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計算機工程創新研究:完善示范中心平臺建設,培養計算機工程創新人才
作者簡介：周世杰，男，副教授，研究方向為分布式計算、信息安全和RFID；秦志光，男，教授，博士生導師，研究方向為信息安全；邢建川，男，副教授，研究方向為分布式計算、集群系統、Petri網建模與分析、工作流管理等。
摘 要：從分析部級計算機實驗教學示范中心的任務入手，提出示范中心平臺應包括計算機實驗中心和具有學校特色的工程實踐平臺兩個部分。介紹電子科技大學部級計算機實驗教學示范中心平臺建設的實踐工作，并對具有顯著特色的建設競賽中心、學生創新創業中心、軟件工程技術中心和IBM大型主機技術中心等進行了詳細闡述。
關鍵詞：示范中心；實驗平臺；創新人才培養
1 研究背景
計算機實驗中心往往被視為理論教學的補充，是學生完成理論驗證的環境或開展驗證性實驗的平臺。因此，它往往是扁平化的組織結構：實驗中心包括若干實驗指導小組，每個小組由一位或多位實驗指導教師構成，每位實驗指導教師分別負責一門或多門實驗課程[1]。在這種扁平化結構之下，實驗中心的任務當然主要是滿足實驗教學的需要。
但是，隨著社會對計算機專業人才需求的變化，實驗中心在培養工程創新人才方面的作用愈加明顯。部級計算機實驗教學示范中心的建設目標，是以計算機科學與技術學科建設為基礎，以學生能力培養為核心，依托教學和科研的人才資源優勢，提升實驗教學體系，建設實驗教學環境，使中心成為設備先進、資源共享、開放管理，滿足本科、研究生、專業和非專業不同對象、層次實驗需求的大型實踐教學基地和工程創新人才的培養基地[2]。
因此，作為部級的計算機實驗教學示范中心，除了完成基本的計算機公共基礎實驗和計算機專業實驗之外，也承擔著培養計算機工程創新人才的任務。探索部級計算機實驗教學示范中心的新型組織架構，對于發揮示范中心在計算機工程創新人才方面的作用極為重要[3]。
2 部級計算機實驗教學示范中心平臺構成
從部級計算機實驗教學示范中心的基本任務來看，主要包括兩個部分：計算機基礎實驗和專業實驗教學任務及學生工程創新能力培養[4]。因此，從組織結構來看，部級計算機實驗教學示范中心應該包括計算機實驗中心和具有工程創新人才培養功能的工程實踐平臺。圖1為示范中心的平臺架構。
1) 計算機實驗中心。
計算機實驗中心除完成基本的實踐教學任務之外，也必須注重學生工程實踐能力的培養。因此，實驗中心不能簡單地按照“實驗指導教師―實驗課程”的模式來建設，而應該以專業實驗室的方式來管理。專業實驗室可以按照課程或課程群來組建，基本任務是以教學大綱為基礎，完成多層次實驗的教學任務，如基本型實驗、綜合型實驗和設計型實驗的指導。
以電子科技大學部級計算機實驗教學示范中心為例，其下設的計算機實驗中心主要由下屬的13個專業實驗室(嵌入式系統專業實驗室、軟件工程專業實驗室、計算機網絡專業實驗室、數字媒體專業實驗室、信息及網絡安全專業實驗室、微機原理與接口及應用實驗室、計算機組成原理實驗室、語言與算法設計實驗室、數據庫及應用實驗室、計算機系統結構實驗室、編譯與形式語言實驗室、數字邏輯實驗室、計算機操作系統實驗室等)組成。專業實驗室涉及的實驗課程包含程序設計語言、離散數學建模實驗、數據庫、數據結構、操作系統、匯編語言、計算機組成原理、數字邏輯、編譯技術、微機原理與接口、嵌入式系統、計算機網絡、軟件工程、數據挖掘等幾十門計算機學科的主要專業知識課程教學實驗以及相應的綜合課程設計(獨立設課)。各專業實驗室承擔基礎型、綜合型和創新型實驗的建設、開發和指導工作。
(1) 基礎實驗。指應知應會等原理性實驗，提高學生對原理、算法的理解和設計能力?；A實驗的目的是加強學生對理論知識的理解，多以驗證性實驗為主。
(2) 綜合型實驗。要求學生結合一門課程的多個知識點，甚至綜合多門相關課程，完成一個較為復雜的實驗任務，難度較大。在這種實驗中，學生要具有多方面的知識，即鞏固前面實驗階段的學習成果，能夠融合實驗原理、設計思想、實驗方法及相關的理論知識，對實驗結果進行判斷、歸納與分析，能綜合應用所學理論知識分析問題和解決問題。
(3) 創新型實驗。為開放式教學方式，由學生獨立或與指導教師共同擬定設計題目和設計目標，并獨立完成，難度大，具有探索性、創新性。該類實驗注重科研成果向實驗教學內容的轉化，讓學生在實驗教學中感受知識產生和發展的過程，享受知識轉化為能力的成就感。同時培養學生的自主學習和實踐研究的能力，使學生的創新意識和創新能力得到的鍛煉與提高。
通過專業實驗室的方式組織和管理實驗教學，有助于拓展實驗教學的范圍，提高實驗質量，為培養學生工程實踐能力提供支持。
2) 工程實踐平臺。
工程實踐平臺以提高本科生的工程實踐能力、創新能力和綜合素質為目標。因此必須建立在專業實驗室的基礎之上，整合科研重點實驗室、科研項目、科研成果等，形成有利于學生工程能力提高的環境。一般來說，工程實踐平臺采用工程實踐項目方式指導學生開展課外科技創新活動，利用社會資源，將理論、實驗、實習、工程、科研、設計、創新有機結合起來。同時，內容應豐富多彩，為學生提供豐富的實驗項目菜單，供不同層次、不同愛好的學生選擇。
以下以我校部級計算機實驗教學示范中心的工程實踐平臺為例，討論建設工程實踐平臺的重要性。
(1) 學生創新創業中心。
