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计算机工程创新研究:完善示范中心平台建设,培养计算机工程创新人才
作者简介：周世杰，男，副教授，研究方向为分布式计算、信息安全和RFID；秦志光，男，教授，博士生导师，研究方向为信息安全；邢建川，男，副教授，研究方向为分布式计算、集群系统、Petri网建模与分析、工作流管理等。
摘 要：从分析部级计算机实验教学示范中心的任务入手，提出示范中心平台应包括计算机实验中心和具有学校特色的工程实践平台两个部分。介绍电子科技大学部级计算机实验教学示范中心平台建设的实践工作，并对具有显著特色的建设竞赛中心、学生创新创业中心、软件工程技术中心和IBM大型主机技术中心等进行了详细阐述。
关键词：示范中心；实验平台；创新人才培养
1 研究背景
计算机实验中心往往被视为理论教学的补充，是学生完成理论验证的环境或开展验证性实验的平台。因此，它往往是扁平化的组织结构：实验中心包括若干实验指导小组，每个小组由一位或多位实验指导教师构成，每位实验指导教师分别负责一门或多门实验课程[1]。在这种扁平化结构之下，实验中心的任务当然主要是满足实验教学的需要。
但是，随着社会对计算机专业人才需求的变化，实验中心在培养工程创新人才方面的作用愈加明显。部级计算机实验教学示范中心的建设目标，是以计算机科学与技术学科建设为基础，以学生能力培养为核心，依托教学和科研的人才资源优势，提升实验教学体系，建设实验教学环境，使中心成为设备先进、资源共享、开放管理，满足本科、研究生、专业和非专业不同对象、层次实验需求的大型实践教学基地和工程创新人才的培养基地[2]。
因此，作为部级的计算机实验教学示范中心，除了完成基本的计算机公共基础实验和计算机专业实验之外，也承担着培养计算机工程创新人才的任务。探索部级计算机实验教学示范中心的新型组织架构，对于发挥示范中心在计算机工程创新人才方面的作用极为重要[3]。
2 部级计算机实验教学示范中心平台构成
从部级计算机实验教学示范中心的基本任务来看，主要包括两个部分：计算机基础实验和专业实验教学任务及学生工程创新能力培养[4]。因此，从组织结构来看，部级计算机实验教学示范中心应该包括计算机实验中心和具有工程创新人才培养功能的工程实践平台。图1为示范中心的平台架构。
1) 计算机实验中心。
计算机实验中心除完成基本的实践教学任务之外，也必须注重学生工程实践能力的培养。因此，实验中心不能简单地按照“实验指导教师―实验课程”的模式来建设，而应该以专业实验室的方式来管理。专业实验室可以按照课程或课程群来组建，基本任务是以教学大纲为基础，完成多层次实验的教学任务，如基本型实验、综合型实验和设计型实验的指导。
以电子科技大学部级计算机实验教学示范中心为例，其下设的计算机实验中心主要由下属的13个专业实验室(嵌入式系统专业实验室、软件工程专业实验室、计算机网络专业实验室、数字媒体专业实验室、信息及网络安全专业实验室、微机原理与接口及应用实验室、计算机组成原理实验室、语言与算法设计实验室、数据库及应用实验室、计算机系统结构实验室、编译与形式语言实验室、数字逻辑实验室、计算机操作系统实验室等)组成。专业实验室涉及的实验课程包含程序设计语言、离散数学建模实验、数据库、数据结构、操作系统、汇编语言、计算机组成原理、数字逻辑、编译技术、微机原理与接口、嵌入式系统、计算机网络、软件工程、数据挖掘等几十门计算机学科的主要专业知识课程教学实验以及相应的综合课程设计(独立设课)。各专业实验室承担基础型、综合型和创新型实验的建设、开发和指导工作。
(1) 基础实验。指应知应会等原理性实验，提高学生对原理、算法的理解和设计能力。基础实验的目的是加强学生对理论知识的理解，多以验证性实验为主。
(2) 综合型实验。要求学生结合一门课程的多个知识点，甚至综合多门相关课程，完成一个较为复杂的实验任务，难度较大。在这种实验中，学生要具有多方面的知识，即巩固前面实验阶段的学习成果，能够融合实验原理、设计思想、实验方法及相关的理论知识，对实验结果进行判断、归纳与分析，能综合应用所学理论知识分析问题和解决问题。
(3) 创新型实验。为开放式教学方式，由学生独立或与指导教师共同拟定设计题目和设计目标，并独立完成，难度大，具有探索性、创新性。该类实验注重科研成果向实验教学内容的转化，让学生在实验教学中感受知识产生和发展的过程，享受知识转化为能力的成就感。同时培养学生的自主学习和实践研究的能力，使学生的创新意识和创新能力得到的锻炼与提高。
通过专业实验室的方式组织和管理实验教学，有助于拓展实验教学的范围，提高实验质量，为培养学生工程实践能力提供支持。
2) 工程实践平台。
工程实践平台以提高本科生的工程实践能力、创新能力和综合素质为目标。因此必须建立在专业实验室的基础之上，整合科研重点实验室、科研项目、科研成果等，形成有利于学生工程能力提高的环境。一般来说，工程实践平台采用工程实践项目方式指导学生开展课外科技创新活动，利用社会资源，将理论、实验、实习、工程、科研、设计、创新有机结合起来。同时，内容应丰富多彩，为学生提供丰富的实验项目菜单，供不同层次、不同爱好的学生选择。
以下以我校部级计算机实验教学示范中心的工程实践平台为例，讨论建设工程实践平台的重要性。
(1) 学生创新创业中心。
