新工科背景下師范院校智能芯片與系統方向產教融合人才培養模式的探索

黃繼鵬，梁士利，劉淑華，董永軍，趙曉寧

（1.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024；2.東北師范大學信息科學與技術學院，吉林 長春 130117）

0 引言

在新工科建設的背景下，2020年1月，教育部提出完善人工智能領域學科布局，加強智能芯片與系統方向建設，推動人工智能向更多學科滲透融合[1]。智能芯片與系統研究涉及了人工智能、材料科學、微電子、電子信息等一系列高科技領域的協作。智能芯片的出現提高了深層神經網絡的訓練迭代速度，加速了人工智能產業的發展。其中，類腦芯片架構是一款模擬人腦的新型芯片編程架構，被視為最有希望突破“馮·諾依曼瓶頸”的顛覆性技術。IBM從2008年開始模擬人類大腦的芯片研究項目，2014年推出首個內置100萬個模擬神經元的TrueNorth芯片。2020年東北師范大學劉益春教授課題組在Nature Communications發表了基于憶阻器利用三脈沖時序可塑性成功模擬了廣義BCM學習規則，進一步通過設計憶阻器雙層神經前饋網絡實現了具有頻率特性的時空學習功能[2]，同年，清華大學施路平等人在Nature發表成果，為類腦計算提出了新的系統層次結構[3]。

目前，全球類腦智能芯片的研究仍處于前期探索階段，其人才培養涉及多個交叉學科，沒有成功范式可以借鑒。中國集成電路產業人才白皮書顯示，2021年我國存在約26.1萬智能芯片與系統高端人才的缺口。因此，無論是基于保障國家安全出發，還是從支撐產業變革，促進國民經濟發展的角度考慮，超前布局未來戰略必爭領域—類腦的智能芯片與系統專業方向緊缺人才培養新模式都是十分必要的。

1 當前我校智能芯片與系統專業方向現狀

目前，我國師范院校多呈現以文理見長、基礎學科特色鮮明、傳統工科基礎薄弱的特點。很多學院下設1個基礎特色專業，多個協作專業；跨學院學科互補性較強，但交叉融合不足；校企共建、融合育人的機制不夠明確；諸多師范院校雖具備智能芯片與系統專業方向相關的光電信息、材料等基礎優勢特色學科，但新工科建設難以形成合力。以東北師范大學為例，我校同樣不具備傳統的工科優勢，但擁有材料科學與工程、化學和統計學3個理工類的國家“雙一流”建設學科，還有物理學、電子信息科學與技術、智能科學與技術等多個相關優勢專業。可依托紫外光發射材料與技術教育部重點實驗室建設智能芯片與系統方向，在憶阻器、有機微納器件研究等特色研究領域基礎之上，布局類腦智能芯片前沿科學人才培養，與知名企業優勢互補、聯合辦學，研究模擬人腦感知、記憶和刺激反饋、神經形態計算相關的課程體系改革，將智能芯片與系統方向相關科研成果轉化為教學，支撐拔尖創新人才培養，破解學科交叉滲透，產教融合的育人難題。

2 新工科背景下對智能芯片與系統專業方向人才能力和素質的需求

新工科是基于當前“卡脖子”國際競爭新形勢、國家未來戰略需求、立德樹人要求而提出的中國工程教育改革的重大戰略方向。“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”為新工科建設指明了路線圖。因此，智能芯片與系統專業方向人才培養必須緊密結合國家、行業和社會對人才的需求，強化人才的品德、知識、能力、素質協調發展，增加國際競爭實力。

新工科的內涵應在于提高學生創新能力、工程應用能力和適應變化能力，提高工程化人才的培養質量，提高國際競爭力[4]。國內新工科建設目標等都描述了未來工程技術人才的能力和素質要求，特別關注了新工科人才的工程實踐能力、學科交叉應用能力、創新創業實踐能力、自主學習能力和人文素養、社會擔當和責任意識[5-8]。智能芯片與系統專業方向是新工科方向，人才培養具有復合性、交叉性和創新性的特征，同樣應滿足上述總體要求。智能芯片與系統專業方向人才的核心能力需求應包括：深厚的數理基礎，扎實的材料科學與工程專業知識和理解能力、運用電子信息工程知識和技術解決現實工程問題的應變能力、團隊協作與溝通能力、領導能力、終身學習能力、創新創業能力和國際競爭能力。同時還要具備家國情懷、社會擔當、工程倫理道德、溝通與合作精神、健康體魄、獨立批判反思精神等。新工科背景下，對智能芯片與系統專業方向人才的核心能力和素質提出了相對傳統理工科專業更新更高的要求。