學生創新創業中心是我校部級計算機實驗教學示范中心為學生進行創新創業活動，促進學生綜合素質發展而設立的機構。自成立以來，中心受到學校、學院的一貫支持和關注，奉行“理論與實踐結合，創新與創業并重”的理念，以“加強創新能力實踐，實現創新人才培養”為宗旨及目標，努力提高每一個成員的創新意識和創造能力，培養學生的務實開拓精神和創業精神，鍛造適應未來各種挑戰的應變能力。它的組織架構如圖2所示。
學生創新創業中心下屬4個企業技術俱樂部(微軟技術俱樂部、IBM技術俱樂部、騰訊技術俱樂部、維塔士俱樂部)和12個學生工作室，先后資助學生創新項目數百項，已有夢飛無線工作室、象牙塔工作室等多個學生團隊實現創業或入駐成都天府軟件園大學生創業園區。
(2) 競賽中心。
競賽中心的任務主要包括三個方面：競賽培訓、競賽指導、競賽承辦。以我校示范中心為例，其競賽中心的組織架構包括競賽中心培訓部、競賽中心指導委員會和競賽中心學生會。競賽中心培訓部下設ACM、信息安全、機器人、電子設計競賽等幾個分支，每個分支有領頭老師帶隊。培訓部有日常開支活動經費，主要作用是著力加強各競賽方向的重視力度。競賽中心指導委員會設主席1名，副主席7名，主席由主管副院長兼任，副主席由各系主任兼任。競賽中心指導委員會的作用主要是發動教師參與競賽指導工作。競賽中心學生會設主席1名，副主席若干名，主要作用是兩個，一方面與競賽中心指導委員會的老師進行對接，另一方面在平時組織一些活動，培養學生對競賽的興趣。
競賽中心的任務包括ACM程序設計競賽、電子設計(嵌入式)競賽、信息安全競賽、機器人足球競賽4個賽事的競賽組織工作。在學校及學院的支持下，示范中心負責實施了全校性質的競賽相關素質公選課，將學生競賽培養納入到本科培養大綱中。由競賽團隊責任老師擔任主講教師，以初級、中級和高級3個層次設計競賽培訓課程內容，為學生參與各類賽事奠定了良好的基礎。近年來，競賽中心負責組織了全國大學生電子設計競賽及信息安全和嵌入式專題競賽、全國大學生信息安全競賽等各類全國性大賽，并獲得佳績。
(3) IBM中心。
我校部級計算機實驗教學示范中心下屬IBM中心的目標是培養大型機計算機專業人才。IBM主機系統教育中心成立于2005年5月，順利進行了IBM eServer Z900主機系統環境建設和主機系統安裝調試，使我校擁有了世界的主機系統教學實驗平臺。該平臺可以提供主機系統課程的教學實驗環境，并可作為高性能計算、計算智能、系統性能評價、智能存儲、并行耦合系統等方面的研究實驗平臺。2006年，中心組隊參加了“IBM大型主機技術2006校園應用大賽”， 藍色之星隊一舉奪得該次全國大賽的較高獎項――作品獎，藍色之星Ⅱ隊勇奪優勝獎！此外，還獲得了指導獎和表現獎，成績名列全國各參賽高校之首。IBM主機系統教育中心(成都)在各方面取得的成就得到了IBM公司的高度贊賞和獎勵，先后獲得了“IBM主機大學合作項目2006年度教書育人獎”和“IBM大學合作項目2006年度校方支持與合作獎”。
(4) 嵌入式工程中心。
嵌入式軟件工程中心將所承擔的國家863、電子發展基金、發改委、國防預研等多項部級嵌入式軟件項目及成果轉化為實驗教學資源。針對嵌入式系統硬件多樣性的特點，提供多種不同硬件平臺的實驗系統版本，讓學生能夠充分領略不同硬件平臺開發的共性和差異性，加深對理論的理解，更加有針對性地學習掌握重難點知識。在此基礎上，衍生出了高級實驗內容：將嵌入式操作系統移植到不同硬件平臺上。
另外，嵌入式系統軟件開發涉及從底層硬件、設備驅動、操作系統、應用組件到最終應用的不同層次內容，這是與傳統桌面軟件開發的主要差別所在，因此業界對嵌入式軟件開發人才的需求是多層次的，有不同側重點的。一個的嵌入式軟件工程師不僅要掌握編程語言、程序設計思想及方法、開發工具的使用等通用要求，還應比桌面軟件開發工程師具有更扎實的硬件基礎知識和系統結構知識，也間接提高了嵌入式軟件開發的門檻?；谶@樣的考慮，實驗內容涵蓋了嵌入式微處理器編程、設備驅動開發、嵌入式操作系統基礎應用、嵌入式操作系統綜合應用、嵌入式操作系統移植、綜合應用開發等不同層次和難度的實驗項目，適應不同層次嵌入式知識學習和軟件開發能力培養的需要。這些實驗不是一次性地要求學生做，而是配合不同課程內容的變化，由簡到難、逐步推進，配合本科嵌入式課程、綜合課程設計、畢業設計、科研項目使用。
3 示范中心平臺建設的建議
1) 加強示范中心平臺的信息化建設。
雖然各個學校的計算機教學實驗示范中心會有不同的功能定位，但基本任務都是為全校計算機基礎和專業教學服務。與傳統的計算機實驗中心相比，其規模大、人員多，且可供使用的實驗資源豐富。因此，必須加強示范中心平臺的信息化建設，提高示范中心平臺的管理效率，實現示范中心資源貢獻，并實現對學生實驗教學科學、合理的管理[5]。例如，如果能夠開發并應用“實驗報告防抄襲系統”，不僅可以實現對學生實驗報告的無紙化管理，節約成本，也可以加強實驗中心平臺的利用和有效管理。而示范中心統一信息化管理平臺不僅可以整合實驗中心資源，也可以提高示范中心資源在高校之間的共享效率。
2) 結合計算機學科發展，建設新的工程實踐平臺。
計算機學科的發展會對實驗教學和學生工程實踐能力提出新的要求。為此，示范中心平臺建設也必須滿足計算機科學發展的需要，不斷更新或建設新的工程實踐平臺[6]。以我校部級計算機實驗教學示范中心為例，考慮到近幾年計算機學科中云計算的發展，示范中心投入30余萬元，購置了云計算平臺，成立了云計算機實驗室，培養學生在云計算領域的創新能力，并負責組織學生參加各類云計算競賽。目前，該實驗室已形成了定期學術講座，邀請企業人員參與討論，參與VMware云計算大賽等常規機制，加強學生創新能力的培養。同樣，考慮到計算機學科中機器人應用的廣泛性，示范中心投入20余萬元，購置了安保機器人以及各類機器人開發平臺，并成立了機器人實驗室，培養學生在機器人領域的創新能力，并負責組織學生參加各類機器人競賽。
