“卓越计划”背景下的计算机硬件实践教学体系

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摘 要：针对当前计算机硬件类人才短缺及高校计算机硬件实验教学相对较弱的现状,基于“卓越计划”,以培养具有实践主动性、分析与解决问题能力、创新能力、团队组织与协调能力的工程应用型人才为目标,从计算机硬件类课程群内涵整体化与系统化思路出发,构建“3+4+3+3”的具有连续性、整体性和创新性的计算机硬件实践教学新体系,并主要围绕硬件实验平台、实验形式、实验环节与内容等方面进行探讨,希望与同行分享.

关 键 词：卓越计划；计算机硬件；实践教学体系

0引言

教育部提出的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目,也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措之一.该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应社会经济发展需要的高质量各类型工程技术人才,为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务.它有3个特点,一是强化培养学生的工程能力和创新能力,二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才,三是行业企业深度参与培养过程.

信息技术产业已成为现代社会的支柱,计算机科学与技术是信息产业的核心和灵魂,是国民经济和社会发展的基础,高校计算机科学与技术专业（简称计算机专业）肩负着为社会培养具有较强工程实践和创新能力的综合素质人才.中国民航大学自2002年以来狠抓落实实践教学,于2009年实施CDIO试点工程改革,2010年计算机专业获批为天津市“品牌专业”并加以建设,硬件是其中主要模块之一.硬件课程组多年来一直致力于硬件课程体系及创新人才培养模式的研究与实践,已初见成效.但就目前来看,实践教学这一理论联系实际的重要教学环节还较薄弱,直接影响着学生工程与创新能力的培养.因此,在“卓越计划”的契机下,探索计算机硬件实践教学模式,创新硬件实践教学体系,培养造就能适应经济和社会发展需求的计算机硬件系统工程师人才,着力解决计算机科学领域中硬件工程实践和创新方面所存在的问题,将具有极为重要的意义.

1计算机硬件的重要性及目前实践教学现状

计算机硬件类课程是计算机专业中的核心课程,实践性强是其突出特点之一,提升硬件类课程实践教学质量对于提高学生实践动手能力、树立工程意识、培养创新能力、增强就业竞争力起着很重要的作用.特别是近年来,伴随着多核处理器的普及应用、嵌入式技术的蓬勃发展与应用以及物联网技术的发展,造成了全球对计算机硬件类人才需求的急剧增加（国际市场紧缺、国内市场急需,国内每年缺口大约20万人）.目前,欧美等发达国家理工科大学的计算机专业普遍都很重视硬件类课程,教学内容涵盖了从基本的MOS管、集成电路到整个计算机系统及接口电路,硬件实验已发展为由实验仪与EDA、VHDL和CPLD/FPGA等仿真器联合承担的阶段,嵌入式系统设计也逐步成为主流,提供给学生的实验工具多是体积较小的自主性实验平台,实验资料大部分是元器件生产厂家直接提供的技术手册,学生可以不受时间限制地进行自主实验设计与开发,这种原理设计-模拟实现-最终实现的实验形式能将软、硬件结合为一个统一整体,使学生更快适应实际工作或实际研究,同时又能充分锻炼和培养学生的动手操作、分析问题与解决问题以及创新思维能力,也能节省资源,是新时期下的发展需要与趋势.我国的硬件实践教学现状并不乐观,主要反映在以下3个方面：

第一,相对软件而言,硬件实验本身所固有的一些困难或问题,客观上给硬件实验教学的实施带来了一些难度,具体表现为：①实验消耗大、设备维护难、需要的设备资金投入大；②实验项目开发非一蹴而就,周期长、见效慢；③实验箱硬件线路相对固定,实验内容受硬件设计制约,自主性、综合性、创新性实验开发难且难以满足新技术与新方法的更新.

