AI 赋能集成电路教育数字化发展白皮书(1.0 版).pdf
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1、 AI 赋能集成电路教育数字化发展赋能集成电路教育数字化发展 白皮书(白皮书(1.0 版)版)北京邮电大学北京邮电大学 二二四年七月二二四年七月 前前 言言 教育、科技、人才是中国式现代化的基础性、战略性支撑。当前,人工智能(AI)将重塑教育范式已成为共识,教育领域正站在变革的十字路口,面临前所未有的挑战和机遇。集成电路是信息技术产业的核心,是汇聚卓越人才的高地,集成电路产业与数字教育、智慧教育的深度融合以及对数智化技术的深刻运用,成为推动产业升级和社会进步的重要趋势。AI 赋能集成电路教育数字化发展白皮书包括以数字化开辟集成电路教育发展新赛道、以智能化破解集成电路人才培养新挑战、以集成化赋能
2、集成电路智慧教育新范式、以国际化形成集成电路融合开放新格局四部分内容,分析了智能时代集成电路教育变革面临的新问题与新挑战,探讨了 AI 赋能集成电路教育数字化发展的作用与路径。本白皮书由北京邮电大学集成电路学院联合教务处、研究生院、国家卓越工程师学院、叶培大创新创业学院、人工智能学院共同撰写。衷心感谢中国信息通信研究院、中国移动研究院、中国联通研究院、中国电信研究院、清华大学、北京大学、北京航空航天大学、北京理工大学等单位给予撰写工作的支持和帮助。诚挚邀请行业人士关注本白皮书,共同探索集成电路教育数字化转型与智能化演进方向,促进 AI 融入集成电路教育教学和人才培养过程,携手推动我国集成电路产
3、业的高质量发展。I 目目 录录 一、以数字化开辟集成电路教育发展新赛道.1(一)建设教育强国,推进教育数字化是重要突破口.1(二)拥抱智能时代,探索教育数字化“聚智强芯之举”.3 1、人才需求和课程体系高度匹配.4 2、教育平台的高度数字化和智能化.5 3、先进的“工程贯穿式”培养理念.5(三)加快数字变革,引领集成电路教育高质量发展.6 1、加快数字化变革的必要性.6 2、加快数字化变革的创新要素.7 二、以智能化破解集成电路人才培养新挑战.11(一)集成电路人才培养“四个特点”.12 1、集成电路人才缺口明显,人才结构失衡.13 2、集成电路人才培养体系不完整.14 3、集成电路人才培养难
4、度大,瓶颈突出.15 4、集成电路产业发展迅速,技术迭代更新快.16(二)集成电路人才培养“三个聚焦”.17 1、聚焦集成电路全生态链人才供给.17 2、聚焦集成电路卡脖子技术等急需刚需.18 3、聚焦产教融合人才培养机制创新.18(三)集成电路人才培养“三个下功夫”.18 1、在“筑牢培养根基”上下功夫.18 2、在“构建培养格局”上下功夫.19 3、在“完善培养模式”上下功夫.20(四)集成电路人才培养“四个举措”.20 1、智能教育推进人才培养新模式.20 2、加强师资队伍数智化教学水平建设.22 3、完善集成电路人才数智化培养机制.23 4、落实产教融合新思路.23 三、以集成化赋能集
5、成电路智慧教育新范式.28(一)AI 赋能的集成化创新平台建设策略.30 1、适合用于集成电路人才培养的人工智能大模型特性.30 II 2、AI 赋能平台与生态的建设.31 3、AI 赋能新平台下的学生创新模式.37(二)理论知识的集成化重构.37 1、基于知识切片进行重构.38 2、利用虚实结合手段深化重构.40 3、开发线上微课和微实验助力重构.42 4、开展项目实践夯实重构效果.43 5、实现产学研相融合的绿色便捷通道.45(三)实验体系的数智化集成.46 1、实验内容和方法的革新.47 2、教学资源的数智化集成.48 3、教学过程的智能化集成.49 4、数字孪生技术助力数智化集成.50
6、 5、评价体系的系统集成与完善.52(四)教学实施模式创新:“教-学-用”集成.53 1、集成电路教学内容的集成化.54 2、集成电路授课过程的集成化.55 3、集成电路师生互动的集成化.56 四、以国际化形成集成电路融合开放新格局.57(一)技术创新国际化.58 1、集成电路产业技术创新国际化的背景.58 2、集成电路产业技术创新国际化的现状.59 3、集成电路产业技术创新国际化的影响.59 4、集成电路产业技术创新国际化面临的挑战.60(二)产业链协同国际化.61 1、集成电路产业链协同国际化的重要性.61 2、集成电路产业链协同国际化的现状.62 3、集成电路产业链协同国际化的发展趋势.