此外，考慮到信息安全、物聯網的發展，也可以在示范中心中建設相應的工程實踐平臺，為學生參與相關工程實踐提供環境。
3) 積極開展產學研合作，成立校企聯合工程實踐平臺。
計算機專業具有非常強的工程應用特色。因此，計算機專業所培養的學生必須滿足企業的需要。在搭建工程實踐平臺時，示范中心如果能夠充分結合企業的需要，建設校企聯合工程實踐平臺(如校企聯合實驗室、校企工程訓練中心或實踐中心等)，將有助于培養學生的計算機應用能力，從而更好地滿足企業需要。
4 結語
作為部級計算機實驗教學示范中心，在滿足基本實踐教學任務的基礎上，還必須承擔培養學生工程實踐能力的任務。其中，搭建符合需要的實踐平臺是開展工程實踐教學的基礎。作為示范中心平臺的重要組成部分之一，計算機實驗中心在實踐教學和培養學生基本技能中發揮了極大作用。同樣，建設符合高校計算機學科特色和人才培養目標的工程實踐平臺，將有助于培養學生的工程創新能力。因此，國家必須加大對示范中心建設的投入，建設滿足學科需要和發展的高水平示范中心平臺，使示范中心在培養高素質計算機工程創新人才中發揮更大的作用。
計算機工程創新研究:計算機工程專業創新人才培養模式的探索與實踐
摘要:本文分析計算機工程專業課程教學中存在的主要問題,圍繞如何面向實際應用、調動學生學習興趣、改善教學方法以及實驗內容和方法的創新等教學中的關鍵因素進行了研究,提出行之有效的提高教學質量的方法,即以ISP技術為主線改革計算機專業硬件課程教學體系和教學內容;采用案例教學法作為計算機專業硬件課程教學的主要方法。實踐表明這些探索與實踐在提高學生的動手能力、增強創新意識以適應新形勢下培養創新性人才方面取得較好的效果。
關鍵詞:ISP技術;課程體系;質量工程;創新意識;案例教學法
隨著計算機及相關技術的快速發展,新技術與方法已在工程實踐中廣泛應用,但目前許多高等院校計算機硬件課程的教學內容與實際脫節,教學體系設置和教學方法無法滿足培養創新型人才的要求。在我國高校計算機相關專業學生的培養中,普遍存在重視計算機軟件方面知識的學習和培養,忽視對計算機硬件方面知識的學習和實踐,特別是在硬件工程方面,學生得到的訓練更少,培養學生的實際能力更無從談起;盡管目前許多硬件課程的設置與歐美等計算機技術發達國家的課程設置接近,但教學知識體系、內容及教學方法等有許多需要斟酌的地方,教學內容無法適應時代的需求,有些與現實嚴重脫離,學生的學習積極性不高,學習效果不好。
目前正在高校實施的高等教育質量工程,重點在于提高學生的動手能力、增強創新意識,為我國轉變為創新性國家打下基礎。為了實現這一目標,有必要對高等教育課程的教學內容和教學方法進行改革,以適應新形勢下培養創新性人才的需要。由于計算機領域發展迅速,各種新技術和方法不斷涌現,計算機專業的教學內容及教學方法更應不斷地調整和更新。
1現狀及發展趨勢
大多數高等院校計算機本科專業涉及的硬件教學課程主要有“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統結構”、“微機原理與接口技術”、“單片機”、“嵌入式系統”等,在新形勢下部分課程內容設置顯得不夠合理,部分教學內容與實際應用脫節,影響了教學效果,無法滿足教學大綱中要求的動手能力培養,更無法有效培養同學們的創新意識。
目前,作為計算機教學重要專業基礎課程的“數字邏輯”,要求學生掌握組合邏輯、時序邏輯電路的分析和設計方法,研究對象主要是分立元件、通用中小規模集成電路及基本的可編程器件等,介紹的方法也以傳統方法為主,已無法適應目前應用的需要;作為專業主干課程的“計算機組成原理”、“計算機系統結構”,主要內容是討論計算機的結構、各功能部件原理及設計方法,同時介紹當前的新技術、新方法,目的是讓同學們熟悉計算機的結構,為以后應用和設計計算機系統打下基礎。目前大家普遍采用的教材在部件設計中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設計方法:硬布線邏輯運行速度高,但缺乏靈活性;微程序設計方法有一定的靈活性,但資源占用多,運行速度慢。盡管這兩種方法對于理解計算機組成原理不失為一種較好的選擇,但由于缺乏實際應用背景,學生學習興趣受到影響,教學效果也大打折扣,提高學生的動手能力、培養創新意識更是無從談起。“匯編語言程序設計”課程也存在類似尷尬,討論以16位個人計算機為背景的匯編語言程序設計知識,適合入門和了解基本原理,但與“計算機組成原理”、“計算機系統結構”課程一樣,由于缺乏實際應用背景,教學目標無法實現。
隨著電子設計自動化(EDA)、系統編程(ISP)、片上系統(SOC)等技術的發展,32位個人計算機的應用已很成熟,多核64位計算機應用也將逐步成為主流。嵌入式系統設計需要較強的軟硬件知識綜合應用能力,因此在計算機硬件課程的教學中應加大相關新技術的比例,并根據實際及時調整教學內容。國外許多知名高校本科專業的教學內容已經作了適時調整,如麻省理工學院非常注重學生的設計能力的培養,為此專門開設了“計算機系統設計”課程,要求學生在實踐環節中自主設計ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水線32位Mips CPU和Cache;斯坦福大學也有相似的課程和實驗環節;加州大學伯克利分校和楊百翰大學在基于可編程邏輯的超級計算機研制方面也有大量成果。
