劉雷波:用英文教幾萬人設計集成電路

劉雷波：用英文教幾萬人設計集成電路

通訊員 曾繁塵

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【教師簡介】劉雷波，清華大學教授、博士生導師。1999年和2004年分別在清華電子工程系和微電子學研究所獲得學士和博士學位。2004年留校任教，2006年、2013年和2017年分別在歐洲微電子中心、美國麻省理工學院和英國牛津大學進行學術訪問。2017年起任清華微電子所長聘正教授。長期從事可重構計算晶片、硬體安全和密碼晶片、VLSI數位訊號處理等研究工作。先後主持863計劃重點項目（首席專家）、「核高基」重大專項課題（負責人）、自然基金重點項目（負責人）、國際合作重大項目（負責人）等20餘個項目。發表高水平學術論文200餘篇，授權發明專利60餘項、出版著作3部。曾獲國家技術發明二等獎、中國專利金獎、教育部技術發明一等獎等重要獎勵。

【課程簡介】「數字集成電路分析與設計」主要從電晶體級和電路級講授數字集成電路的分析與設計。以CMOS集成電路為主，從回顧基本的集成電路器件開始，講述CMOS反相器、組合邏輯電路、時序邏輯電路分析設計、算術運算邏輯功能部件、互連線模型和互連線寄生效應，並介紹常用數字集成電路設計方法和流程，重點針對數字集成電路基本單元的各種電路類型，從電路結構原理及其面積、速度、功耗等方面進行分析和設計優化。本課程對應的線下本科生必修課在2010年被評為清華大學精品課，並保持該稱號至今（清華本科生精品課比例小於5%）。

用英文教幾萬人設計集成電路

對於為什麼要開設「數字集成電路分析與設計」在線課程，劉雷波有三方面的想法：

首先，集成電路已經成為影響國家綜合競爭力的戰略性產業，其技術水平和產業規模已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標誌。當前，我國正在通過多種渠道積極推動集成電路產業的發展，集成電路設計作為集成電路產業三大核心領域之一，未來必將需要大量的設計人才。這門課是集成電路設計領域的本科生核心課程，是最重要的課程之一。「既然是這個領域裡如此重要的一門課，我們有沒有可能擴大它的受眾範圍，讓更多人能夠加入進來？能不能讓更多人投入到這個行業裡來，為國家集成電路產業的發展做貢獻？這是我的第一個初衷。」

其次，這門課程選用英文經典教材，授課內容和課程安排與全球頂級高校接軌，採用全英文的授課方式，讓學生能夠直接接觸到相對領先的學科方法、思想和技術，在線教育的授課方式能讓所有選課的人收穫和國外同步的知識與思想。

再有，這門課在2010年就被清華評為精品課，劉雷波希望讓更多人能夠享受到清華優質的教育資源，了解學科最新的科研成果，慕課無疑是非常好的形式。

正是出於這三個目的，劉雷波開設了「數字集成電路分析與設計」慕課，而這門課的效果，遠遠超出他的預期。

集成電路在我國的學科體系中類似於一門三級學科，電子科學與技術學科下的微電子學是二級學科，再往下細分才是集成電路，這是一門實實在在的小眾學科。然而，這門十分小眾、也十分專業的課程，卻吸引了幾萬人在線選課。

「我在招收研究生或招工程師來清華進行產業化工作時，時而碰到有人就說在線選修過我這門課，而且通過了。以前我沒想到這種網絡課程的影響力會有這麼大，因為清華每年選這門課的學生很少，畢竟我們系體量比較小，學生不多。但到了社會上，居然有這麼多人來聽這個課，遠遠超出了我的預期。而且有不少學生在網上問問題、回答問題。作為老師來說，能夠把知識傳遞給更多學生，我覺得是一件很好的事情。」劉雷波笑著說。

在線英文授課的新變化

要把一門面向清華本科學生的課程變為慕課，劉雷波付出了許多努力。特別是在課程內容和作業的設置方面。

「清華的本科學生基礎比較好，接受能力也比較強。現在把課程搬到慕課上，聽眾可能是國內其他高校學生，也可能是國外某些高校的學生，或者是某些公司或企業的相關從業人員。大家的背景都不一樣，水平參差不齊。」在這種情況下，劉雷波不可能像要求清華的本科學生一樣要求線上學生。