第二,实践教学的实施在主观上也存在一些问题.20世纪90年代以来的十多年间,由于硬件平台的通用化等原因,CPU研究被不知不觉地“放弃”了,计算机硬件教育受到了严重影响,反映在教学中就是硬件方面的课程被无限挤压,学生“喜软厌硬”甚至“欺软怕硬”,教师则是“重软轻硬”、“重理论轻实践”.具体表现为：①各硬件类课程实验教学自成体系,课程之间在内容上没有得到有机的结合和贯穿,内在联系没有被体现出来,没有形成很好的具有整体化、系统化、综合化的硬件实验教学体系和实践培养体系；②各门硬件课程实验内容与社会需求相脱节,一些新技术未能及时体现在实验中,没有形成与国际接轨的课程标准,且大多以验证型实验为主,综合设计型和创新型实验较为欠缺；③课外实践环节少,没有形成产学研机制,缺乏工程实践与创新能力培养；④没有形成科学规范的实验考核评价机制,偏离了以能力为导向的培养目的.

实际上,硬件与软件是一个统一的整体,特别是近年来嵌入式技术普及应用后,硬件不再标准化,不再对软件完全透明,社会应用需求的迅速提升更需要大批“软硬兼通”的系统设计人才,即便是高水平的软件人才也需懂得硬件才能从成千上万的硬件平台中进行选择,才能设计出好的软件或系统.譬如RISCOSOC、高性能计算等新兴硬件层出不穷,HDL、SystemC等各种新兴硬件设计技术和仿真工具的出现使得硬件的重要性更为突显.新时期下,教学和应用结合已成为趋势,教学和研究结合也已成为可能,计算机硬件教学迎来了新的机遇,但也面临着严峻的挑战.创新硬件实践教学体系,加强与软件间的融合,培养对社会有用的、高质量的计算机硬件人才是摆在我们面前刻不容缓的艰巨任务.

2硬件实践教学新体系的构建

2.1构建思路

新实践教学体系的构建,主要考虑了以下几个核心要素：

（1）站在计算机专业整体优化的高度上实施.按照“卓越工程师”的培养要求,结合专业特点和自身实际情况,确立具体的、包括知识、能力、素质在内的人才培养目标和培养方案.（2）坚持工程实践教学与理论教学间的相互结合.实践教学不是理论教学的附属,但也不能脱离理论教学,要加强两者间的相互渗透和相互促进作用,所构建的实践教学体系应目标明确、层次清楚,且具有连续性、系统性和创造性.

（3）实践教学安排要符合教育教学规律.按照“学思结合”“知行合一”.“因材施教”的原则组织安排课内外、校内外不同阶段、不同层次的实践教学内容,将实践环节有机贯穿起来,循序渐进地使学生受到较系统、全面的实践能力、工程能力与创新能力培养.

（4）重视课外教学,加强课外实践活动.课外教学是现代大学教育的重要组成部分,在保证硬件知识体系完整的前提下,应增加综合设计型、研究创新型实验课程,加强课内外、校内外实践的结合,积极创造条件使学生参加’课外科技活动、社团活动和社会实践活动,充分发挥学生实践的主动性与主体作用.

（5）加强与企业间的合作.要充分利用企业的实际工程环境和先进的技术、仪器等实践教学资源,“真刀”做毕业设计或搞项目开发,培养学生的工程意识、工程素质和工程实践能力.

（6）要有国际化的视野.“卓越计划”要求未来的工程师必须具备能够适应国际竞争的能力,成为独自应对国际化挑战的工程技术人员.所以,新实践教学体系的构建需要有先进的国际工程理念和模式,能够顺应国际高等工程教育的发展趋势.

2.2“3+4+3+3”硬件实践教学体系

在以上构建思路指导下,按照中国民航大学的人才培养目标,基于美国的CDIO理念,借鉴德国的“企业主导型”实践教学模式经验,结合硬件技术的发展,在充分调研和论证的基础上,以面向工程、面向应用、面向实践、面向创新、强化能力为目的,本着“继承与创新、循序渐进与适度跳跃、工程应用能力培养4年不间断”的原则,构建了“三阶段、四结合、三层次、三自主”的“3+4+3+3”硬件实践教学体系,见图1所示.