當前在國內,案例教學已被越來越多的人所接受,尤其是在一些法學、工商管理類高校已經開始廣泛運用。案例教學法是一種動態的、開放的教學方法,目標是解決學生如何用更有效的方式獲得知識以提高應用能力的問題。案例教學法具有綜合性、交互性、啟發性、針對性和可操作性等多種特征,它的使用大大縮短了教學理論與實際應用之間的差距,同時對教師的教學觀念產生了重大的影響。鑒于計算機專業知識與實際應用結合緊密的特點,教學中尤其適合案例式教學。目前在國內計算機課程的教學中,案例教學還處于一個起步階段,主要表現在:案例教學比例不夠,沒有形成完整的體系;案例數量不足,質量欠缺;許多高校盡管重視案例教學的應用,但是在案例的搜集、整理與分析等方面相對滯后;案例陳舊,缺乏代表性等。
2以ISP技術為主線改革計算機專業硬件課程教學體系和教學內容
計算機本科專業涉及的硬件教學課程按合理教學順序一般為“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統結構”、“微機原理與接口技術”、“單片機”、“嵌入式系統”等,一些課程可以在時間上重疊,如“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”等。
由于ISP、EDA技術可以靈活地開發出具有自主知識產權的硬件產品,是目前工程實踐領域和芯片設計領域運用最廣泛也是最有應用前景的技術,因此在計算機硬件課程的教學中應該把相關技術列為重要內容,即以ISP、SOC技術為主線,使相關課程形成一個完整的體系,達到培養創新性人才的目的。
為了實現這一目標,在“數字邏輯”課程中,應大幅增加可編程邏輯技術的比重,重點討論用EDA方法,利用ISP技術、SOC技術設計IP核的方法,使學生對相關技術的應用及發展趨勢有一個的理解,并具備基本的實踐能力;在“計算機組成原理”課程中增加計算機設計原理和實踐的內容,也可考慮再單獨增加一門計算機設計課程以替代目前“計算機組成原理”課程設計,在該課程中重點討論如何采用EDA方法,利用ISP技術、SOC技術設計計算機各部件如CPU、Cache等,通過實際應用和實踐進一步加深對相關技術的理解和掌握。
在“微機原理與接口技術”課程可以考慮以16位計算機應用知識入門,以討論32位計算機的應用為重點。相應的,作為“微機原理與接口技術”課程的先行課程,“匯編語言程序設計”課程也應把相應的內容整體提升到32位,考慮到學習過程的先易后難,可以先介紹16位匯編語言程序設計知識作為入門,再對32位匯編語言程序設計相關內容展開。
單片機系統本質上也是嵌入式系統,嵌入式系統是針對應用或用戶定制的完整、高效的計算機系統,嵌入式系統設計需要較強的操作系統原理、應用程序設計和硬件設計方面知識的綜合應用能力,其中特別是硬件系統設計能力可以通過以上幾門硬件課程的系統學習逐步培養,因此相關課程的教學內容應注意銜接,同時遵循先易后難的原則,面向實際應用,以提高動手能力、增強創新意識為目的。
針對實踐教學,目前相關課程的實驗教學的實驗項目及內容固定,大多為驗證性實驗,實驗步驟程式化,許多同學按教學實驗計劃做完實驗,仍然無法充分理解課程的主要內容,無法真正擁有教學大綱所要求的動手能力。更重要的是計算機技術一直處于高速發展中,高等院校的計算機教學理應不斷地適應這種要求,相關的實驗教學應適時地調整教學內容。解決問題的一個好思路是利用ISP、SOC技術開發出一種內容可定制的硬件課程教學實驗平臺,由于作為控制對象的外圍電路是相同或相近的,可以設計為通用模塊,而實驗平臺控制部分則可以利用可編程邏輯改變,以適應不同的課程。如控制部分設計為基本CPU即可做“計算機組成原理”課程的相關實驗;控制部分設計為單片機即可做“單片機”課程的相關實驗;甚至控制部分可以設計為個人計算機CPU,配合有關的接口電路,即可做“微機原理與接口技術”課程的相關實驗等。
在我院的計算機本科專業相關硬件課程教學實踐中,我們已作出了一些有益的探索,如我院“數字邏輯”教學大綱已在近年作過相應調整,EDA技術、可編程技術的理論和實踐教學內容的比例從原來的20%增加到60%以上,經過多年的建設,“數字邏輯”課程在今年被評定為“湖北省精品課程”;在“計算機組成原理”課程中引入利用ISP技術設計CPU軟核等教學和實踐內容;“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術”課程中也增加了32位計算機相關內容的學習和討論,新的實驗設備可以進行32位的相關實驗等,這些安排增強了學生的學習興趣,學生學習的主動性也明顯提高了。
3采用案例教學法作為計算機專業硬件課程教學的主要方法
案例教學法是一種事半功倍的教學方法,在教學過程中圍繞事先精選的典型的、具有工程背景的實際案例進行討論,可以為同學們模擬實際應用的場景,獲得近似于實戰的經驗。為完成設計目標,同學們自然會自己主動學習,在這一過程中掌握知識,并學會應用知識,提高解決問題的能力;也能通過用不同的途徑解決問題,培養創新意識。這樣教師在授課中可以把精力集中于教學內容的總體把握上,而不需要過分在知識細節上消耗時間,提高了教學效率。
案例教學法關鍵在于選擇合適的案例,案例首先必須有代表性和實時性,必須是實踐中的典型應用實例。在實踐中應用的幾率高,具有普遍意義,這樣的實例在教學過程中值得花費精力討論和設計,才是有意義的。同樣重要的是案例需具有實際工程背景,學生可以面對具體的實際問題和特定的環境,有針對性地通過自主學習和思考進行設計,培養實際解決問題的能力。