針對選修慕課課程學生基礎差異大、學習目的不同的情況，劉雷波在課程設計上，將授課內容分為電路基礎、分析以及設計三個層次內容，讓不同背景的學習者都有所收穫。

同時，為使選修慕課的學生更好地理解課程內容，劉雷波在授課過程中特意增加了背景知識講解、相關知識在實際電路設計中的應用等內容。

在作業設置方面，劉雷波認真梳理課程每一章、每一節的重要知識點，把相應的作業設計成為便於通過網頁答題的形式，而不是傳統的列式子計算；同時，劉雷波設計了不同難度的作業，使選課的學生能通過作適合自己基礎的作業鞏固知識。

此外，作為一門注重實踐的課程，劉雷波專門安排課時講解軟體(HSPICE)的使用方法、基本測試電路的搭建方法等，從而讓學生能夠「用」這些方法去完成課程設計並應用到實際電路設計工作中。此外，他還將前沿科研成果作為案例穿插在課程中，以理論聯繫實際的方式，把學術前沿知識傳授給學生。

由於課程中選用的電路設計案例與實際工程設計非常接近，能夠幫助學習者在研究和工作中輕鬆上手，因此「數字集成電路分析與設計」不僅受到在校學生的歡迎，也受到集成電路設計工程師的青睞。

「在線教育也許是未來的趨勢」

在劉雷波看來，在線教育的未來充滿無限可能：「大學本身的存在，可以讓更多的人獲得知識、共同成長，而在網際網路發達的時代，老師的思想可以超出象牙塔的範圍，比如在線授課，我們可以通過這種便捷的通訊方式，把個人的知識和信息和別人分享，我覺得這是一個特別好的交流方式。」在線教育讓劉雷波更加堅定地認為，授課是一件會給人帶來很大樂趣和滿足感的事情：「學生從中獲得了知識，今後成為這個領域的中堅力量，這也是我們間接對這個行業作出的一份貢獻。」

在投身在線教育領域的幾年中，劉雷波也有了許多自己的感悟。

在劉雷波看來，作為一名清華的老師，開設在線課程必須要有責任感。「如果你是清華老師，那麼你在自己授課的領域中，勢能是比較高的。所以當你開設一門慕課，聽眾可能會比較多，可能別人會認為，清華老師開設的課程就應該質量很高。在這種情況下，一定要注意認真備課、字斟句酌地考慮所講的內容、使用的素材，因為它們可能會影響一批人。包括跟人溝通的方式也不一樣了，慕課的學生可能會問你學校同學不會問的問題，你要進行解答，這些都是要認真準備的。」

而這份責任心，除了體現在對課程內容的精益求精，還反映在慕課製作的每個細節之中。比如劉雷波最初對於「對著攝像機講英文」有一些不適應，為達到滿意的效果，每次正式錄製前都要和助教一起排練，調整講課的方式；為了讓更多同學從這門課收益，後期又花了大量的時間為課程配了中文字幕，打消了很多同學的語言顧慮。雖然花費了大量的額外時間，但在劉雷波看來：「如果不做好這些事情，這門課就不能達到最好效果，反而會讓人覺得課程水平不高，課程可能就不會被人接受。所以這方面需要做大量的工作。」

為了更好地維護課程，以滿足每學期新選課學生的需求，劉雷波一直保持著課程內容和設計的更新：「開完課就不管是不行的，課程的維護是一個長期的過程，需要持續地投入和努力。」

在過去一年中，劉雷波對課程進行了諸多完善，包括習題更新、課件更新、考試題目更新等。為了提升線上、線下課程質量，他多次組織清華本科學生參與線上課程學習和線下面對面答疑及討論活動，同時，還建立了課程微信群、討論區等，對線上、線下課程進行充分的交流。

未來，劉雷波還考慮將自己的研究生課程「超大規模集成電路數位訊號處理」以慕課的形式推出，這門課可以被看作是「數字集成電路分析與設計」的進階課程，將教會學生如何進行數位訊號處理，並將這一技術應用於人工智慧、物聯網、雲計算或大數據分析等領域。

相信未來還會有更多人，會從這些在線課程中受益。

（清華新聞網11月22日電）

供稿：在線辦 編輯：寧寧 審核：襄楠