学生创新创业中心是我校部级计算机实验教学示范中心为学生进行创新创业活动，促进学生综合素质发展而设立的机构。自成立以来，中心受到学校、学院的一贯支持和关注，奉行“理论与实践结合，创新与创业并重”的理念，以“加强创新能力实践，实现创新人才培养”为宗旨及目标，努力提高每一个成员的创新意识和创造能力，培养学生的务实开拓精神和创业精神，锻造适应未来各种挑战的应变能力。它的组织架构如图2所示。
学生创新创业中心下属4个企业技术俱乐部(微软技术俱乐部、IBM技术俱乐部、腾讯技术俱乐部、维塔士俱乐部)和12个学生工作室，先后资助学生创新项目数百项，已有梦飞无线工作室、象牙塔工作室等多个学生团队实现创业或入驻成都天府软件园大学生创业园区。
(2) 竞赛中心。
竞赛中心的任务主要包括三个方面：竞赛培训、竞赛指导、竞赛承办。以我校示范中心为例，其竞赛中心的组织架构包括竞赛中心培训部、竞赛中心指导委员会和竞赛中心学生会。竞赛中心培训部下设ACM、信息安全、机器人、电子设计竞赛等几个分支，每个分支有领头老师带队。培训部有日常开支活动经费，主要作用是着力加强各竞赛方向的重视力度。竞赛中心指导委员会设主席1名，副主席7名，主席由主管副院长兼任，副主席由各系主任兼任。竞赛中心指导委员会的作用主要是发动教师参与竞赛指导工作。竞赛中心学生会设主席1名，副主席若干名，主要作用是两个，一方面与竞赛中心指导委员会的老师进行对接，另一方面在平时组织一些活动，培养学生对竞赛的兴趣。
竞赛中心的任务包括ACM程序设计竞赛、电子设计(嵌入式)竞赛、信息安全竞赛、机器人足球竞赛4个赛事的竞赛组织工作。在学校及学院的支持下，示范中心负责实施了全校性质的竞赛相关素质公选课，将学生竞赛培养纳入到本科培养大纲中。由竞赛团队责任老师担任主讲教师，以初级、中级和高级3个层次设计竞赛培训课程内容，为学生参与各类赛事奠定了良好的基础。近年来，竞赛中心负责组织了全国大学生电子设计竞赛及信息安全和嵌入式专题竞赛、全国大学生信息安全竞赛等各类全国性大赛，并获得佳绩。
(3) IBM中心。
我校部级计算机实验教学示范中心下属IBM中心的目标是培养大型机计算机专业人才。IBM主机系统教育中心成立于2005年5月，顺利进行了IBM eServer Z900主机系统环境建设和主机系统安装调试，使我校拥有了世界的主机系统教学实验平台。该平台可以提供主机系统课程的教学实验环境，并可作为高性能计算、计算智能、系统性能评价、智能存储、并行耦合系统等方面的研究实验平台。2006年，中心组队参加了“IBM大型主机技术2006校园应用大赛”， 蓝色之星队一举夺得该次全国大赛的较高奖项――作品奖，蓝色之星Ⅱ队勇夺优胜奖！此外，还获得了指导奖和表现奖，成绩名列全国各参赛高校之首。IBM主机系统教育中心(成都)在各方面取得的成就得到了IBM公司的高度赞赏和奖励，先后获得了“IBM主机大学合作项目2006年度教书育人奖”和“IBM大学合作项目2006年度校方支持与合作奖”。
(4) 嵌入式工程中心。
嵌入式软件工程中心将所承担的国家863、电子发展基金、发改委、国防预研等多项部级嵌入式软件项目及成果转化为实验教学资源。针对嵌入式系统硬件多样性的特点，提供多种不同硬件平台的实验系统版本，让学生能够充分领略不同硬件平台开发的共性和差异性，加深对理论的理解，更加有针对性地学习掌握重难点知识。在此基础上，衍生出了高级实验内容：将嵌入式操作系统移植到不同硬件平台上。
另外，嵌入式系统软件开发涉及从底层硬件、设备驱动、操作系统、应用组件到最终应用的不同层次内容，这是与传统桌面软件开发的主要差别所在，因此业界对嵌入式软件开发人才的需求是多层次的，有不同侧重点的。一个的嵌入式软件工程师不仅要掌握编程语言、程序设计思想及方法、开发工具的使用等通用要求，还应比桌面软件开发工程师具有更扎实的硬件基础知识和系统结构知识，也间接提高了嵌入式软件开发的门槛。基于这样的考虑，实验内容涵盖了嵌入式微处理器编程、设备驱动开发、嵌入式操作系统基础应用、嵌入式操作系统综合应用、嵌入式操作系统移植、综合应用开发等不同层次和难度的实验项目，适应不同层次嵌入式知识学习和软件开发能力培养的需要。这些实验不是一次性地要求学生做，而是配合不同课程内容的变化，由简到难、逐步推进，配合本科嵌入式课程、综合课程设计、毕业设计、科研项目使用。
3 示范中心平台建设的建议
1) 加强示范中心平台的信息化建设。
虽然各个学校的计算机教学实验示范中心会有不同的功能定位，但基本任务都是为全校计算机基础和专业教学服务。与传统的计算机实验中心相比，其规模大、人员多，且可供使用的实验资源丰富。因此，必须加强示范中心平台的信息化建设，提高示范中心平台的管理效率，实现示范中心资源贡献，并实现对学生实验教学科学、合理的管理[5]。例如，如果能够开发并应用“实验报告防抄袭系统”，不仅可以实现对学生实验报告的无纸化管理，节约成本，也可以加强实验中心平台的利用和有效管理。而示范中心统一信息化管理平台不仅可以整合实验中心资源，也可以提高示范中心资源在高校之间的共享效率。
2) 结合计算机学科发展，建设新的工程实践平台。
计算机学科的发展会对实验教学和学生工程实践能力提出新的要求。为此，示范中心平台建设也必须满足计算机科学发展的需要，不断更新或建设新的工程实践平台[6]。以我校部级计算机实验教学示范中心为例，考虑到近几年计算机学科中云计算的发展，示范中心投入30余万元，购置了云计算平台，成立了云计算机实验室，培养学生在云计算领域的创新能力，并负责组织学生参加各类云计算竞赛。目前，该实验室已形成了定期学术讲座，邀请企业人员参与讨论，参与VMware云计算大赛等常规机制，加强学生创新能力的培养。同样，考虑到计算机学科中机器人应用的广泛性，示范中心投入20余万元，购置了安保机器人以及各类机器人开发平台，并成立了机器人实验室，培养学生在机器人领域的创新能力，并负责组织学生参加各类机器人竞赛。
