人才的需求，强化人才的品德、知识、能力、素质协调发展，增加国际竞争实力。

新工科的内涵应在于提高学生创新能力、工程应用能力和适应变化能力，提高工程化人才的培养质量，提高国际竞争力[4]。国内新工科建设目标等都描述了未来工程技术人才的能力和素质要求，特别关注了新工科人才的工程实践能力、学科交叉应用能力、创新创业实践能力、自主学习能力和人文素养、社会担当和责任意识[5-8]。智能芯片与系统专业方向是新工科方向，人才培养具有复合性、交叉性和创新性的特征，同样应满足上述总体要求。智能芯片与系统专业方向人才的核心能力需求应包括：深厚的数理基础，扎实的材料科学与工程专业知识和理解能力、运用电子信息工程知识和技术解决现实工程问题的应变能力、团队协作与沟通能力、领导能力、终身学习能力、创新创业能力和国际竞争能力。同时还要具备家国情怀、社会担当、工程伦理道德、沟通与合作精神、健康体魄、独立批判反思精神等。新工科背景下，对智能芯片与系统专业方向人才的核心能力和素质提出了相对传统理工科专业更新更高的要求。

3 产教融合学科交叉人才培养面临的问题

在保持师范特色的基础上，师范院校整合校内学科资源，培养企业、社会需要的新工科拔尖创新人才是工科培育发展的新机遇。多年以来，限于理念、师资、实验等条件限制，部分师范院校的产教融合育人工作还存在着不够深入等诸多问题，人才的培养质量提升有限，学校与企业供需存在矛盾，在深入合作中没有形成合力，未能及时融入新兴产业发展以及传统产业的改造升级。

学科交叉渗透融合不足。高校“大学—学院—学科带头人（PI）”的组织体系下，学院专注于学院内部的研究，学院之间通常存在割裂，限制了多学科的深度交流和融合，单独基于某一个学科的知识体系不利于智能芯片与系统专业方向人才的培养。运用智能芯片与系统专业技术解决复杂工程问题，不仅需要较厚实的数理基础、电子信息工程和材料科学与工程知识和技术，还离不开行业管理学、心理学、经济学等学科技能。因此，智能芯片与系统专业与学校其他学科和产业的交叉与融合大势所趋。

产教融合育人机制缺失，不能有效支撑智能芯片与系统专业方向人才培养目标的达成。产教融合目的在于合作共赢，解决企业问题，借助企业的力量培养专业人才。而实际操作过程中，多由高校独自决定人才的全部培养计划，企业成了配角，被动接受高校的实践培养任务，双方的分工不清晰，培养机制不健全。同时各方对于合作内容理解片面，将产教融合协同育人理解为学生提供更多的企业实践见习机会、参观交流、专业讲座等形式，双方的资源优势没有发挥出来。人才培育的周期长，收效慢，与企业注重短期的回报相矛盾，企业对求合作的动力不足，培养的学生未必会选择在企业就业，企业参与的过程中没有收益，严重影响了企业参与共同育人的积极性。

4 新工科背景下产教融合多方协同育人模式的改革举措

“UGE”产教融合培养模式是高校（University）、政府（Government）和企业（Enterprise）三位一体共同推进，合力培养符合社会经济发展需要的一流专业人才的必要模式。智能芯片与系统专业方向建设涉及诸多交叉学科，升级材料科学、电子信息等传统工科，形成人才培养改革的实践经验，以新工科理念，发挥我校在类脑忆阻芯片研究上的科研优势，与企业合作，借助企业平台完成芯片的封装测试等其他产业链条，形成政产学研用并举，产教融合协同育人的格局。

4.1 深化UGE产教融合育人模式

创新人才培养模式应当构建UGE模式下的智能芯片与系统专业方向人才培养共同体，顶层设计，建立专门的校级领导小组，保障与合作企业联合人才培养计划的组织、实施监督。遴选一线的专家学者共同研讨，制定培养目标、培养方案，共建实训实习基地，合作培训师资，逐步完善产教融合、校企合作的协同育人模式，真正培养有创新实践能力和符合产业需求的智能芯片与系统方向人才。