7、62 4、集成电路产业链协同国际化面临的挑战.63(三)市场拓展国际化.64 1、集成电路产业市场拓展国际化的重要意义.64 2、集成电路产业市场拓展国际化面临的挑战.65 3、集成电路产业市场拓展国际化的发展趋势.67(四)人才交流国际化.69 1、集成电路产业人才交流国际化的重要意义.69 III 2、集成电路产业人才交流国际化的现状.70 3、集成电路产业人才交流国际化面临的挑战.71(五)政策支持国际化.72 1、集成电路产业政策支持国际化的重要性.72 2、集成电路产业国际经验借鉴.73 3、集成电路产业国内政策举措.74 4、集成电路产业政策支持国际化面临的挑战.75 五、未来展望
8、.76(一)教育技术与人才培养深度融合.76(二)虚拟技术促进教育优质资源普惠共享.77(三)智能技术赋能个性化教育新范式.79(四)人工智能指引教育内容新方向.80 1 一、以数字化开辟集成电路教育发展新赛道一、以数字化开辟集成电路教育发展新赛道(一)建设教育强国,推进教育数字化是重要突破口(一)建设教育强国,推进教育数字化是重要突破口 信息革命时代潮流加速向经济社会各领域广泛渗透,在全球网络与智能技术深入演进的大背景下,推进教育数字化成为普遍共识。各国纷纷将数字化作为创新教育、提升综合国力的重要途径,积极谋划教育数字化转型战略方案。如欧盟数字教育行动计划(2021-2027)、德国数字教育
9、倡议,法国“教育数字领地”项目等,不断推动数字教育资源完善、教育设施改进、师生素养提升、教育理念升级。党的二十届三中全会提出,教育、科技、人才是中国式现代化的基础性、战略性支撑。必须深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略。要深化教育综合改革,深化科技体制改革,深化人才发展体制机制改革。教育数字化是办好人民满意的教育的应有之义,是抢占科技竞争和未来发展制高点的关键之举,是建设教育强国实现中国式现代化的重要先手棋。2022 年全国教育工作会议上明确提出实施国家教育数字化战略行动,2023 年全国教育工作会议上进一步提出要纵深推进教育数字化战略行动。2024 年全国教育工作会议上提出要
10、强化高等教育龙头作用。不断开辟教育数字化新赛道。坚持应用为王走集成化道路,以智能化赋能教育治理,拓展国际化新空间,引领教育变革创新。2 2024 年世界数字教育大会上教育部部长怀进鹏强调,我国教育数字化战略行动要从“联结为先、内容为本、合作为要”的“3C”走向“集成化、智能化、国际化”的“3I”,并突出应用服务导向,扩大优质资源共享,推动教育变革创新。将中国数字教育打造为落实全球发展倡议、全球安全倡议、全球文明倡议的实践平台,为世界数字教育发展提供了有效选择,为教育数字化全局性变革指明了发展方向。教育数字化不仅是教育领域的一场技术革命,更是实现教育公平、提高教育质量和推动教育创新的战略途径。数
11、字化能力可打破时间和空间的限制及地域和经济条件的制约,让人人都获得优质教育资源。数字化手段使教学过程更加生动和互动,有助于激发学习兴趣和主动性。数字化技术可以实现个性化教学,制定专属学习方案,提升学习效果。数字化应用还为教育管理和评估提供科学的数据支持,促进教育决策的科学化和精准化。顺应信息技术的发展,我国不断深化教育变革创新,将教育数字化视为开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口。近年来,我国教育数字化发展水平稳步提升,建设成效显著,开始进入高质量发展阶段,但面临从局部转型到全面转型乃至全局变革的新问题和新挑战。需要牢牢把握历史机遇,打造以学习者为中心,更加公平、更加包容、更加开
