劉雷波：用英文教幾萬人設(shè)計集成電路
通訊員 曾繁塵
【教師簡介】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、美國麻省理工學(xué)院和英國牛津大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。2017年起任清華微電子所長聘正教授。長期從事可重構(gòu)計算芯片、硬件安全和密碼芯片、VLSI數(shù)字信號處理等研究工作。先后主持863計劃重點(diǎn)項目（首席專家）、“核高基”重大專項課題（負(fù)責(zé)人）、自然基金重點(diǎn)項目（負(fù)責(zé)人）、國際合作重大項目（負(fù)責(zé)人）等20余個項目。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利60余項、出版著作3部。曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、中國專利金獎、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎等重要獎勵。
【課程簡介】“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計”主要從晶體管級和電路級講授數(shù)字集成電路的分析與設(shè)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(shè)計、算術(shù)運(yùn)算邏輯功能部件、互連線模型和互連線寄生效應(yīng)，并介紹常用數(shù)字集成電路設(shè)計方法和流程，重點(diǎn)針對數(shù)字集成電路基本單元的各種電路類型，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)計優(yōu)化。本課程對應(yīng)的線下本科生必修課在2010年被評為清華大學(xué)精品課，并保持該稱號至今（清華本科生精品課比例小于5%）。
用英文教幾萬人設(shè)計集成電路
對于為什么要開設(shè)“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計”在線課程，劉雷波有三方面的想法：
首先，集成電路已經(jīng)成為影響國家綜合競爭力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志。當(dāng)前，我國正在通過多種渠道積極推動集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，集成電路設(shè)計作為集成電路產(chǎn)業(yè)三大核心領(lǐng)域之一，未來必將需要大量的設(shè)計人才。這門課是集成電路設(shè)計領(lǐng)域的本科生核心課程，是最重要的課程之一。“既然是這個領(lǐng)域里如此重要的一門課，我們有沒有可能擴(kuò)大它的受眾范圍，讓更多人能夠加入進(jìn)來？能不能讓更多人投入到這個行業(yè)里來，為國家集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做貢獻(xiàn)？這是我的第一個初衷。”
其次，這門課程選用英文經(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領(lǐng)先的學(xué)科方法、思想和技術(shù)，在線教育的授課方式能讓所有選課的人收獲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(yōu)質(zhì)的教育資源，了解學(xué)科最新的科研成果，慕課無疑是非常好的形式。
正是出于這三個目的，劉雷波開設(shè)了“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計”慕課，而這門課的效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他的預(yù)期。
集成電路在我國的學(xué)科體系中類似于一門三級學(xué)科，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科下的微電子學(xué)是二級學(xué)科，再往下細(xì)分才是集成電路，這是一門實實在在的小眾學(xué)科。然而，這門十分小眾、也十分專業(yè)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)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(wǎng)絡(luò)課程的影響力會有這么大，因為清華每年選這門課的學(xué)生很少，畢竟我們系體量比較小，學(xué)生不多。但到了社會上，居然有這么多人來聽這個課，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我的預(yù)期。而且有不少學(xué)生在網(wǎng)上問問題、回答問題。作為老師來說，能夠把知識傳遞給更多學(xué)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(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)。現(xiàn)在把課程搬到慕課上，聽眾可能是國內(nèi)其他高校學(xué)生，也可能是國外某些高校的學(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)生一樣要求線上學(xué)生。
針對選修慕課課程學(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)計上，將授課內(nèi)容分為電路基礎(chǔ)、分析以及設(shè)計三個層次內(nèi)容，讓不同背景的學(xué)習(xí)者都有所收獲。
同時，為使選修慕課的學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，劉雷波在授課過程中特意增加了背景知識講解、相關(guān)知識在實際電路設(shè)計中的應(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)的重要知識點(diǎn)，把相應(yīng)的作業(yè)設(shè)計成為便于通過網(wǎng)頁答題的形式，而不是傳統(tǒng)的列式子計算；同時，劉雷波設(shè)計了不同難度的作業(yè)，使選課的學(xué)生能通過作適合自己基礎(chǔ)的作業(yè)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件(HSPICE)的使用方法、基本測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)計并應(yīng)用到實際電路設(shè)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(lián)系實際的方式，把學(xué)術(shù)前沿知識傳授給學(xué)生。
由于課程中選用的電路設(shè)計案例與實際工程設(shè)計非常接近，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”不僅受到在校學(xué)生的歡迎，也受到集成電路設(shè)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(xué)本身的存在，可以讓更多的人獲得知識、共同成長，而在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)達(dá)的時代，老師的思想可以超出象牙塔的范圍，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(rèn)為，授課是一件會給人帶來很大樂趣和滿足感的事情：“學(xué)生從中獲得了知識，今后成為這個領(lǐng)域的中堅力量，這也是我們間接對這個行業(yè)作出的一份貢獻(xiàn)。”
在投身在線教育領(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，作為一名清華的老師，開設(shè)在線課程必須要有責(zé)任感。“如果你是清華老師，那么你在自己授課的領(lǐng)域中，勢能是比較高的。所以當(dāng)你開設(shè)一門慕課，聽眾可能會比較多，可能別人會認(rèn)為，清華老師開設(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(xué)生可能會問你學(xué)校同學(xué)不會問的問題，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)在對課程內(nèi)容的精益求精，還反映在慕課制作的每個細(xì)節(jié)之中。比如劉雷波最初對于“對著攝像機(jī)講英文”有一些不適應(yīng)，為達(dá)到滿意的效果，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)從這門課收益，后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(xué)的語言顧慮。雖然花費(fèi)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(dá)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(hù)課程，以滿足每學(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)計的更新：“開完課就不管是不行的，課程的維護(hù)是一個長期的過程，需要持續(xù)地投入和努力。”
在過去一年中，劉雷波對課程進(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。為了提升線上、線下課程質(zhì)量，他多次組織清華本科學(xué)生參與線上課程學(xué)習(xí)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(qū)等，對線上、線下課程進(jìn)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(guī)模集成電路數(shù)字信號處理”以慕課的形式推出，這門課可以被看作是“數(shù)字集成電路分析與設(shè)計”的進(jìn)階課程，將教會學(xué)生如何進(jìn)行數(shù)字信號處理，并將這一技術(shù)應(yīng)用于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算或大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)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(wǎng)11月22日電）
供稿：在線辦 編輯：寧寧 審核：襄楠
