劉雷波：用英文教幾萬(wàn)人設(shè)計(jì)集成電路

通訊員 曾繁塵

【教師簡(jiǎn)介】劉雷波，清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1999年和2004年分別在清華電子工程系和微電子學(xué)研究所獲得學(xué)士和博士學(xué)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(guó)麻省理工學(xué)院和英國(guó)牛津大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)訪(fǎng)問(wèn)。2017年起任清華微電子所長(zhǎng)聘正教授。長(zhǎng)期從事可重構(gòu)計(jì)算芯片、硬件安全和密碼芯片、VLSI數(shù)字信號(hào)處理等研究工作。先后主持863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（首席專(zhuān)家）、“核高基”重大專(zhuān)項(xiàng)課題（負(fù)責(zé)人）、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（負(fù)責(zé)人）、國(guó)際合作重大項(xiàng)目（負(fù)責(zé)人）等20余個(gè)項(xiàng)目。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利60余項(xiàng)、出版著作3部。曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)等重要獎(jiǎng)勵(lì)。

【課程簡(jiǎn)介】“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)”主要從晶體管級(jí)和電路級(jí)講授數(shù)字集成電路的分析與設(shè)計(jì)。以CMOS集成電路為主，從回顧基本的集成電路器件開(kāi)始，講述CMOS反相器、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路分析設(shè)計(jì)、算術(shù)運(yùn)算邏輯功能部件、互連線(xiàn)模型和互連線(xiàn)寄生效應(yīng)，并介紹常用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)方法和流程，重點(diǎn)針對(duì)數(shù)字集成電路基本單元的各種電路類(lèi)型，從電路結(jié)構(gòu)原理及其面積、速度、功耗等方面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。本課程對(duì)應(yīng)的線(xiàn)下本科生必修課在2010年被評(píng)為清華大學(xué)精品課，并保持該稱(chēng)號(hào)至今（清華本科生精品課比例小于5%）。

用英文教幾萬(wàn)人設(shè)計(jì)集成電路

對(duì)于為什么要開(kāi)設(shè)“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)”在線(xiàn)課程，劉雷波有三方面的想法：

首先，集成電路已經(jīng)成為影響國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。當(dāng)前，我國(guó)正在通過(guò)多種渠道積極推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)作為集成電路產(chǎn)業(yè)三大核心領(lǐng)域之一，未來(lái)必將需要大量的設(shè)計(jì)人才。這門(mén)課是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的本科生核心課程，是最重要的課程之一。“既然是這個(gè)領(lǐng)域里如此重要的一門(mén)課，我們有沒(méi)有可能擴(kuò)大它的受眾范圍，讓更多人能夠加入進(jìn)來(lái)？能不能讓更多人投入到這個(gè)行業(yè)里來(lái)，為國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做貢獻(xiàn)？這是我的第一個(gè)初衷。”

其次，這門(mén)課程選用英文經(jīng)典教材，授課內(nèi)容和課程安排與全球頂級(jí)高校接軌，采用全英文的授課方式，讓學(xué)生能夠直接接觸到相對(duì)領(lǐng)先的學(xué)科方法、思想和技術(shù)，在線(xiàn)教育的授課方式能讓所有選課的人收獲和國(guó)外同步的知識(shí)與思想。

再有，這門(mén)課在2010年就被清華評(píng)為精品課，劉雷波希望讓更多人能夠享受到清華優(yōu)質(zhì)的教育資源，了解學(xué)科最新的科研成果，慕課無(wú)疑是非常好的形式。

正是出于這三個(gè)目的，劉雷波開(kāi)設(shè)了“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)”慕課，而這門(mén)課的效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他的預(yù)期。

集成電路在我國(guó)的學(xué)科體系中類(lèi)似于一門(mén)三級(jí)學(xué)科，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科下的微電子學(xué)是二級(jí)學(xué)科，再往下細(xì)分才是集成電路，這是一門(mén)實(shí)實(shí)在在的小眾學(xué)科。然而，這門(mén)十分小眾、也十分專(zhuān)業(yè)的課程，卻吸引了幾萬(wàn)人在線(xiàn)選課。