12、放、更高质量、更有韧性的教育新生态,实现教育数字化跨越式发展,支撑引领教育强国和中国式现代化建设。3(二)拥抱智能时代,探索教育数字化“聚智强芯之举”(二)拥抱智能时代,探索教育数字化“聚智强芯之举”集成电路是国家战略重点领域之一,夯实人才培养的“四梁八柱”对产业发展具有重要意义。国家集成电路产业发展推进纲要明确提出加强集成电路领域的人才培养与引进,鼓励高校和科研机构设置相关专业和课程。“十四五”规划也特别指出要加大集成电路等关键领域的人才储备和培养力度。新型基础设施建设更是为集成电路人才培养提供了坚实的物质基础和广阔的发展空间。我国正加速培养一批高素质、创新型的集成电路专业人才,以满足产业升
13、级和科技创新的紧迫需求。探索教育数字化“聚智强芯之举”,是抓住智能时代 AI 红利发展高质量集成电路教育体系的关键所在。芯片技术迭代快、创新需求高、跨学科融合深,集成电路教育“产教脱节”“知识老化”“实践断层”等问题层出不穷。AI 带来全新机遇的同时,也引入了更大挑战。如何运用人工智能、大数据、云网络等新一代信息技术,先“聚智”再“强芯”,打造理论实践有机结合、教育教学资源丰富的集成电路教育体系,具有现实意义。探索教育数字化“聚智强芯之举”,还是加快培养集成电路卓越拔尖创新人才的必然趋势。由于知识的传播方式和人际交往方式发生了变化,针对传统教育模式的不足,集成电路数字教育突出在人才培养过程中发
14、挥数据这一新质生产要素的核心作用,强化智能技术运用在全面提升人才培养质量上的关键地位,成为实现学习革命、质量革命和高质量发展的战略选择。4 如图 1 所示,与传统集成电路教育模式相比,教育数字化的“聚智强芯之举”具有以下特点:图 1 教育数字化“聚智强芯之举”1、人才需求和课程体系高度匹配、人才需求和课程体系高度匹配 深入调研集成电路行业和教育需求,与产业内企业合作,分析当前技术发展趋势和行业对人才的具体需求。同时,评估高校在集成电路领域的教学现状和学生技能水平,确定教育改革的方向。通过这一步骤,明确当前集成电路人才培养的困境和痛点,确立数智化创新教育模式的目标和路线方案。精心设计课程体系和工
15、程实践环节,弥合学生当前学情和产业人才需求的巨大鸿沟,深入评估集成电路人才实践能力培养的有效性和教育质量,持续优化课程内容、教学方法和实践项目,确保人才需求与课程体系高度匹配,不断提高人才培养的质量和效率。5 2、教育平台的高度数字化和智能化、教育平台的高度数字化和智能化 通过建立数字化教学资源平台,提供丰富的在线课程、电子教材、视频讲解、互动课件和虚拟实验。这种教学资源的数字化,打破时空界限,不仅使得学习内容更为灵活,还能确保教学内容及时更新,与最新技术同步。同时,平台利用大数据和人工智能技术,分析学生的学习数据,提供个性化的学习路径和建议。通过对学生学习进度、理解能力和兴趣点的分析,智能系
16、统能够自动调整教学内容和难度,实现因材施教,提高学习效果。此外,虚拟仿真实验室通过虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术,构建逼真的虚拟实验环境。学生可以在虚拟实验室中进行各种实验操作,反复练习,积累实践经验,提升动手能力和工程素养。这种虚拟实验不仅安全高效,还能弥补现实实验中设备和资源的不足。智能化教学管理系统也是该平台的重要组成部分。该系统可以自动安排课程、跟踪学生学习进度、评估学习效果,并提供实时反馈。与传统模式相比,数智化教育模式大大提高了教学管理的效率,优化了资源配置,使教学过程更加高效和有序。3、先进的“工程贯穿式”培养理念、先进的“工程贯穿式”培养理念 集成电路人才注重实践能力和