此外，考虑到信息安全、物联网的发展，也可以在示范中心中建设相应的工程实践平台，为学生参与相关工程实践提供环境。
3) 积极开展产学研合作，成立校企联合工程实践平台。
计算机专业具有非常强的工程应用特色。因此，计算机专业所培养的学生必须满足企业的需要。在搭建工程实践平台时，示范中心如果能够充分结合企业的需要，建设校企联合工程实践平台(如校企联合实验室、校企工程训练中心或实践中心等)，将有助于培养学生的计算机应用能力，从而更好地满足企业需要。
4 结语
作为部级计算机实验教学示范中心，在满足基本实践教学任务的基础上，还必须承担培养学生工程实践能力的任务。其中，搭建符合需要的实践平台是开展工程实践教学的基础。作为示范中心平台的重要组成部分之一，计算机实验中心在实践教学和培养学生基本技能中发挥了极大作用。同样，建设符合高校计算机学科特色和人才培养目标的工程实践平台，将有助于培养学生的工程创新能力。因此，国家必须加大对示范中心建设的投入，建设满足学科需要和发展的高水平示范中心平台，使示范中心在培养高素质计算机工程创新人才中发挥更大的作用。
计算机工程创新研究:计算机工程专业创新人才培养模式的探索与实践
摘要:本文分析计算机工程专业课程教学中存在的主要问题,围绕如何面向实际应用、调动学生学习兴趣、改善教学方法以及实验内容和方法的创新等教学中的关键因素进行了研究,提出行之有效的提高教学质量的方法,即以ISP技术为主线改革计算机专业硬件课程教学体系和教学内容;采用案例教学法作为计算机专业硬件课程教学的主要方法。实践表明这些探索与实践在提高学生的动手能力、增强创新意识以适应新形势下培养创新性人才方面取得较好的效果。
关键词:ISP技术;课程体系;质量工程;创新意识;案例教学法
随着计算机及相关技术的快速发展,新技术与方法已在工程实践中广泛应用,但目前许多高等院校计算机硬件课程的教学内容与实际脱节,教学体系设置和教学方法无法满足培养创新型人才的要求。在我国高校计算机相关专业学生的培养中,普遍存在重视计算机软件方面知识的学习和培养,忽视对计算机硬件方面知识的学习和实践,特别是在硬件工程方面,学生得到的训练更少,培养学生的实际能力更无从谈起;尽管目前许多硬件课程的设置与欧美等计算机技术发达国家的课程设置接近,但教学知识体系、内容及教学方法等有许多需要斟酌的地方,教学内容无法适应时代的需求,有些与现实严重脱离,学生的学习积极性不高,学习效果不好。
目前正在高校实施的高等教育质量工程,重点在于提高学生的动手能力、增强创新意识,为我国转变为创新性国家打下基础。为了实现这一目标,有必要对高等教育课程的教学内容和教学方法进行改革,以适应新形势下培养创新性人才的需要。由于计算机领域发展迅速,各种新技术和方法不断涌现,计算机专业的教学内容及教学方法更应不断地调整和更新。
1现状及发展趋势
大多数高等院校计算机本科专业涉及的硬件教学课程主要有“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、“计算机组成原理”、“计算机系统结构”、“微机原理与接口技术”、“单片机”、“嵌入式系统”等,在新形势下部分课程内容设置显得不够合理,部分教学内容与实际应用脱节,影响了教学效果,无法满足教学大纲中要求的动手能力培养,更无法有效培养同学们的创新意识。
目前,作为计算机教学重要专业基础课程的“数字逻辑”,要求学生掌握组合逻辑、时序逻辑电路的分析和设计方法,研究对象主要是分立元件、通用中小规模集成电路及基本的可编程器件等,介绍的方法也以传统方法为主,已无法适应目前应用的需要;作为专业主干课程的“计算机组成原理”、“计算机系统结构”,主要内容是讨论计算机的结构、各功能部件原理及设计方法,同时介绍当前的新技术、新方法,目的是让同学们熟悉计算机的结构,为以后应用和设计计算机系统打下基础。目前大家普遍采用的教材在部件设计中讨论的方法主要是硬布线逻辑或微程序设计方法:硬布线逻辑运行速度高,但缺乏灵活性;微程序设计方法有一定的灵活性,但资源占用多,运行速度慢。尽管这两种方法对于理解计算机组成原理不失为一种较好的选择,但由于缺乏实际应用背景,学生学习兴趣受到影响,教学效果也大打折扣,提高学生的动手能力、培养创新意识更是无从谈起。“汇编语言程序设计”课程也存在类似尴尬,讨论以16位个人计算机为背景的汇编语言程序设计知识,适合入门和了解基本原理,但与“计算机组成原理”、“计算机系统结构”课程一样,由于缺乏实际应用背景,教学目标无法实现。
随着电子设计自动化(EDA)、系统编程(ISP)、片上系统(SOC)等技术的发展,32位个人计算机的应用已很成熟,多核64位计算机应用也将逐步成为主流。嵌入式系统设计需要较强的软硬件知识综合应用能力,因此在计算机硬件课程的教学中应加大相关新技术的比例,并根据实际及时调整教学内容。国外许多知名高校本科专业的教学内容已经作了适时调整,如麻省理工学院非常注重学生的设计能力的培养,为此专门开设了“计算机系统设计”课程,要求学生在实践环节中自主设计ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水线32位Mips CPU和Cache;斯坦福大学也有相似的课程和实验环节;加州大学伯克利分校和杨百翰大学在基于可编程逻辑的超级计算机研制方面也有大量成果。