案例還應該形成相對固定的案例集,并具備一定的開放性,應定期對案例集進行評估,剔除一些過時的案例,增加一些新的典型應用實例。這樣就保障了案例的典型性、實時性及工程背景。
在教學實踐中,我們把案例教學法作為主要方法,并把案例分為4類:一是問題評論型,給出問題和解決問題的方案,讓學生去評價;二是分析實現型,不給出解決方案,要求學生討論分析以提出方案;三是實際模擬型,是指在教學過程中依據教學內容,讓學生分別充當不同的角色,進行模擬性的實踐活動;四是發展開放型,通過案例發現新的理論生長點,討論相關理論的發展趨勢。我院在相關課堂教學中采用的部分案例如表1所示。
在“數字邏輯”、“計算機組成原理”等課程的重點章節教學中,我們通過采用上述案例法,調動學生成為積極參與者,而不是消極被動的聽眾,在案例學習和討論中,鼓勵學生提出更多解決問題的辦法,在課堂上營造出積極發表意見和爭論的氣氛。這樣提高了學生的學習興趣,教學效果有明顯改善,學生的動手能力有了顯著增強。教學改革后前后數據比較如表2所示。
4總結
為實現面向實際應用提高學生動手能力、增強創新意識、培養創新型人才、確定完整合理的計算機本科專業硬件理論教學和實踐教學體系的目的,我們提出了以ISP技術為主線的計算機專業硬件課程教學改革方案。它的主要內容為兩方面:一是調整現有教學體系和教學內容,如在“數字邏輯”、“計算機組成原理和系統結構”、“嵌入式系統設計”等課程中以“數字邏輯”課程為先導,以ISP、SOC技術為主線貫穿于各相關課程教學過程中;在“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術”等課程中把主要內容提升到32位等。二是在教學中運用案例法,使學生成為教學活動的主體,形成學生自主學習、合作學習、研究性學習和探索性學習的開放型學習氛圍。充分發揮案例教學有利于提高學生分析問題和解決實際問題的能力、有利于促使學生學會學習、有利于促使學生學會溝通與合作的優勢。
實踐表明以ISP技術為主線的計算機專業硬件課程教學改革,符合國家高等質量工程建設中培養創新性人才的規劃,有效地增強了學生的動手能力和創新意識。我們也意識到計算機工程教學是一個復雜的過程,牽涉到許多方面,我們將在實踐中探索教學規律,不斷提高教學水平,進一步改善教學效果。
計算機工程創新研究:計算機工程型人才培養模式的創新與實踐
摘要:隨著信息技術的快速發展和國民經濟結構的戰略性調整,本科高校計算機工程型人才培養必須面向市場和社會辦學,通過與企業的緊密合作,探索并創新校企合作教育模式。合作教育模式是以本科教學為根基,以校企合作共建實踐教學基地為載體,以共同組織教學和管理為手段,以實現學生就業和企業招聘到合格員工為目標,最終實現校企雙贏。
關鍵詞:計算機工程;校企合作;人才培養模式
1引言
近年來,我國各計算機專業院校為社會培養了大量的本科畢業生,但所培養的學生在知識、能力、素質方面和社會目標需求存在一定差距,人才培養目標與市場需求之間嚴重失衡,出現了結構性就業困難。原因在于我們的計算機專業在培養方案的制定與實施過程中跟不上信息技術的飛速發展,而傳統的教學模式一時又難于改變,實踐教學和創新能力培養嚴重滯后。西安郵電學院計算機系在當前金融海嘯嚴重影響的形勢下,仍然保持了往年一樣較高的就業率,得益于連續四年的艱苦探索,特別是在構建適應社會需要的計算機工程型人才,創新校企互利雙贏的合作教育模式方面所進行的嘗試。
2堅持培養目標與企業需求相統一的人才培養方案
符合計算機工程型人才培養的教育理念和教學指導思想是:傳授知識、培養能力和提高素質協調發展,注重對學生探索精神、科學思維、實踐能力和創新能力的培養。計算機工程應用型本科人才的培養目標應該是:能夠滿足新興技術發展的需要,具有扎實的基礎理論知識和較高的綜合素質、具有較強的實踐能力和適應性、具備解決工程實際問題能力的現場工程師。計算機工程應用型本科人才融合了傳統本科的基礎知識寬厚、綜合素質較高、具有可持續發展潛力,以及面向生產、建設、服務、管理及時線的實際應用能力。
重視基礎理論的教學,拓寬學生的知識面,加強專業課程教學內容的應用性部分,把應用性環節滲透到教學的全過程,強化學生動手能力和應用能力的培養,突出理論教學與實踐應用的相互滲透和融合,堅持工程科學教育與工程實踐訓練并重,通過產、學、研結合,逐步建立起科學合理的計算機工程型本科人才的課程體系和培養方案。
3面向市場建立以需求為導向的動態教學機制
計算機工程應用型人才培養必須以社會需求為導向,高度重視學生實踐能力培養。西郵計算機系根據企業需求,采取了靈活彈性的專業選修課設置、考核與管理模式,加大了各專業培養方案中集中實踐環節,包括課內實驗、課程設計、認識實習、生產實習以及畢業設計等實踐環節,都制定了嚴格規范的指導書或實施細則。為了加強與企業的聯系與溝通,計算機系與西安高新開發區、北京中關村軟件園、深圳市軟件園建立了長期穩定的合作關系,成為園區的人才培養基地。通過與園區中大量企業的合作,根據來自企業的需求信息,及時對培養方案進行充實調整。如企業對學生的語言交流能力、團隊合作能力等有一定要求,就以選修課的形式開出“IT職業規劃與職業化塑造”課程,聘請企業人力資源經理、項目經理到校為學生授課。這些調整和合作得到了企業的認可與支持,取得了很好的效果。
2007年,計算機系與廣州周立功單片機發展有限公司成立了“周立功3+1創新教育實驗班”,前三年按照學校的教學計劃培養,大四第四學年學習企業的課程,學校通過課程置換,承認學生所獲得的學分,畢業后到企業任職,大多數同學獲得了高新聘用,許多同學畢業后都成為公司的核心骨干。