3 產教融合學科交叉人才培養面臨的問題

在保持師范特色的基礎上，師范院校整合校內學科資源，培養企業、社會需要的新工科拔尖創新人才是工科培育發展的新機遇。多年以來，限于理念、師資、實驗等條件限制，部分師范院校的產教融合育人工作還存在著不夠深入等諸多問題，人才的培養質量提升有限，學校與企業供需存在矛盾，在深入合作中沒有形成合力，未能及時融入新興產業發展以及傳統產業的改造升級。

學科交叉滲透融合不足。高?！按髮W—學院—學科帶頭人（PI）”的組織體系下，學院專注于學院內部的研究，學院之間通常存在割裂，限制了多學科的深度交流和融合，單獨基于某一個學科的知識體系不利于智能芯片與系統專業方向人才的培養。運用智能芯片與系統專業技術解決復雜工程問題，不僅需要較厚實的數理基礎、電子信息工程和材料科學與工程知識和技術，還離不開行業管理學、心理學、經濟學等學科技能。因此，智能芯片與系統專業與學校其他學科和產業的交叉與融合大勢所趨。

產教融合育人機制缺失，不能有效支撐智能芯片與系統專業方向人才培養目標的達成。產教融合目的在于合作共贏，解決企業問題，借助企業的力量培養專業人才。而實際操作過程中，多由高校獨自決定人才的全部培養計劃，企業成了配角，被動接受高校的實踐培養任務，雙方的分工不清晰，培養機制不健全。同時各方對于合作內容理解片面，將產教融合協同育人理解為學生提供更多的企業實踐見習機會、參觀交流、專業講座等形式，雙方的資源優勢沒有發揮出來。人才培育的周期長，收效慢，與企業注重短期的回報相矛盾，企業對求合作的動力不足，培養的學生未必會選擇在企業就業，企業參與的過程中沒有收益，嚴重影響了企業參與共同育人的積極性。

4 新工科背景下產教融合多方協同育人模式的改革舉措

“UGE”產教融合培養模式是高校（University）、政府（Government）和企業（Enterprise）三位一體共同推進，合力培養符合社會經濟發展需要的一流專業人才的必要模式。智能芯片與系統專業方向建設涉及諸多交叉學科，升級材料科學、電子信息等傳統工科，形成人才培養改革的實踐經驗，以新工科理念，發揮我校在類腦憶阻芯片研究上的科研優勢，與企業合作，借助企業平臺完成芯片的封裝測試等其他產業鏈條，形成政產學研用并舉，產教融合協同育人的格局。

4.1 深化UGE產教融合育人模式

創新人才培養模式應當構建UGE模式下的智能芯片與系統專業方向人才培養共同體，頂層設計，建立專門的校級領導小組，保障與合作企業聯合人才培養計劃的組織、實施監督。遴選一線的專家學者共同研討，制定培養目標、培養方案，共建實訓實習基地，合作培訓師資，逐步完善產教融合、校企合作的協同育人模式，真正培養有創新實踐能力和符合產業需求的智能芯片與系統方向人才。

借助政府在協同育人中的橋梁杠桿作用，明確企業的主體責任，加大投入力度，為學生的學習、實踐創造更好的環境，及時積極評價企業的育人成果，增加企業的獲得感，鼓勵高校利用自身的優勢，實現學科的交叉融合，與企業開展包括項目合作、技術管理、儀器共享等多方面的合作，拓寬人才培養的內涵和外延，與產業經濟的發展同步，實現互利共贏。

4.2 人才培養模式與課程體系改革

結合行業需求，持續改進課程體系，由企業一線專家、專業教師一同對行業進行系統分析，制定了符合行業可持續發展要求的課程標準，將企業的真實項目案例引入課堂教學中來，由企業一線專家帶領學生進行項目實訓，通過任務式、項目式的教學促進學生學習相關的技術知識內容。