当前在国内,案例教学已被越来越多的人所接受,尤其是在一些法学、工商管理类高校已经开始广泛运用。案例教学法是一种动态的、开放的教学方法,目标是解决学生如何用更有效的方式获得知识以提高应用能力的问题。案例教学法具有综合性、交互性、启发性、针对性和可操作性等多种特征,它的使用大大缩短了教学理论与实际应用之间的差距,同时对教师的教学观念产生了重大的影响。鉴于计算机专业知识与实际应用结合紧密的特点,教学中尤其适合案例式教学。目前在国内计算机课程的教学中,案例教学还处于一个起步阶段,主要表现在:案例教学比例不够,没有形成完整的体系;案例数量不足,质量欠缺;许多高校尽管重视案例教学的应用,但是在案例的搜集、整理与分析等方面相对滞后;案例陈旧,缺乏代表性等。
2以ISP技术为主线改革计算机专业硬件课程教学体系和教学内容
计算机本科专业涉及的硬件教学课程按合理教学顺序一般为“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、“计算机组成原理”、“计算机系统结构”、“微机原理与接口技术”、“单片机”、“嵌入式系统”等,一些课程可以在时间上重叠,如“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”等。
由于ISP、EDA技术可以灵活地开发出具有自主知识产权的硬件产品,是目前工程实践领域和芯片设计领域运用最广泛也是最有应用前景的技术,因此在计算机硬件课程的教学中应该把相关技术列为重要内容,即以ISP、SOC技术为主线,使相关课程形成一个完整的体系,达到培养创新性人才的目的。
为了实现这一目标,在“数字逻辑”课程中,应大幅增加可编程逻辑技术的比重,重点讨论用EDA方法,利用ISP技术、SOC技术设计IP核的方法,使学生对相关技术的应用及发展趋势有一个的理解,并具备基本的实践能力;在“计算机组成原理”课程中增加计算机设计原理和实践的内容,也可考虑再单独增加一门计算机设计课程以替代目前“计算机组成原理”课程设计,在该课程中重点讨论如何采用EDA方法,利用ISP技术、SOC技术设计计算机各部件如CPU、Cache等,通过实际应用和实践进一步加深对相关技术的理解和掌握。
在“微机原理与接口技术”课程可以考虑以16位计算机应用知识入门,以讨论32位计算机的应用为重点。相应的,作为“微机原理与接口技术”课程的先行课程,“汇编语言程序设计”课程也应把相应的内容整体提升到32位,考虑到学习过程的先易后难,可以先介绍16位汇编语言程序设计知识作为入门,再对32位汇编语言程序设计相关内容展开。
单片机系统本质上也是嵌入式系统,嵌入式系统是针对应用或用户定制的完整、高效的计算机系统,嵌入式系统设计需要较强的操作系统原理、应用程序设计和硬件设计方面知识的综合应用能力,其中特别是硬件系统设计能力可以通过以上几门硬件课程的系统学习逐步培养,因此相关课程的教学内容应注意衔接,同时遵循先易后难的原则,面向实际应用,以提高动手能力、增强创新意识为目的。
针对实践教学,目前相关课程的实验教学的实验项目及内容固定,大多为验证性实验,实验步骤程式化,许多同学按教学实验计划做完实验,仍然无法充分理解课程的主要内容,无法真正拥有教学大纲所要求的动手能力。更重要的是计算机技术一直处于高速发展中,高等院校的计算机教学理应不断地适应这种要求,相关的实验教学应适时地调整教学内容。解决问题的一个好思路是利用ISP、SOC技术开发出一种内容可定制的硬件课程教学实验平台,由于作为控制对象的外围电路是相同或相近的,可以设计为通用模块,而实验平台控制部分则可以利用可编程逻辑改变,以适应不同的课程。如控制部分设计为基本CPU即可做“计算机组成原理”课程的相关实验;控制部分设计为单片机即可做“单片机”课程的相关实验;甚至控制部分可以设计为个人计算机CPU,配合有关的接口电路,即可做“微机原理与接口技术”课程的相关实验等。
在我院的计算机本科专业相关硬件课程教学实践中,我们已作出了一些有益的探索,如我院“数字逻辑”教学大纲已在近年作过相应调整,EDA技术、可编程技术的理论和实践教学内容的比例从原来的20%增加到60%以上,经过多年的建设,“数字逻辑”课程在今年被评定为“湖北省精品课程”;在“计算机组成原理”课程中引入利用ISP技术设计CPU软核等教学和实践内容;“汇编语言程序设计”、“微机原理与接口技术”课程中也增加了32位计算机相关内容的学习和讨论,新的实验设备可以进行32位的相关实验等,这些安排增强了学生的学习兴趣,学生学习的主动性也明显提高了。
3采用案例教学法作为计算机专业硬件课程教学的主要方法
案例教学法是一种事半功倍的教学方法,在教学过程中围绕事先精选的典型的、具有工程背景的实际案例进行讨论,可以为同学们模拟实际应用的场景,获得近似于实战的经验。为完成设计目标,同学们自然会自己主动学习,在这一过程中掌握知识,并学会应用知识,提高解决问题的能力;也能通过用不同的途径解决问题,培养创新意识。这样教师在授课中可以把精力集中于教学内容的总体把握上,而不需要过分在知识细节上消耗时间,提高了教学效率。
案例教学法关键在于选择合适的案例,案例首先必须有代表性和实时性,必须是实践中的典型应用实例。在实践中应用的几率高,具有普遍意义,这样的实例在教学过程中值得花费精力讨论和设计,才是有意义的。同样重要的是案例需具有实际工程背景,学生可以面对具体的实际问题和特定的环境,有针对性地通过自主学习和思考进行设计,培养实际解决问题的能力。
