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以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)探究論文
計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系列教學(xué)活動(dòng)是推動(dòng)計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)力量。早在2003 年，哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心就提出了“軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境一體化、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)化”的硬件實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)指導(dǎo)思想，即“三化結(jié)合”的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。構(gòu)建軟硬件一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境有利于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)。綜合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行多課程內(nèi)容交叉的綜合實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的思想。
1 現(xiàn)有硬件實(shí)驗(yàn)課程體系現(xiàn)狀和存在的問題
當(dāng)前，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系主要包括“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”、“計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)”、“計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)”、“微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)”、“單片機(jī)課程設(shè)計(jì)”，共計(jì)4 門實(shí)驗(yàn)課和1 門課程設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)采取循序漸進(jìn)的方式，分布在大學(xué)本科四年階段性進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和整體環(huán)境條件的限制，多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是基于硬件邏輯設(shè)計(jì)的。例如，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)芯片，實(shí)現(xiàn)單一的加法器、半加器等基本功能，功能擴(kuò)展性差，而且只能開設(shè)數(shù)量有限、技術(shù)含量較低的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，現(xiàn)有硬件實(shí)驗(yàn)課程體系存在的問題。
1. 1 學(xué)生缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念
隨著，嵌入式集成技術(shù)的快速發(fā)展，特別是ARM 系統(tǒng)的穩(wěn)定升級(jí)，使得硬件系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大，功能實(shí)現(xiàn)也越來越復(fù)雜。在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件仿真相分離的實(shí)踐模式早已被淘汰。構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，強(qiáng)調(diào)軟硬件功能模塊的可重用性成為現(xiàn)今市場(chǎng)的技術(shù)研究熱點(diǎn)。因此，在學(xué)習(xí)階段就按照硬件從業(yè)者標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和能力成為當(dāng)務(wù)之急。
1. 2 學(xué)生缺乏可編程芯片設(shè)計(jì)能力
目前，實(shí)驗(yàn)中心雖然已開設(shè)了GAL 編程方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但是還達(dá)不到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求層次，因此，培養(yǎng)學(xué)生可編程芯片設(shè)計(jì)能力也是市場(chǎng)對(duì)從業(yè)人員的需求之一。
1. 3 缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行EDA 技術(shù)的培養(yǎng)
有關(guān)EDA 技術(shù)培訓(xùn)較少，基于大量的嵌入式FPGA 實(shí)驗(yàn)箱，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是基本的單元級(jí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，難有擴(kuò)展和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這是目前的教學(xué)弊端之一。
1. 4 學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)揮受限
規(guī)定的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是具有固定器件類型和實(shí)驗(yàn)箱的模式，因此，設(shè)備數(shù)量有限，器件種類單一是實(shí)際問題，學(xué)生想進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，或者自主的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也無法正常進(jìn)行。
2 分層次、個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)體系創(chuàng)新
分層次培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指: 根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難易度，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三類: 即普及類、進(jìn)階類和創(chuàng)新設(shè)計(jì)類，分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)( 通識(shí)教育) 、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)( 創(chuàng)新教育) 。通過分層次的教學(xué)體系建設(shè)，既可以滿足不同層次學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的需求，使其盡情發(fā)揮實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)能力; 同時(shí)又可以對(duì)硬件系列的各門課程內(nèi)容進(jìn)行整合，按照從業(yè)人員標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。
“個(gè)性化”教育是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要組成部分，中心始終注重對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教育，教師在授課過程中，會(huì)留心選拔能力突出、學(xué)有余力的學(xué)生，對(duì)其開展“個(gè)性化”培養(yǎng)，設(shè)專職教師對(duì)其理論學(xué)習(xí)及實(shí)踐能力等多方面進(jìn)行綜合指導(dǎo); 同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中心在創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器器件等方面給予支持，以此推動(dòng)“個(gè)性化”學(xué)生的能力培養(yǎng)，使教師能夠在有限的時(shí)間內(nèi)挖掘出他們的最大潛能經(jīng)過3 年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，上述做法已獲得了顯著的效果，一些“個(gè)性化”較強(qiáng)、創(chuàng)新能力突出的學(xué)生已經(jīng)脫穎而出，在各類創(chuàng)新賽事中獲得可喜成績。實(shí)驗(yàn)教材能夠?yàn)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)提供參考指導(dǎo)的作用，有助于自學(xué)和進(jìn)一步地科技創(chuàng)新需要。目前，中心獨(dú)立撰寫多部實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)講義，這些教材能夠涵蓋所有已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科技創(chuàng)新課題，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)過程和設(shè)備使用等多方面為學(xué)生提供參考知識(shí)，為學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)提供有力保證。計(jì)算機(jī)部件和計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)采用了EDA 技術(shù)，引進(jìn)杭州康芯電子有限公司的GW48 系列FPGA 開發(fā)平臺(tái); 微機(jī)接口課程采用了新型的博創(chuàng)ARM12 系列開發(fā)平臺(tái); 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)采用了新型的達(dá)艾思邏輯操作平臺(tái)，同時(shí)配備數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。與之相對(duì)應(yīng)的是，實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)出版社等多家單位聯(lián)合出版了多部具有指導(dǎo)性的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系列教材，這些教材已投入到多所大學(xué)的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。