（1）三阶段.按照学生能力形成的不同阶段,将实践环节按学年分为3个阶段.第一学年为第1阶段,本阶段主要进行计算机硬件通识教育,具体包括计算机基础实验、学生科技社团的基本培训、嵌入式系统与C程序设计等的普及性讲座；第二、三学年为第2阶段,本阶段主要进行专业实践能力训练,在结合各门课程完成基本实验及课程设计的基础上,鼓励学生积极参加学生的科技社团活动、大学生科研训练计划,积极参与教师的各种科研项目、博创杯、国家级电子大赛和嵌人式系统竞赛等各种大赛,并利用暑期到企业实习或参加各种培训；第四学年为第3阶段,本阶段主要在企业的深度参与下,共同完成毕业实习和毕业设计.

（2）四结合.四结合指理论教学与实验教学相结合,课内课程实验与课外行业实践相结合,虚、实实验平台相结合,教学与科研相结合.

（3）三层次.三层次是指遵循人才能力的培养规律,结合理论教学进度安排与3个阶段环节的实施,按照“基础验证型”“综合设计型”“研究创新型”3个层次设计并展开实验实践教学.其中第1层是每门带有操作的理论课所必须配套开设的,目的是为了培养学生良好的科学实验规范,训练学生的基本实验技能.针对各门课程中所讲的内容,通过演示、操作和验证使学生掌握基本理论知识、基本操作技术,熟悉实验仪器,学会实验方法,为后两层实验做好准备,打好基础.

第2层包括综合型实验和设计型实验,是第1层实验的延伸、拓展或提高.实验内容充分考虑纳入一些具有时代气息的、与工程实践或科研密切相关的实验内容,具体可以是开放的实验项目、大学生科研立项项目、第二课堂或各种竞赛题目,也可由教师的科研项目转化而来,要求所有学生至少申报一项.学生必须自行设计、制作、调试、测试实验结果并书写实验报告,但实现形式较为灵活,可以在课内或课外,可以自选实验平台.本层次的实验目的一方面是为了加深学生对相关课程的理解,更主要的是结合已学的前导课程与选修课,将相关内容和知识有机地结合在一起,以培养学生的综合分析与独立解决问题的能力.

第3层结合毕业实习和毕业设计进行,该层鼓励学生自主选题,结合自己的兴趣,大胆尝试工程实践和研究.题目可以是第2层题目的深入或扩展,或者

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（4）三自主.三自主指实验项目、实验操作和实验时间都可由学生自己支配,具体为：①自主设计实验项目.学生在完成了全部必做实验和选做实验项目后,还可结合自己的兴趣和能力,再选做其他的开放性项目.②自主进行实验操作.结合自己的实验内容,学生可在开放的实验室自选所需设备、元器件、实验板等必备工具,自由设计实验步骤并独立完成实验操作.③自主安排实验时间.所有实验室的硬件除了课内教学时间安排占用外,从周一至周日的其余时间（包括晚上）都面向学生免费开放,学生可通过预约方式多次到实验室完成课外的一切项目,直到完成为止.

“三自主”实验很适合层次化教学,学生纷纷反映现在的实验由“要我做”过渡到了“我要做”,由原来的被动学习变成了主动学习,不仅有效提高了学生的操作动手能力、分析与解决实际问题的能力.同时也有效提高了设备利用率,实验室人数在每一个时间段都为满员,设备利用率总体上达到了全开放前的一倍以上.

3实践教学体系的实践

为保障上述实践教学体系的实施,在实际教学中,我们重视并坚持了“四结合”的实践教学.

3.1理论与实践的结合

坚持理论教学与实践教学的相互结合,首先体现在新的实践教学体系是建立在新的硬件课程体系基础上的.我们通过对原有硬件课程的整合重组建立了新的硬件课程群,对各门硬件课程的理论与实践教学内容、时数以及课程开设的先后顺序进行了调整,理顺了每门课与前导课和后续课之间的关系,以保证硬件课程体系的系统性和完备性.课程体系（见表1）横向由理论课与配套的实践两部分组成,纵向分为必修课、专业限选课与选修课,以保证课程体系的基础性、实用性与创新性,达到基础层、应用层和提高层3个层次.3.2课内与课外的结合