案例还应该形成相对固定的案例集,并具备一定的开放性,应定期对案例集进行评估,剔除一些过时的案例,增加一些新的典型应用实例。这样就保障了案例的典型性、实时性及工程背景。
在教学实践中,我们把案例教学法作为主要方法,并把案例分为4类:一是问题评论型,给出问题和解决问题的方案,让学生去评价;二是分析实现型,不给出解决方案,要求学生讨论分析以提出方案;三是实际模拟型,是指在教学过程中依据教学内容,让学生分别充当不同的角色,进行模拟性的实践活动;四是发展开放型,通过案例发现新的理论生长点,讨论相关理论的发展趋势。我院在相关课堂教学中采用的部分案例如表1所示。
在“数字逻辑”、“计算机组成原理”等课程的重点章节教学中,我们通过采用上述案例法,调动学生成为积极参与者,而不是消极被动的听众,在案例学习和讨论中,鼓励学生提出更多解决问题的办法,在课堂上营造出积极发表意见和争论的气氛。这样提高了学生的学习兴趣,教学效果有明显改善,学生的动手能力有了显著增强。教学改革后前后数据比较如表2所示。
4总结
为实现面向实际应用提高学生动手能力、增强创新意识、培养创新型人才、确定完整合理的计算机本科专业硬件理论教学和实践教学体系的目的,我们提出了以ISP技术为主线的计算机专业硬件课程教学改革方案。它的主要内容为两方面:一是调整现有教学体系和教学内容,如在“数字逻辑”、“计算机组成原理和系统结构”、“嵌入式系统设计”等课程中以“数字逻辑”课程为先导,以ISP、SOC技术为主线贯穿于各相关课程教学过程中;在“汇编语言程序设计”、“微机原理与接口技术”等课程中把主要内容提升到32位等。二是在教学中运用案例法,使学生成为教学活动的主体,形成学生自主学习、合作学习、研究性学习和探索性学习的开放型学习氛围。充分发挥案例教学有利于提高学生分析问题和解决实际问题的能力、有利于促使学生学会学习、有利于促使学生学会沟通与合作的优势。
实践表明以ISP技术为主线的计算机专业硬件课程教学改革,符合国家高等质量工程建设中培养创新性人才的规划,有效地增强了学生的动手能力和创新意识。我们也意识到计算机工程教学是一个复杂的过程,牵涉到许多方面,我们将在实践中探索教学规律,不断提高教学水平,进一步改善教学效果。
计算机工程创新研究:计算机工程型人才培养模式的创新与实践
摘要:随着信息技术的快速发展和国民经济结构的战略性调整,本科高校计算机工程型人才培养必须面向市场和社会办学,通过与企业的紧密合作,探索并创新校企合作教育模式。合作教育模式是以本科教学为根基,以校企合作共建实践教学基地为载体,以共同组织教学和管理为手段,以实现学生就业和企业招聘到合格员工为目标,最终实现校企双赢。
关键词:计算机工程;校企合作;人才培养模式
1引言
近年来,我国各计算机专业院校为社会培养了大量的本科毕业生,但所培养的学生在知识、能力、素质方面和社会目标需求存在一定差距,人才培养目标与市场需求之间严重失衡,出现了结构性就业困难。原因在于我们的计算机专业在培养方案的制定与实施过程中跟不上信息技术的飞速发展,而传统的教学模式一时又难于改变,实践教学和创新能力培养严重滞后。西安邮电学院计算机系在当前金融海啸严重影响的形势下,仍然保持了往年一样较高的就业率,得益于连续四年的艰苦探索,特别是在构建适应社会需要的计算机工程型人才,创新校企互利双赢的合作教育模式方面所进行的尝试。
2坚持培养目标与企业需求相统一的人才培养方案
符合计算机工程型人才培养的教育理念和教学指导思想是:传授知识、培养能力和提高素质协调发展,注重对学生探索精神、科学思维、实践能力和创新能力的培养。计算机工程应用型本科人才的培养目标应该是:能够满足新兴技术发展的需要,具有扎实的基础理论知识和较高的综合素质、具有较强的实践能力和适应性、具备解决工程实际问题能力的现场工程师。计算机工程应用型本科人才融合了传统本科的基础知识宽厚、综合素质较高、具有可持续发展潜力,以及面向生产、建设、服务、管理及时线的实际应用能力。
重视基础理论的教学,拓宽学生的知识面,加强专业课程教学内容的应用性部分,把应用性环节渗透到教学的全过程,强化学生动手能力和应用能力的培养,突出理论教学与实践应用的相互渗透和融合,坚持工程科学教育与工程实践训练并重,通过产、学、研结合,逐步建立起科学合理的计算机工程型本科人才的课程体系和培养方案。
3面向市场建立以需求为导向的动态教学机制
计算机工程应用型人才培养必须以社会需求为导向,高度重视学生实践能力培养。西邮计算机系根据企业需求,采取了灵活弹性的专业选修课设置、考核与管理模式,加大了各专业培养方案中集中实践环节,包括课内实验、课程设计、认识实习、生产实习以及毕业设计等实践环节,都制定了严格规范的指导书或实施细则。为了加强与企业的联系与沟通,计算机系与西安高新开发区、北京中关村软件园、深圳市软件园建立了长期稳定的合作关系,成为园区的人才培养基地。通过与园区中大量企业的合作,根据来自企业的需求信息,及时对培养方案进行充实调整。如企业对学生的语言交流能力、团队合作能力等有一定要求,就以选修课的形式开出“IT职业规划与职业化塑造”课程,聘请企业人力资源经理、项目经理到校为学生授课。这些调整和合作得到了企业的认可与支持,取得了很好的效果。
2007年,计算机系与广州周立功单片机发展有限公司成立了“周立功3+1创新教育实验班”,前三年按照学校的教学计划培养,大四第四学年学习企业的课程,学校通过课程置换,承认学生所获得的学分,毕业后到企业任职,大多数同学获得了高新聘用,许多同学毕业后都成为公司的核心骨干。