17、工程经验的培养,这是目前高校教育最欠缺的。为解决这一问题,数智化教育模式引入“工程贯穿式”培养理念,以真实的产业工程项目为牵引,将原本分散的课程知识点串联成完整的课程体系,通过理论学习和项目实践提升教学质量。搭建全方位的校企合作框架和协同人才培养模式,6 聘请企业专家担任课业导师,依托产业实际工程项目,建设产教融合工程师技术中心,推动校企资源双向流动,联合开展课程教学、实训实践、创新创业等多维度校企合作,充分整合、贯通集成电路创新实践育人资源,实现芯片设计、流片、封装和测试全产业链培养闭环,解决学生无流片经验这一“老大难”问题,打造高质量集成电路人才培养生态系统。(三)加快数字变革,引领集成电
18、路教育高质量发展(三)加快数字变革,引领集成电路教育高质量发展 中国共产党第二十次全国代表大会首次明确提出,推进教育数字化,建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国。我们将深化实施教育数字化战略行动,一体推进资源数字化、管理智能化、成长个性化、学习社会化,让优质资源可复制、可传播、可分享,让大规模个性化教育成为可能,以教育数字化带动学习型社会、学习型大国建设迈出新步伐。1、加快数字化变革的必要性、加快数字化变革的必要性 集成电路作为现代科技的核心,其发展对于各行业和经济的影响日益显著。通过数字化教育,可以更有效地培养和培训专业人才,适应快速变化的技术需求,增强实践能力,推动技术创新和产业发展。
19、其一,数字化教育平台可以提供更丰富和互动性更强的学习体验,包括虚拟实验室、在线仿真等方式,帮助学生更好地理解和应用集成电路的复杂概念和实际操作技能,从而提高教育质量和学习成效。7 其二,数字技术能够打破传统教学固定时间和地点限制,为教学场景在时空上实现极大拓展,使得优质教育资源可以更广泛地传播和共享。有助于解决不同地域教育资源不均衡的问题,让更多学生平等获取到高质量的教育内容和学习机会。其三,集成电路的设计和应用涉及多学科的综合知识和技能,包括电子工程、计算机、材料科学等。数字化教育可以通过跨学科的教学模式和项目合作,培养学生的综合能力和创新思维,提升其在技术领域的竞争力。随着智能化技术的发展
20、,芯片的重要性愈发凸显,集成电路在各个行业的应用越来越广泛。加快数字化教育的变革可以更快速地响应产业对技术人才的需求,使教育内容和质量更贴近实际产业需求,提升毕业生的就业竞争力。2、加快数字化变革的创新要素、加快数字化变革的创新要素 高校数字化改革和创新的新要素主要涵盖以下 6 个方面:图 2 数智化改革创新要素 8(1)数智化理念与管理 在高校中推广和实施数据驱动、智能化和技术创新的理念与实践,可以促进教育教学质量的提升和管理效率的改善。教育数智化是人类信息技术与教育教学深度融合的必然结果,对教育体系和教育者的理念、素养、能力、方式带来了变革,促使人们的思维认识、教育规划、教学方式、工作实践