“我在招收研究生或招工程師來(lái)清華進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化工作時(shí)，時(shí)而碰到有人就說(shuō)在線(xiàn)選修過(guò)我這門(mén)課，而且通過(guò)了。以前我沒(méi)想到這種網(wǎng)絡(luò)課程的影響力會(huì)有這么大，因?yàn)榍迦A每年選這門(mén)課的學(xué)生很少，畢竟我們系體量比較小，學(xué)生不多。但到了社會(huì)上，居然有這么多人來(lái)聽(tīng)這個(gè)課，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我的預(yù)期。而且有不少學(xué)生在網(wǎng)上問(wèn)問(wèn)題、回答問(wèn)題。作為老師來(lái)說(shuō)，能夠把知識(shí)傳遞給更多學(xué)生，我覺(jué)得是一件很好的事情。”劉雷波笑著說(shuō)。

在線(xiàn)英文授課的新變化

要把一門(mén)面向清華本科學(xué)生的課程變?yōu)槟秸n，劉雷波付出了許多努力。特別是在課程內(nèi)容和作業(yè)的設(shè)置方面。

“清華的本科學(xué)生基礎(chǔ)比較好，接受能力也比較強(qiáng)?，F(xiàn)在把課程搬到慕課上，聽(tīng)眾可能是國(guó)內(nèi)其他高校學(xué)生，也可能是國(guó)外某些高校的學(xué)生，或者是某些公司或企業(yè)的相關(guān)從業(yè)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(xué)生一樣要求線(xiàn)上學(xué)生。

針對(duì)選修慕課課程學(xué)生基礎(chǔ)差異大、學(xué)習(xí)目的不同的情況，劉雷波在課程設(shè)計(jì)上，將授課內(nèi)容分為電路基礎(chǔ)、分析以及設(shè)計(jì)三個(gè)層次內(nèi)容，讓不同背景的學(xué)習(xí)者都有所收獲。

同時(shí)，為使選修慕課的學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，劉雷波在授課過(guò)程中特意增加了背景知識(shí)講解、相關(guān)知識(shí)在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等內(nèi)容。

在作業(yè)設(shè)置方面，劉雷波認(rèn)真梳理課程每一章、每一節(jié)的重要知識(shí)點(diǎn)，把相應(yīng)的作業(yè)設(shè)計(jì)成為便于通過(guò)網(wǎng)頁(yè)答題的形式，而不是傳統(tǒng)的列式子計(jì)算；同時(shí)，劉雷波設(shè)計(jì)了不同難度的作業(yè)，使選課的學(xué)生能通過(guò)作適合自己基礎(chǔ)的作業(yè)鞏固知識(shí)。

此外，作為一門(mén)注重實(shí)踐的課程，劉雷波專(zhuān)門(mén)安排課時(shí)講解軟件(HSPICE)的使用方法、基本測(cè)試電路的搭建方法等，從而讓學(xué)生能夠“用”這些方法去完成課程設(shè)計(jì)并應(yīng)用到實(shí)際電路設(shè)計(jì)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(lián)系實(shí)際的方式，把學(xué)術(shù)前沿知識(shí)傳授給學(xué)生。

由于課程中選用的電路設(shè)計(jì)案例與實(shí)際工程設(shè)計(jì)非常接近，能夠幫助學(xué)習(xí)者在研究和工作中輕松上手，因此“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)”不僅受到在校學(xué)生的歡迎，也受到集成電路設(shè)計(jì)工程師的青睞。

“在線(xiàn)教育也許是未來(lái)的趨勢(shì)”