4建立多位一体的学生实践能力培养体系
知识、能力和素质是工程应用型人才必须具备的三大要素,而能力和素质的培养只有通过大量的实践活动来实现。除了加强传统实践教学环节的组织管理和质量保障外,计算机系积极开展了实验室开放工作。各个实验室在完成正常课内实验、课程设计以及毕业设计等任务的同时,全天为学生开放。每门课程都开发了供学生在开放实验中选做的综合性设计性实验项目,既解决了正常课内实验学时不足的问题,又为学生综合使用所学知识创造性地开展实验研究工作提供了条件。
计算机系还成立了十余个课外科技活动兴趣小组,由实验室承担学生的课外科技活动的组织与管理工作,主要有“嵌入式系统兴趣小组”、“FPGA兴趣小组”、“多媒体制作兴趣小组”、“网页制作及组网兴趣小组”、“计算机应用系统设计兴趣小组”等。一个兴趣小组常常出现数百学生报名的可喜景象。近年来,学生课外科技活动项目在陕西省电子竞赛、全国大学生电子竞赛、“挑战杯”以及各类企业或行业比赛中获得了的成绩。多位一体的学生实践能力培养体系为提高学生的能力和素质起到了不可估量的作用。积极参加开放实验或科技活动,学生的实践动手能力得到了用人单位的好评和肯定。
5与企业共建校企合作双赢实践教学基地
计算机系特别重视与企业建立校内外实习基地,在实习基地的建设上,采取了内外结合、校企互动、订制培养、就业对接的方式:同一家企业,既在校内建立实习基地,又是学院的校外实习基地,校内校外功能对接,互为补充;校企双方共同参与管理,各有所侧重;实习实训和课程内容根据企业用人要求设置和调整,校外实习是校内实训的衔接和延续;最终实习考核的结果以在企业就业为目标,以胜任企业要求成为合格的职业人为检验。
以双基地合作伙伴北京神州数码融信软件公司为例,双方的合作关系为:校内实习基地由学院提供实验设施和场地,企业承担教学费用。有意参加培训的学生先由企业招聘,再根据企业的要求,与企业共同组织通过笔试和面试的学生前期培训。培训从大三暑假开始到大四上学期,利用业余时间完成及时阶段的技术培训。期间学生具有双重身份,既是西安邮电学院的学生,又是神州数码的见习员工。在校内实习基地培训经考核通过者将成为企业的见习工程师,进入第二阶段,到企业校外实习基参加真实项目实习。参加项目两个月后进行适岗度考核,通过后将成为神州数码的正式员工。企业为不被录用的学生出具见习表现证明,以便重新求职。被录取者继续参与企业开发项目,同时在企业完成毕业设计,在学校通过答辩,毕业后正式入职。
6吸收社会和企业资源参与实践教学和培训
目前教育体系下培养出来的学生虽然具备了比较扎实的基础理论和一定的实践能力,但在新技术、新工具的使用、企业真实环境下工作流程与管理模式的了解以及必备的职业素养等方面都存在一定的差距。因此,必须开放办学,吸收社会资源和企业参与。例如,学校近年来与西安高新开发区、北京中关村软件园的多家企业就软件开发与测试人才的合作教育模式进行了探讨,与企业合作开展各种面向就业的培训,使学生尽快实现角色转变,满足企业的用人需求。由于企业的参与,学校不仅迅速接轨信息产业日新月异的发展变化,而且还获得了企业捐助的大量硬件设备和软件工具,改善了办学条件。
计算机系将国家鼓励发展的软件和集成电路产业作为重点,针对企业需要进行课程开发,并设立培训项目。大三下学期和大四上学期,学生在完成正常的培养方案中规定的课程外,利用业余时间在校内完成企业所提供的有关课程的培训,采取请进来、走出去的方式,请企业经理和技术总监给学生上课,并且带学生到企业体验实际工作流程。其中有关团队合作、职业素质、企业文化等培训内容,直接由企业派有关人员来授课。培训后,学生在企业由拥有丰富实践经验的工程技术人员指导下进行实际项目的开发工作,并在企业完成生产实习和毕业设计等教学环节。这些学生绝大部分都会被企业录用成为企业的正式员工。
7探索并创新校企互利双赢的合作教育模式
计算机系积极加强与企业的交流与沟通,与国内外多家不同性质和不同规模的企业建立了合作关系,探索出“3+1创新教育实验班”、“与企业对接定制培养”、“企业参与以紧缺行业需求为目标的就业培训”等多种校企合作方式。多种校企合作方式构建出计算机工程型人才培养的创新模式――校企互利双赢的合作教育模式,这一模式不仅具有针对不同企业的灵活性和适应性,而且贯穿了不同方式所共有的核心内容,都是以本科教学为根基,以校内校外联合实习双基地为载体,以共同组织教学和管理为手段,以实现学生就业和企业招聘到合格员工为目标,最终实现校企双赢。
与传统教学不同,校企合作教育在教学方面注重提高学生的认识,强调发挥人的主观能动性作用,变“要我学”为“我要学”,培养学生“思想过得硬、作风过得硬、技术过得硬”,力争毕业生在激烈的市场竞争中立足。同时,为了提高学生动手能力和培养创新精神,开展了多种具有企业特点的实践教学活动,采取以企业的真实项目作为教学案例,紧跟前沿技术,并以项目设计为学习小组,培养学生综合应用所学知识的能力以及团队协作能力,使学生具备“零适应期”的平稳就业。
8大胆改革创新实践教学组织模式
在与企业的合作中,需要企业参与制定实训课程、联合组织教学和共同管理,组织对接培训并开展就业服务。这些任务的开展逐渐显现了原有实践教学体系的不足,为满足与企业合作的需要,计算机系在实践教学的组织形式上寻求突破,建立了“西安邮电学院IT应用型人才实训中心”。实训中心的功能包括有窗口功能、实践教学、教学改革、校企合作、就业服务、素质教育、教师培养等功能,实现了校企合作的管理、服务和保障。