借助政府在协同育人中的桥梁杠杆作用，明确企业的主体责任，加大投入力度，为学生的学习、实践创造更好的环境，及时积极评价企业的育人成果，增加企业的获得感，鼓励高校利用自身的优势，实现学科的交叉融合，与企业开展包括项目合作、技术管理、仪器共享等多方面的合作，拓宽人才培养的内涵和外延，与产业经济的发展同步，实现互利共赢。

4.2 人才培养模式与课程体系改革

结合行业需求，持续改进课程体系，由企业一线专家、专业教师一同对行业进行系统分析，制定了符合行业可持续发展要求的课程标准，将企业的真实项目案例引入课堂教学中来，由企业一线专家带领学生进行项目实训，通过任务式、项目式的教学促进学生学习相关的技术知识内容。

以人才能力培养为中心，校级规划，合理布局，充分发挥学科在专业建设中的作用，创建高水平教学团队，构建“课程建设—人才培养—科学研究”三位一体的“教授负责制”，依托高水平科研成果，凝练了忆阻型电学存储、光谱烧孔型全息存储、拉曼光谱检测等16个核心知识点，转化为智能芯片与系统专业方向前沿实验课程，促进了教学内容与科技前沿的有效对接，实现了“知识形态→问题形态→方法形态→教育形态”的有效转换。坚持“四位一体”的人才实践能力培养模式，“四位”是指针对学生实践能力培养，构建了四个模块，即：开放实验模块、实习见习模块、学科竞赛模块和科研训练模块，在此基础上，探索课程体系改革和能力培养。

课程体系建设拟打破传统工科课程壁垒，大二下学期，从材料物理学、电子信息科学与技术等专业遴选学生成立智能芯片与系统实验班，实现课程贯通，增加类脑计算、人工智能、集成电路等方向理论课程，同时增加四门综合实验课程即“物理综合实验”“电工电子实验”“人工智能综合实验”和“集成电路系统实验”，形成实验课程新体系。“物理综合实验”以传感器的应用题目为主，开设了计算机辅助物理实验题目，将物理实验与电类专业实验有机结合，培养学生综合运用各学科知识和实验方法的能力。“电工电子实验”是在学生学完电路原理课程，有了基本电路知识基础上开设的，在实验内容设置上，引入一些在课堂引入的前沿忆阻器件、电路和仪器，引导学生采取实验的方法进行研究、探讨。“人工智能综合实验”课程目标是使学生掌握综合运用所学数学、物理、类脑认知计算等知识，培养复杂电路分析、边缘计算、深度学习、异步神经网络设计等技能。实验题目一般来自国际大学生类脑计算大赛的作品，既提高了学生人工智能综合实验能力，也为学生参加竞赛做了赛前准备。“集成电路系统实验”是培养学生融合专业所学全部知识进行集成电路系统的分析、设计与构建能力。所设计的系统要求具有功能完整性，实用性、先进性，要求学生具备测试和验证能力。

4.3 产教融合举措

在UGE模式下，政府搭建校企合作平台，由学校与企业签署校企共建合作协议（约定合作细节、保障师生知识产权、人身安全等权益），学院定期派出教师到企业参与实训、企业项目的开发和科研转化实验教学工作。依托紫外光发射材料与技术教育部重点实验室和材料科学与工程一流学科有机电子器件、忆阻器等前沿研究，改造升级电子信息科学与技术、材料物理学等传统工科专业点，形成人才培养模式改革的实践经验，校企合作，优势互补，发挥高校科研优势，在企业平台实现规模化流片，生产、销售，依托合作企业实践育人，政产学研用并举，建立具有创新精神的智能芯片与系统人才培养基地。

在企业建立实践基地的目的是培养符合行业需求的人才，提升人才的工程实践能力。学生在企业联合实践基地顶岗实习，配备双导师，项目任务由校内科研导师和企业工程导师指导。校内科研导师负责校内实践阶段，校内实训空间的教学环节（如芯片设计、材料加工与制造）。企业工程导师负责指导学生在企业的集中实训环节（如芯片封装、测试等），共同就类脑智能芯片行业重点需求，凝练实践项目，作为本科生的毕业设计，或研究生的学位论文研究内容。校企合作共建，发挥高校的科研优势，解决企业关心的行业热点难题；利用企业的材料、设备产业化工程优势，培养智能芯片与系统方向拔尖创新人才，为企业输送类脑AI高端人才创造先决条件。