以人才能力培養為中心，校級規劃，合理布局，充分發揮學科在專業建設中的作用，創建高水平教學團隊，構建“課程建設—人才培養—科學研究”三位一體的“教授負責制”，依托高水平科研成果，凝練了憶阻型電學存儲、光譜燒孔型全息存儲、拉曼光譜檢測等16個核心知識點，轉化為智能芯片與系統專業方向前沿實驗課程，促進了教學內容與科技前沿的有效對接，實現了“知識形態→問題形態→方法形態→教育形態”的有效轉換。堅持“四位一體”的人才實踐能力培養模式，“四位”是指針對學生實踐能力培養，構建了四個模塊，即：開放實驗模塊、實習見習模塊、學科競賽模塊和科研訓練模塊，在此基礎上，探索課程體系改革和能力培養。

課程體系建設擬打破傳統工科課程壁壘，大二下學期，從材料物理學、電子信息科學與技術等專業遴選學生成立智能芯片與系統實驗班，實現課程貫通，增加類腦計算、人工智能、集成電路等方向理論課程，同時增加四門綜合實驗課程即“物理綜合實驗”“電工電子實驗”“人工智能綜合實驗”和“集成電路系統實驗”，形成實驗課程新體系。“物理綜合實驗”以傳感器的應用題目為主，開設了計算機輔助物理實驗題目，將物理實驗與電類專業實驗有機結合，培養學生綜合運用各學科知識和實驗方法的能力。“電工電子實驗”是在學生學完電路原理課程，有了基本電路知識基礎上開設的，在實驗內容設置上，引入一些在課堂引入的前沿憶阻器件、電路和儀器，引導學生采取實驗的方法進行研究、探討。“人工智能綜合實驗”課程目標是使學生掌握綜合運用所學數學、物理、類腦認知計算等知識，培養復雜電路分析、邊緣計算、深度學習、異步神經網絡設計等技能。實驗題目一般來自國際大學生類腦計算大賽的作品，既提高了學生人工智能綜合實驗能力，也為學生參加競賽做了賽前準備?！凹呻娐废到y實驗”是培養學生融合專業所學全部知識進行集成電路系統的分析、設計與構建能力。所設計的系統要求具有功能完整性，實用性、先進性，要求學生具備測試和驗證能力。

4.3 產教融合舉措

在UGE模式下，政府搭建校企合作平臺，由學校與企業簽署校企共建合作協議（約定合作細節、保障師生知識產權、人身安全等權益），學院定期派出教師到企業參與實訓、企業項目的開發和科研轉化實驗教學工作。依托紫外光發射材料與技術教育部重點實驗室和材料科學與工程一流學科有機電子器件、憶阻器等前沿研究，改造升級電子信息科學與技術、材料物理學等傳統工科專業點，形成人才培養模式改革的實踐經驗，校企合作，優勢互補，發揮高?？蒲袃瀯荩谄髽I平臺實現規?；髌?，生產、銷售，依托合作企業實踐育人，政產學研用并舉，建立具有創新精神的智能芯片與系統人才培養基地。

在企業建立實踐基地的目的是培養符合行業需求的人才，提升人才的工程實踐能力。學生在企業聯合實踐基地頂崗實習，配備雙導師，項目任務由校內科研導師和企業工程導師指導。校內科研導師負責校內實踐階段，校內實訓空間的教學環節（如芯片設計、材料加工與制造）。企業工程導師負責指導學生在企業的集中實訓環節（如芯片封裝、測試等），共同就類腦智能芯片行業重點需求，凝練實踐項目，作為本科生的畢業設計，或研究生的學位論文研究內容。校企合作共建，發揮高校的科研優勢，解決企業關心的行業熱點難題；利用企業的材料、設備產業化工程優勢，培養智能芯片與系統方向拔尖創新人才，為企業輸送類腦AI高端人才創造先決條件。

5 結論

UGE產教融合模式對于探索智能芯片與系統方向的新工科人才培養模式具有重要意義，有助于保障國家安全和支撐傳統電子信息產業變革，協同加快培養人工智能、集成電路、微電子、智能制造等戰略必爭領域的人才培養,以新工科理念建立新的UGE關系，提質增效實現高校、政府、企業的多方共贏。