实训中心开展了各种就业实训,成为学校通向社会的窗口和纽带,开辟了学生过渡为职业人实现直接就业的新途径,弥补了现行就业服务体系的不足,构成了校企合作对接双赢的就业特色。实训中心通过建立接近企业真实物理环境和管理环境的实验室,在技术课程实训的过程中,贯穿了职业员工素质养成教育,大学生综合素质培养在本科教学中的缺失状况在实训中得以改善,凸显了计算机工程型人才培养的职业化特色。
9结语
西邮计算机系在探讨计算机工程型人才培养模式的实践中,通过培养方案目标导向,建立动态教学机制,搭建校企合作平台实践教学基地,丰富实践能力培养体系,创新实践教学组织实现管理和保障,逐渐形成具有自身特点的校企互利双赢的合作教育模式。四年来效果显著,学校、企业、学生三方共赢。学生更是较大的受益者,不仅能够充分运用所学知识,实实在在掌握与日后工作对接的本领,而且实现了人生价值转换,对未来充满信心,成为工作需要和企业抢手的人才。
计算机工程创新研究:计算机工程创新意识研究
1现状及发展趋势
大多数高等院校计算机本科专业涉及的硬件教学课程主要有“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、“计算机组成原理”、“计算机系统结构”、“微机原理与接口技术”、“单片机”、“嵌入式系统”等，在新形势下部分课程内容设置显得不够合理，部分教学内容与实际应用脱节，影响了教学效果，无法满足教学大纲中要求的动手能力培养，更无法有效培养同学们的创新意识。目前，作为计算机教学重要专业基础课程的“数字逻辑”，要求学生掌握组合逻辑、时序逻辑电路的分析和设计方法，研究对象主要是分立元件、通用中小规模集成电路及基本的可编程器件等，介绍的方法也以传统方法为主，已无法适应目前应用的需要；作为专业主干课程的“计算机组成原理”、“计算机系统结构”，主要内容是讨论计算机的结构、各功能部件原理及设计方法，同时介绍当前的新技术、新方法，目的是让同学们熟悉计算机的结构，为以后应用和设计计算机系统打下基础。目前大家普遍采用的教材在部件设计中讨论的方法主要是硬布线逻辑或微程序设计方法：硬布线逻辑运行速度高，但缺乏灵活性；微程序设计方法有一定的灵活性，但资源占用多，运行速度慢。尽管这两种方法对于理解计算机组成原理不失为一种较好的选择，但由于缺乏实际应用背景，学生学习兴趣受到影响，教学效果也大打折扣，提高学生的动手能力、培养创新意识更是无从谈起。“汇编语言程序设计”课程也存在类似尴尬，讨论以16位个人计算机为背景的汇编语言程序设计知识，适合入门和了解基本原理，但与“计算机组成原理”、“计算机系统结构”课程一样，由于缺乏实际应用背景，教学目标无法实现。随着电子设计自动化(EDA)、系统编程(ISP)、片上系统(SOC)等技术的发展，32位个人计算机的应用已很成熟，多核64位计算机应用也将逐步成为主流。嵌入式系统设计需要较强的软硬件知识综合应用能力，因此在计算机硬件课程的教学中应加大相关新技术的比例，并根据实际及时调整教学内容。国外许多知名高校本科专业的教学内容已经作了适时调整，如麻省理工学院非常注重学生的设计能力的培养，为此专门开设了“计算机系统设计”课程，要求学生在实践环节中自主设计ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水线32位MipsCPU和Cache；斯坦福大学也有相似的课程和实验环节；加州大学伯克利分校和杨百翰大学在基于可编程逻辑的超级计算机研制方面也有大量成果。当前在国内，案例教学已被越来越多的人所接受，尤其是在一些法学、工商管理类高校已经开始广泛运用。案例教学法是一种动态的、开放的教学方法，目标是解决学生如何用更有效的方式获得知识以提高应用能力的问题。案例教学法具有综合性、交互性、启发性、针对性和可操作性等多种特征，它的使用大大缩短了教学理论与实际应用之间的差距，同时对教师的教学观念产生了重大的影响。鉴于计算机专业知识与实际应用结合紧密的特点，教学中尤其适合案例式教学。目前在国内计算机课程的教学中，案例教学还处于一个起步阶段，主要表现在：案例教学比例不够，没有形成完整的体系；案例数量不足，质量欠缺；许多高校尽管重视案例教学的应用，但是在案例的搜集、整理与分析等方面相对滞后；案例陈旧，缺乏代表性等。
2以ISP技术为主线改革计算机专业硬件课程教学体系和教学内容
计算机本科专业涉及的硬件教学课程按合理教学顺序一般为“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”、“计算机组成原理”、“计算机系统结构”、“微机原理与接口技术”、“单片机”、“嵌入式系统”等，一些课程可以在时间上重叠，如“数字逻辑”、“汇编语言程序设计”等。由于ISP、EDA技术可以灵活地开发出具有自主知识产权的硬件产品，是目前工程实践领域和芯片设计领域运用最广泛也是最有应用前景的技术，因此在计算机硬件课程的教学中应该把相关技术列为重要内容，即以ISP、SOC技术为主线，使相关课程形成一个完整的体系，达到培养创新性人才的目的。为了实现这一目标，在“数字逻辑”课程中，应大幅增加可编程逻辑技术的比重，重点讨论用EDA方法，利用ISP技术、SOC技术设计IP核的方法，使学生对相关技术的应用及发展趋势有一个的理解，并具备基本的实践能力；在“计算机组成原理”课程中增加计算机设计原理和实践的内容，也可考虑再单独增加一门计算机设计课程以替代目前“计算机组成原理”课程设计，在该课程中重点讨论如何采用EDA方法，利用ISP技术、SOC技术设计计算机各部件如CPU、Cache等，通过实际应用和实践进一步加深对相关技术的理解和掌握。