21、、教育文化等加速向数智化演进和深化,以数智化的认知和方式来解决教育教学问题。未来高等教育教学的数智化理念、环境、文化、导向等将成为高等教育现代化高质量发展的重要引领。高等教育数智化要坚持“以学生为中心”的育人理念,以数智化技术推动高等教育治理体系和治理能力现代化。高校数智化政策涉及学校业务管理数智化、教学投入与活动、教师与学生等方面。高校数智化管理涉及智慧校园建设、教学过程支持与教学管理、人财物管理等方面。通过数智化技术对教育体系进行全面赋能,推进教育教学全方位全过程改革与教育管理业务流程再造,提升教育体系发展活力与学校治理服务能力,是高等教育数智化管理的基本目标。利用大数据和数据分析技术,从
22、学生信息、教学数据、科研成果等多方面收集数据,并通过分析这些数据来优化学校管理和决策过程。(2)智能化教学与学习环境 利用先进的信息技术和人工智能技术来改善和优化教学过程以及学习环境,可以提升教育教学效果和学生学习体验。智能 9 化教学系统可以根据学生的学习习惯、兴趣、学习历史和能力水平,提供个性化的学习路径和内容推荐,能够帮助学生更高效地学习,填补知识漏洞,强化已掌握的知识点。能够实时监测学生在学习过程中的表现,并及时提供反馈。智能化系统能够自动收集、整理和分析学生的学习数据和表现。这些数据可以用于评估学生的学习成果和教学效果,为教师和学校提供定量和定性的教学评估依据。基于学生的学习历史和兴
23、趣偏好,智能化系统可以推荐适合的学习资源,包括电子书籍、视频课程、在线练习等,帮助学生更有效地获取和消化知识。智能化教学环境可以改善教学管理流程,如课程安排、作业分发和批改、学生进度跟踪等。这些系统可以提高教师的工作效率,使其更多时间专注于教学内容的提升和个性化指导。(3)虚拟现实和增强现实技术 在高校教育中,VR 和 AR 技术可以用于实验室模拟、实地考察、实践创新等方面,丰富学习体验并提升教学效果。例如,通过 VR 技术模拟实验室操作,让学生在安全环境下进行实验。教师可以利用智能化工具设计和调整课程内容和教学方法。例如,智能教学系统可以分析学生的学习表现,为教师提供关于学生学习进展和需要帮
24、助的信息,帮助教师更好地调整教学策略。利用VR、AR、视频会议等技术,实现更生动、更互动的教学体验。学生可以通过虚拟实验室进行实验操作,或者通过远程视频会议参与跨地域的互动学习活动。10(4)在线教育和远程学习 在线教育和远程学习是利用互联网以及通信技术,通过电子设备进行教学和学习活动的方式,在全球范围内的教育可及性和灵活性方面发挥了重要作用。突破时空地域限制,学生可以根据自己的时间和地点选择课程,随时随地获得优质教育资源,例如来自世界各地名校的在线课程、专业领域的教育内容等。从学生的学习进度和兴趣出发推荐个性化的学习内容和课程,提供定制化的学习路径和学习支持。支持丰富的互动功能,包括各类实时
25、讨论、在线小组项目等活动,促进学生之间的合作和交流。学习方式不仅限于视频课程,还包括模拟实验、虚拟实境学习、在线测验等多种形式,丰富了学习体验。(5)科研管理和创新孵化 高校科研管理和创新孵化是现代大学不可或缺的重要组成部分。科研管理旨在推动科技成果的产出、转化和应用以及促进创新和创业精神的培养。涉及到对学术研究活动的规划、组织、协调和监督,其目的是提高科研成果的质量和影响力,加强科研资源的有效利用,推动学术研究的进展和成果的转化。创新孵化可以将学术研究成果转化为实际应用和商业化产品,支持学生和教职员工的创新创业活动,在培养创新人才、促进科研成果转化和推动经济发展方面发挥着重要作用。通过科研管
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