4建立多位一體的學生實踐能力培養體系
知識、能力和素質是工程應用型人才必須具備的三大要素,而能力和素質的培養只有通過大量的實踐活動來實現。除了加強傳統實踐教學環節的組織管理和質量保障外,計算機系積極開展了實驗室開放工作。各個實驗室在完成正常課內實驗、課程設計以及畢業設計等任務的同時,全天為學生開放。每門課程都開發了供學生在開放實驗中選做的綜合性設計性實驗項目,既解決了正常課內實驗學時不足的問題,又為學生綜合使用所學知識創造性地開展實驗研究工作提供了條件。
計算機系還成立了十余個課外科技活動興趣小組,由實驗室承擔學生的課外科技活動的組織與管理工作,主要有“嵌入式系統興趣小組”、“FPGA興趣小組”、“多媒體制作興趣小組”、“網頁制作及組網興趣小組”、“計算機應用系統設計興趣小組”等。一個興趣小組常常出現數百學生報名的可喜景象。近年來,學生課外科技活動項目在陜西省電子競賽、全國大學生電子競賽、“挑戰杯”以及各類企業或行業比賽中獲得了的成績。多位一體的學生實踐能力培養體系為提高學生的能力和素質起到了不可估量的作用。積極參加開放實驗或科技活動,學生的實踐動手能力得到了用人單位的好評和肯定。
5與企業共建校企合作雙贏實踐教學基地
計算機系特別重視與企業建立校內外實習基地,在實習基地的建設上,采取了內外結合、校企互動、訂制培養、就業對接的方式:同一家企業,既在校內建立實習基地,又是學院的校外實習基地,校內校外功能對接,互為補充;校企雙方共同參與管理,各有所側重;實習實訓和課程內容根據企業用人要求設置和調整,校外實習是校內實訓的銜接和延續;最終實習考核的結果以在企業就業為目標,以勝任企業要求成為合格的職業人為檢驗。
以雙基地合作伙伴北京神州數碼融信軟件公司為例,雙方的合作關系為:校內實習基地由學院提供實驗設施和場地,企業承擔教學費用。有意參加培訓的學生先由企業招聘,再根據企業的要求,與企業共同組織通過筆試和面試的學生前期培訓。培訓從大三暑假開始到大四上學期,利用業余時間完成及時階段的技術培訓。期間學生具有雙重身份,既是西安郵電學院的學生,又是神州數碼的見習員工。在校內實習基地培訓經考核通過者將成為企業的見習工程師,進入第二階段,到企業校外實習基參加真實項目實習。參加項目兩個月后進行適崗度考核,通過后將成為神州數碼的正式員工。企業為不被錄用的學生出具見習表現證明,以便重新求職。被錄取者繼續參與企業開發項目,同時在企業完成畢業設計,在學校通過答辯,畢業后正式入職。
6吸收社會和企業資源參與實踐教學和培訓
目前教育體系下培養出來的學生雖然具備了比較扎實的基礎理論和一定的實踐能力,但在新技術、新工具的使用、企業真實環境下工作流程與管理模式的了解以及必備的職業素養等方面都存在一定的差距。因此,必須開放辦學,吸收社會資源和企業參與。例如,學校近年來與西安高新開發區、北京中關村軟件園的多家企業就軟件開發與測試人才的合作教育模式進行了探討,與企業合作開展各種面向就業的培訓,使學生盡快實現角色轉變,滿足企業的用人需求。由于企業的參與,學校不僅迅速接軌信息產業日新月異的發展變化,而且還獲得了企業捐助的大量硬件設備和軟件工具,改善了辦學條件。
計算機系將國家鼓勵發展的軟件和集成電路產業作為重點,針對企業需要進行課程開發,并設立培訓項目。大三下學期和大四上學期,學生在完成正常的培養方案中規定的課程外,利用業余時間在校內完成企業所提供的有關課程的培訓,采取請進來、走出去的方式,請企業經理和技術總監給學生上課,并且帶學生到企業體驗實際工作流程。其中有關團隊合作、職業素質、企業文化等培訓內容,直接由企業派有關人員來授課。培訓后,學生在企業由擁有豐富實踐經驗的工程技術人員指導下進行實際項目的開發工作,并在企業完成生產實習和畢業設計等教學環節。這些學生絕大部分都會被企業錄用成為企業的正式員工。
7探索并創新校企互利雙贏的合作教育模式
計算機系積極加強與企業的交流與溝通,與國內外多家不同性質和不同規模的企業建立了合作關系,探索出“3+1創新教育實驗班”、“與企業對接定制培養”、“企業參與以緊缺行業需求為目標的就業培訓”等多種校企合作方式。多種校企合作方式構建出計算機工程型人才培養的創新模式――校企互利雙贏的合作教育模式,這一模式不僅具有針對不同企業的靈活性和適應性,而且貫穿了不同方式所共有的核心內容,都是以本科教學為根基,以校內校外聯合實習雙基地為載體,以共同組織教學和管理為手段,以實現學生就業和企業招聘到合格員工為目標,最終實現校企雙贏。
與傳統教學不同,校企合作教育在教學方面注重提高學生的認識,強調發揮人的主觀能動性作用,變“要我學”為“我要學”,培養學生“思想過得硬、作風過得硬、技術過得硬”,力爭畢業生在激烈的市場競爭中立足。同時,為了提高學生動手能力和培養創新精神,開展了多種具有企業特點的實踐教學活動,采取以企業的真實項目作為教學案例,緊跟前沿技術,并以項目設計為學習小組,培養學生綜合應用所學知識的能力以及團隊協作能力,使學生具備“零適應期”的平穩就業。
8大膽改革創新實踐教學組織模式
在與企業的合作中,需要企業參與制定實訓課程、聯合組織教學和共同管理,組織對接培訓并開展就業服務。這些任務的開展逐漸顯現了原有實踐教學體系的不足,為滿足與企業合作的需要,計算機系在實踐教學的組織形式上尋求突破,建立了“西安郵電學院IT應用型人才實訓中心”。實訓中心的功能包括有窗口功能、實踐教學、教學改革、校企合作、就業服務、素質教育、教師培養等功能,實現了校企合作的管理、服務和保障。