在“微机原理与接口技术”课程可以考虑以16位计算机应用知识入门，以讨论32位计算机的应用为重点。相应的，作为“微机原理与接口技术”课程的先行课程，“汇编语言程序设计”课程也应把相应的内容整体提升到32位，考虑到学习过程的先易后难，可以先介绍16位汇编语言程序设计知识作为入门，再对32位汇编语言程序设计相关内容展开。单片机系统本质上也是嵌入式系统，嵌入式系统是针对应用或用户定制的完整、高效的计算机系统，嵌入式系统设计需要较强的操作系统原理、应用程序设计和硬件设计方面知识的综合应用能力，其中特别是硬件系统设计能力可以通过以上几门硬件课程的系统学习逐步培养，因此相关课程的教学内容应注意衔接，同时遵循先易后难的原则，面向实际应用，以提高动手能力、增强创新意识为目的。针对实践教学，目前相关课程的实验教学的实验项目及内容固定，大多为验证性实验，实验步骤程式化，许多同学按教学实验计划做完实验，仍然无法充分理解课程的主要内容，无法真正拥有教学大纲所要求的动手能力。更重要的是计算机技术一直处于高速发展中，高等院校的计算机教学理应不断地适应这种要求，相关的实验教学应适时地调整教学内容。解决问题的一个好思路是利用ISP、SOC技术开发出一种内容可定制的硬件课程教学实验平台，由于作为控制对象的外围电路是相同或相近的，可以设计为通用模块，而实验平台控制部分则可以利用可编程逻辑改变，以适应不同的课程。如控制部分设计为基本CPU即可做“计算机组成原理”课程的相关实验；控制部分设计为单片机即可做“单片机”课程的相关实验；甚至控制部分可以设计为个人计算机CPU，配合有关的接口电路，即可做“微机原理与接口技术”课程的相关实验等。在我院的计算机本科专业相关硬件课程教学实践中，我们已作出了一些有益的探索，如我院“数字逻辑”教学大纲已在近年作过相应调整，EDA技术、可编程技术的理论和实践教学内容的比例从原来的20%增加到60%以上，经过多年的建设，“数字逻辑”课程在今年被评定为“湖北省精品课程”；在“计算机组成原理”课程中引入利用ISP技术设计CPU软核等教学和实践内容；“汇编语言程序设计”、“微机原理与接口技术”课程中也增加了32位计算机相关内容的学习和讨论，新的实验设备可以进行32位的相关实验等，这些安排增强了学生的学习兴趣，学生学习的主动性也明显提高了。
3采用案例教学法作为计算机专业硬件课程教学的主要方法
案例教学法是一种事半功倍的教学方法，在教学过程中围绕事先精选的典型的、具有工程背景的实际案例进行讨论，可以为同学们模拟实际应用的场景，获得近似于实战的经验。为完成设计目标，同学们自然会自己主动学习，在这一过程中掌握知识，并学会应用知识，提高解决问题的能力；也能通过用不同的途径解决问题，培养创新意识。这样教师在授课中可以把精力集中于教学内容的总体把握上，而不需要过分在知识细节上消耗时间，提高了教学效率。案例教学法关键在于选择合适的案例，案例首先必须有代表性和实时性，必须是实践中的典型应用实例。在实践中应用的几率高，具有普遍意义，这样的实例在教学过程中值得花费精力讨论和设计，才是有意义的。同样重要的是案例需具有实际工程背景，学生可以面对具体的实际问题和特定的环境，有针对性地通过自主学习和思考进行设计，培养实际解决问题的能力。案例还应该形成相对固定的案例集，并具备一定的开放性，应定期对案例集进行评估，剔除一些过时的案例，增加一些新的典型应用实例。这样就保障了案例的典型性、实时性及工程背景。在教学实践中，我们把案例教学法作为主要方法，并把案例分为4类：一是问题评论型，给出问题和解决问题的方案，让学生去评价；二是分析实现型，不给出解决方案，要求学生讨论分析以提出方案；三是实际模拟型，是指在教学过程中依据教学内容，让学生分别充当不同的角色，进行模拟性的实践活动；四是发展开放型，通过案例发现新的理论生长点，讨论相关理论的发展趋势。我院在相关课堂教学中采用的部分案例如表1所示。在“数字逻辑”、“计算机组成原理”等课程的重点章节教学中，我们通过采用上述案例法，调动学生成为积极参与者，而不是消极被动的听众，在案例学习和讨论中，鼓励学生提出更多解决问题的办法，在课堂上营造出积极发表意见和争论的气氛。这样提高了学生的学习兴趣，教学效果有明显改善，学生的动手能力有了显著增强。
4总结
为实现面向实际应用提高学生动手能力、增强创新意识、培养创新型人才、确定完整合理的计算机本科专业硬件理论教学和实践教学体系的目的，我们提出了以ISP技术为主线的计算机专业硬件课程教学改革方案。它的主要内容为两方面：一是调整现有教学体系和教学内容，如在“数字逻辑”、“计算机组成原理和系统结构”、“嵌入式系统设计”等课程中以“数字逻辑”课程为先导，以ISP、SOC技术为主线贯穿于各相关课程教学过程中；在“汇编语言程序设计”、“微机原理与接口技术”等课程中把主要内容提升到32位等。二是在教学中运用案例法，使学生成为教学活动的主体，形成学生自主学习、合作学习、研究性学习和探索性学习的开放型学习氛围。充分发挥案例教学有利于提高学生分析问题和解决实际问题的能力、有利于促使学生学会学习、有利于促使学生学会沟通与合作的优势。实践表明以ISP技术为主线的计算机专业硬件课程教学改革，符合国家高等质量工程建设中培养创新性人才的规划，有效地增强了学生的动手能力和创新意识。我们也意识到计算机工程教学是一个复杂的过程，牵涉到许多方面，我们将在实践中探索教学规律，不断提高教学水平，进一步改善教学效果。