我们充分考虑到当代大学生的特点,在实际教学过程中特别重视和加强课外及第二课堂的可用性,在充分保证教学计划培养方案中计划内课时的实验教学内容的基础上,积极支持和鼓励学生开展课外活动,从方案制订到落实环环相扣.具体体现在3个方面：①对于课程,要求每门开设实验的课程,必须至少开出3个综合设计型实验；②对于教师,学院实行本科生导师制；要求每位教师每年至少带2个本科生,对他们的学习和生活加以辅导,从大一入学带到大四毕业,具有高级职称的教师要求每年至少有一个与实际相联系的工程类题目或自己的科研课题,至少指导一个学生在课外完成；③对于学生,要求学生在每学完一门带有实验的课程后,至少做一个综合设计型实验,在第2阶段须通过参与课外实践活动完成一项工程实践或科技立项项目或者是一种竞赛（教学计划中规定学生需有2分的工程实践或创新学分）,在第3阶段须在企业实习的经历.中国民航大学计算机学院与天津奥凯航空公司、民航二所、天津启诚科技公司等企业都有合作联系,每年暑期都会组织学生实地实习或聘请公司的工程师来校与教师一起对学生进行集中实训.

3.3虚、实实验平台的结合

在硬件方面,在规定的时间、规定的地点,让规定的学生对象做规定的实验,所得到的效果总是不够理想.目前,使用HDL语言（AHDL、VEDL和Vcrilog等）通过EDA工具软件设计各种规模的数字电子系统是工程师们的设计潮流.通过EDA、CPLD/FPGA、EWB等各种仿真工具构筑虚拟实验平台是硬件实验的有效手段,也是计算机硬件实验教学的主流方向.我们紧跟时代步伐,在实践教学中非常重视仿真虚拟实验平台的建设,并加强与传统的实物实验平台的结合和使用.譬如在数字逻辑课程中采用了将传统实验箱与IVDLEP虚拟实验平台相结合的实验教学方式；在计算机组成原理课程中将实验箱与Marie仿真软件相结合；在单片机、嵌入式课程中将实验箱与Proteus+Keil仿真工具相结合；在硬件课程设计中将实验箱与QuartusⅡ工具相结合.在实际教学中,教师结合具体内容会适当穿插一些仿真实验演示给学生,但要求学生在做每门课程的第一层实验时,必须充分运用虚拟仿真工具通过课外反复实验,彻底理解和掌握理论知识.

运用虚拟仿真工具将硬件知识的学习和软件工具的应用结合在一起,既有效发挥了学生的创新思维,又打破了硬件实验时不方便带着实验箱在课堂上演示运行结果的局面,还缓解了因硬件资源的短缺而不能满足学生对硬件实验操作的实际需求,同时,也可以降低硬件实验的损耗,从而减少实验费用,降低了实验室设备维护量等.这是计算机硬件实验方式的一个飞跃,是实验教学与实际应用的很好结合.

3.4实验教学与科研的结合

中国民航大学是教学科研型工科院校,以培养“宽口径、厚基础、强能力、高素质、具有创新精神的应用型高级人才”为目标,构建现代化民航业教育体系,因此,学校一直要求科研应为教学服务,教师应把最新科研成果体现在教学中.经过多年努力,现已成为教师的自觉行动.我们硬件课程组的教师们采用以科研带动实验的方法深化实验教学内容,把课题研究的技术转化成实验项目,为实验教学服务,在自己的科研项目中,广泛吸纳优秀本科生参加.譬如将基于RFID的行李分拣系统、基于DSl8820的温度检测与控制系统、基于GPRS的车辆定位监控系统等科研项目引入到实践教学中,既使教师的教学和科研得到了融合,也促进了学生“做学研”的结合,在“做中学、学中研、研中创”.

4结语

实践表明,新的硬件实践教学体系极大地提高了硬件课程群的教学质量和教学效果,增强了学生的学习兴趣.从学生科技立项和毕业设计题目看,硬件方面的题目明显比往年要多.但计算机硬件实验教学改革是一个长期的过程,“卓越计划”的实施也是一项系统工程.在此基础上,我们将会按照“卓越计划”的培养要求在实践中不断完善实践教学体系,以培养更多适应社会发展的优秀人才.