在劉雷波看來(lái)，在線(xiàn)教育的未來(lái)充滿(mǎn)無(wú)限可能：“大學(xué)本身的存在，可以讓更多的人獲得知識(shí)、共同成長(zhǎng)，而在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)達(dá)的時(shí)代，老師的思想可以超出象牙塔的范圍，比如在線(xiàn)授課，我們可以通過(guò)這種便捷的通訊方式，把個(gè)人的知識(shí)和信息和別人分享，我覺(jué)得這是一個(gè)特別好的交流方式。”在線(xiàn)教育讓劉雷波更加堅(jiān)定地認(rèn)為，授課是一件會(huì)給人帶來(lái)很大樂(lè)趣和滿(mǎn)足感的事情：“學(xué)生從中獲得了知識(shí)，今后成為這個(gè)領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，這也是我們間接對(duì)這個(gè)行業(yè)作出的一份貢獻(xiàn)。”

在投身在線(xiàn)教育領(lǐng)域的幾年中，劉雷波也有了許多自己的感悟。

在劉雷波看來(lái)，作為一名清華的老師，開(kāi)設(shè)在線(xiàn)課程必須要有責(zé)任感。“如果你是清華老師，那么你在自己授課的領(lǐng)域中，勢(shì)能是比較高的。所以當(dāng)你開(kāi)設(shè)一門(mén)慕課，聽(tīng)眾可能會(huì)比較多，可能別人會(huì)認(rèn)為，清華老師開(kāi)設(shè)的課程就應(yīng)該質(zhì)量很高。在這種情況下，一定要注意認(rèn)真?zhèn)湔n、字斟句酌地考慮所講的內(nèi)容、使用的素材，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)影響一批人。包括跟人溝通的方式也不一樣了，慕課的學(xué)生可能會(huì)問(wèn)你學(xué)校同學(xué)不會(huì)問(wèn)的問(wèn)題，你要進(jìn)行解答，這些都是要認(rèn)真準(zhǔn)備的。”

而這份責(zé)任心，除了體現(xiàn)在對(duì)課程內(nèi)容的精益求精，還反映在慕課制作的每個(gè)細(xì)節(jié)之中。比如劉雷波最初對(duì)于“對(duì)著攝像機(jī)講英文”有一些不適應(yīng)，為達(dá)到滿(mǎn)意的效果，每次正式錄制前都要和助教一起排練，調(diào)整講課的方式；為了讓更多同學(xué)從這門(mén)課收益，后期又花了大量的時(shí)間為課程配了中文字幕，打消了很多同學(xué)的語(yǔ)言顧慮。雖然花費(fèi)了大量的額外時(shí)間，但在劉雷波看來(lái)：“如果不做好這些事情，這門(mén)課就不能達(dá)到最好效果，反而會(huì)讓人覺(jué)得課程水平不高，課程可能就不會(huì)被人接受。所以這方面需要做大量的工作。”

為了更好地維護(hù)課程，以滿(mǎn)足每學(xué)期新選課學(xué)生的需求，劉雷波一直保持著課程內(nèi)容和設(shè)計(jì)的更新：“開(kāi)完課就不管是不行的，課程的維護(hù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要持續(xù)地投入和努力。”

在過(guò)去一年中，劉雷波對(duì)課程進(jìn)行了諸多完善，包括習(xí)題更新、課件更新、考試題目更新等。為了提升線(xiàn)上、線(xiàn)下課程質(zhì)量，他多次組織清華本科學(xué)生參與線(xiàn)上課程學(xué)習(xí)和線(xiàn)下面對(duì)面答疑及討論活動(dòng)，同時(shí)，還建立了課程微信群、討論區(qū)等，對(duì)線(xiàn)上、線(xiàn)下課程進(jìn)行充分的交流。

未來(lái)，劉雷波還考慮將自己的研究生課程“超大規(guī)模集成電路數(shù)字信號(hào)處理”以慕課的形式推出，這門(mén)課可以被看作是“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)”的進(jìn)階課程，將教會(huì)學(xué)生如何進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，并將這一技術(shù)應(yīng)用于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算或大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。

相信未來(lái)還會(huì)有更多人，會(huì)從這些在線(xiàn)課程中受益。

（清華新聞網(wǎng)11月22日電）

供稿：在線(xiàn)辦 編輯：寧寧 審核：襄楠