實訓中心開展了各種就業實訓,成為學校通向社會的窗口和紐帶,開辟了學生過渡為職業人實現直接就業的新途徑,彌補了現行就業服務體系的不足,構成了校企合作對接雙贏的就業特色。實訓中心通過建立接近企業真實物理環境和管理環境的實驗室,在技術課程實訓的過程中,貫穿了職業員工素質養成教育,大學生綜合素質培養在本科教學中的缺失狀況在實訓中得以改善,凸顯了計算機工程型人才培養的職業化特色。
9結語
西郵計算機系在探討計算機工程型人才培養模式的實踐中,通過培養方案目標導向,建立動態教學機制,搭建校企合作平臺實踐教學基地,豐富實踐能力培養體系,創新實踐教學組織實現管理和保障,逐漸形成具有自身特點的校企互利雙贏的合作教育模式。四年來效果顯著,學校、企業、學生三方共贏。學生更是較大的受益者,不僅能夠充分運用所學知識,實實在在掌握與日后工作對接的本領,而且實現了人生價值轉換,對未來充滿信心,成為工作需要和企業搶手的人才。
計算機工程創新研究:計算機工程創新意識研究
1現狀及發展趨勢
大多數高等院校計算機本科專業涉及的硬件教學課程主要有“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統結構”、“微機原理與接口技術”、“單片機”、“嵌入式系統”等，在新形勢下部分課程內容設置顯得不夠合理，部分教學內容與實際應用脫節，影響了教學效果，無法滿足教學大綱中要求的動手能力培養，更無法有效培養同學們的創新意識。目前，作為計算機教學重要專業基礎課程的“數字邏輯”，要求學生掌握組合邏輯、時序邏輯電路的分析和設計方法，研究對象主要是分立元件、通用中小規模集成電路及基本的可編程器件等，介紹的方法也以傳統方法為主，已無法適應目前應用的需要；作為專業主干課程的“計算機組成原理”、“計算機系統結構”，主要內容是討論計算機的結構、各功能部件原理及設計方法，同時介紹當前的新技術、新方法，目的是讓同學們熟悉計算機的結構，為以后應用和設計計算機系統打下基礎。目前大家普遍采用的教材在部件設計中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設計方法：硬布線邏輯運行速度高，但缺乏靈活性；微程序設計方法有一定的靈活性，但資源占用多，運行速度慢。盡管這兩種方法對于理解計算機組成原理不失為一種較好的選擇，但由于缺乏實際應用背景，學生學習興趣受到影響，教學效果也大打折扣，提高學生的動手能力、培養創新意識更是無從談起。“匯編語言程序設計”課程也存在類似尷尬，討論以16位個人計算機為背景的匯編語言程序設計知識，適合入門和了解基本原理，但與“計算機組成原理”、“計算機系統結構”課程一樣，由于缺乏實際應用背景，教學目標無法實現。隨著電子設計自動化(EDA)、系統編程(ISP)、片上系統(SOC)等技術的發展，32位個人計算機的應用已很成熟，多核64位計算機應用也將逐步成為主流。嵌入式系統設計需要較強的軟硬件知識綜合應用能力，因此在計算機硬件課程的教學中應加大相關新技術的比例，并根據實際及時調整教學內容。國外許多知名高校本科專業的教學內容已經作了適時調整，如麻省理工學院非常注重學生的設計能力的培養，為此專門開設了“計算機系統設計”課程，要求學生在實踐環節中自主設計ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水線32位MipsCPU和Cache；斯坦福大學也有相似的課程和實驗環節；加州大學伯克利分校和楊百翰大學在基于可編程邏輯的超級計算機研制方面也有大量成果。當前在國內，案例教學已被越來越多的人所接受，尤其是在一些法學、工商管理類高校已經開始廣泛運用。案例教學法是一種動態的、開放的教學方法，目標是解決學生如何用更有效的方式獲得知識以提高應用能力的問題。案例教學法具有綜合性、交互性、啟發性、針對性和可操作性等多種特征，它的使用大大縮短了教學理論與實際應用之間的差距，同時對教師的教學觀念產生了重大的影響。鑒于計算機專業知識與實際應用結合緊密的特點，教學中尤其適合案例式教學。目前在國內計算機課程的教學中，案例教學還處于一個起步階段，主要表現在：案例教學比例不夠，沒有形成完整的體系；案例數量不足，質量欠缺；許多高校盡管重視案例教學的應用，但是在案例的搜集、整理與分析等方面相對滯后；案例陳舊，缺乏代表性等。
2以ISP技術為主線改革計算機專業硬件課程教學體系和教學內容
計算機本科專業涉及的硬件教學課程按合理教學順序一般為“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”、“計算機組成原理”、“計算機系統結構”、“微機原理與接口技術”、“單片機”、“嵌入式系統”等，一些課程可以在時間上重疊，如“數字邏輯”、“匯編語言程序設計”等。由于ISP、EDA技術可以靈活地開發出具有自主知識產權的硬件產品，是目前工程實踐領域和芯片設計領域運用最廣泛也是最有應用前景的技術，因此在計算機硬件課程的教學中應該把相關技術列為重要內容，即以ISP、SOC技術為主線，使相關課程形成一個完整的體系，達到培養創新性人才的目的。為了實現這一目標，在“數字邏輯”課程中，應大幅增加可編程邏輯技術的比重，重點討論用EDA方法，利用ISP技術、SOC技術設計IP核的方法，使學生對相關技術的應用及發展趨勢有一個的理解，并具備基本的實踐能力；在“計算機組成原理”課程中增加計算機設計原理和實踐的內容，也可考慮再單獨增加一門計算機設計課程以替代目前“計算機組成原理”課程設計，在該課程中重點討論如何采用EDA方法，利用ISP技術、SOC技術設計計算機各部件如CPU、Cache等，通過實際應用和實踐進一步加深對相關技術的理解和掌握。在“微機原理與接口技術”課程可以考慮以16位計算機應用知識入門，以討論32位計算機的應用為重點。相應的，作為“微機原理與接口技術”課程的先行課程，“匯編語言程序設計”課程也應把相應的內容整體提升到32位，考慮到學習過程的先易后難，可以先介紹16位匯編語言程序設計知識作為入門，再對32位匯編語言程序設計相關內容展開。單片機系統本質上也是嵌入式系統，嵌入式系統是針對應用或用戶定制的完整、高效的計算機系統，嵌入式系統設計需要較強的操作系統原理、應用程序設計和硬件設計方面知識的綜合應用能力，其中特別是硬件系統設計能力可以通過以上幾門硬件課程的系統學習逐步培養，因此相關課程的教學內容應注意銜接，同時遵循先易后難的原則，面向實際應用，以提高動手能力、增強創新意識為目的。針對實踐教學，目前相關課程的實驗教學的實驗項目及內容固定，大多為驗證性實驗，實驗步驟程式化，許多同學按教學實驗計劃做完實驗，仍然無法充分理解課程的主要內容，無法真正擁有教學大綱所要求的動手能力。更重要的是計算機技術一直處于高速發展中，高等院校的計算機教學理應不斷地適應這種要求，相關的實驗教學應適時地調整教學內容。解決問題的一個好思路是利用ISP、SOC技術開發出一種內容可定制的硬件課程教學實驗平臺，由于作為控制對象的外圍電路是相同或相近的，可以設計為通用模塊，而實驗平臺控制部分則可以利用可編程邏輯改變，以適應不同的課程。如控制部分設計為基本CPU即可做“計算機組成原理”課程的相關實驗；控制部分設計為單片機即可做“單片機”課程的相關實驗；甚至控制部分可以設計為個人計算機CPU，配合有關的接口電路，即可做“微機原理與接口技術”課程的相關實驗等。在我院的計算機本科專業相關硬件課程教學實踐中，我們已作出了一些有益的探索，如我院“數字邏輯”教學大綱已在近年作過相應調整，EDA技術、可編程技術的理論和實踐教學內容的比例從原來的20%增加到60%以上，經過多年的建設，“數字邏輯”課程在今年被評定為“湖北省精品課程”；在“計算機組成原理”課程中引入利用ISP技術設計CPU軟核等教學和實踐內容；“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術”課程中也增加了32位計算機相關內容的學習和討論，新的實驗設備可以進行32位的相關實驗等，這些安排增強了學生的學習興趣，學生學習的主動性也明顯提高了。
3采用案例教學法作為計算機專業硬件課程教學的主要方法
案例教學法是一種事半功倍的教學方法，在教學過程中圍繞事先精選的典型的、具有工程背景的實際案例進行討論，可以為同學們模擬實際應用的場景，獲得近似于實戰的經驗。為完成設計目標，同學們自然會自己主動學習，在這一過程中掌握知識，并學會應用知識，提高解決問題的能力；也能通過用不同的途徑解決問題，培養創新意識。這樣教師在授課中可以把精力集中于教學內容的總體把握上，而不需要過分在知識細節上消耗時間，提高了教學效率。案例教學法關鍵在于選擇合適的案例，案例首先必須有代表性和實時性，必須是實踐中的典型應用實例。在實踐中應用的幾率高，具有普遍意義，這樣的實例在教學過程中值得花費精力討論和設計，才是有意義的。同樣重要的是案例需具有實際工程背景，學生可以面對具體的實際問題和特定的環境，有針對性地通過自主學習和思考進行設計，培養實際解決問題的能力。案例還應該形成相對固定的案例集，并具備一定的開放性，應定期對案例集進行評估，剔除一些過時的案例，增加一些新的典型應用實例。這樣就保障了案例的典型性、實時性及工程背景。在教學實踐中，我們把案例教學法作為主要方法，并把案例分為4類：一是問題評論型，給出問題和解決問題的方案，讓學生去評價；二是分析實現型，不給出解決方案，要求學生討論分析以提出方案；三是實際模擬型，是指在教學過程中依據教學內容，讓學生分別充當不同的角色，進行模擬性的實踐活動；四是發展開放型，通過案例發現新的理論生長點，討論相關理論的發展趨勢。我院在相關課堂教學中采用的部分案例如表1所示。在“數字邏輯”、“計算機組成原理”等課程的重點章節教學中，我們通過采用上述案例法，調動學生成為積極參與者，而不是消極被動的聽眾，在案例學習和討論中，鼓勵學生提出更多解決問題的辦法，在課堂上營造出積極發表意見和爭論的氣氛。這樣提高了學生的學習興趣，教學效果有明顯改善，學生的動手能力有了顯著增強。
4總結
為實現面向實際應用提高學生動手能力、增強創新意識、培養創新型人才、確定完整合理的計算機本科專業硬件理論教學和實踐教學體系的目的，我們提出了以ISP技術為主線的計算機專業硬件課程教學改革方案。它的主要內容為兩方面：一是調整現有教學體系和教學內容，如在“數字邏輯”、“計算機組成原理和系統結構”、“嵌入式系統設計”等課程中以“數字邏輯”課程為先導，以ISP、SOC技術為主線貫穿于各相關課程教學過程中；在“匯編語言程序設計”、“微機原理與接口技術”等課程中把主要內容提升到32位等。二是在教學中運用案例法，使學生成為教學活動的主體，形成學生自主學習、合作學習、研究性學習和探索性學習的開放型學習氛圍。充分發揮案例教學有利于提高學生分析問題和解決實際問題的能力、有利于促使學生學會學習、有利于促使學生學會溝通與合作的優勢。實踐表明以ISP技術為主線的計算機專業硬件課程教學改革，符合國家高等質量工程建設中培養創新性人才的規劃，有效地增強了學生的動手能力和創新意識。我們也意識到計算機工程教學是一個復雜的過程，牽涉到許多方面，我們將在實踐中探索教學規律，不斷提高教學水平，進一步改善教學效果。