3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方法與理念創(chuàng)新
3. 1 嵌入式系統(tǒng)為主線的實(shí)驗(yàn)課程體系
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，已受到歐美等發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注。針對(duì)當(dāng)今國際電子設(shè)計(jì)業(yè)界對(duì)人才培養(yǎng)能力的普遍認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)集中強(qiáng)化學(xué)生嵌入式開發(fā)技術(shù)技能的培養(yǎng)。新的課程體系是: 從本科生第四學(xué)期到第七學(xué)期硬件實(shí)驗(yàn)不斷線，層次逐步提高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接連貫; 通過重組實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建反映當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)水平和加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的系列實(shí)驗(yàn)課程; 強(qiáng)調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立組織硬件實(shí)驗(yàn)的能力，軟件仿真驗(yàn)證能力，測(cè)量儀器使用能力; 為提高教學(xué)效果，教師都認(rèn)真準(zhǔn)備，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范例，還收到明顯成效。
3. 2 多角度的新型實(shí)驗(yàn)成績考核方式
由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，考核方式應(yīng)能真實(shí)地反映學(xué)生的理論水平和實(shí)驗(yàn)技能水平。為此，中心提出了“3 +5 + 2 新型實(shí)驗(yàn)成績考核方式”，其突出特點(diǎn)在于: 首先，突出預(yù)習(xí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，通過預(yù)習(xí)報(bào)告反映出的預(yù)習(xí)成績，占總成績的30%，預(yù)習(xí)報(bào)告作為參加實(shí)驗(yàn)的必要條件，不做預(yù)習(xí)報(bào)告，不得參加實(shí)驗(yàn)，從而使學(xué)生重視預(yù)習(xí)。教師通過預(yù)習(xí)報(bào)告，使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)更有針對(duì)性，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)的收集是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，占總成績的50%，不參加此環(huán)節(jié)的學(xué)生，其實(shí)驗(yàn)課成績?yōu)椴患案�。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)行全面的考核，包括: 是否遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則、排布線能力、分析問題解決問題能力、對(duì)理論設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)能力等。而實(shí)驗(yàn)報(bào)告則是實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的總結(jié)，反映學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的概括總結(jié)能力，其占總成績的20%。
3. 3 自行研究軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
在引進(jìn)全新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的同時(shí)，中心積極自主研制基于國產(chǎn)CPU C* CORE 的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)以國產(chǎn)CPU 為載體、自由軟件Linux 為基礎(chǔ)，采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，把嵌入式實(shí)時(shí)Linux、集成開發(fā)環(huán)境、開發(fā)板和仿真器結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體。本系統(tǒng)采用平面內(nèi)存管理模式解決了Linux 對(duì)無MMU 的國產(chǎn)CPU C* CORE 的存儲(chǔ)管理; 采用搶占式二階進(jìn)程調(diào)度算法，增強(qiáng)了Linux處理實(shí)時(shí)應(yīng)用的能力; 集成開發(fā)環(huán)境貫徹以人為本的設(shè)計(jì)理念，高度集成多種開發(fā)工具，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，易學(xué)好用; 采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)造開放式體系結(jié)構(gòu)，便于第三方工具的融入; 仿真器采用高速仿真處理技術(shù)，提高調(diào)試效率; 開發(fā)集成以太網(wǎng)、USB 和擴(kuò)展總線等接口，拓展應(yīng)用范圍，有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的培養(yǎng)。
3. 4 多媒體教學(xué)及現(xiàn)代化教學(xué)手段建設(shè)
計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是以虛擬現(xiàn)實(shí)為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程建立起來的，以加強(qiáng)師生互動(dòng)為目的，努力挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，降低實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)消耗。虛擬實(shí)驗(yàn)中心依托于校園網(wǎng)絡(luò)，可以彌補(bǔ)設(shè)備資源的不足、實(shí)驗(yàn)室開放與學(xué)習(xí)任務(wù)沖突等問題，可以實(shí)現(xiàn)最大負(fù)荷情況下的多人數(shù)在線虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包括四個(gè)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室: 數(shù)字邏輯及電路虛擬實(shí)驗(yàn)室、可編程邏輯及數(shù)字系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室、嵌入式系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)室。
4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的反饋與效果
中心對(duì)全校159 名學(xué)生進(jìn)行了“硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果”調(diào)查問卷。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中看出，有89. 5% 的學(xué)生認(rèn)為通過實(shí)驗(yàn)完全理解了相關(guān)理論知識(shí)，有91. 2% 的學(xué)生可以熟練運(yùn)用有關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，有92. 6%的學(xué)生能獨(dú)立完成或在教師提示下完成應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有96. 2%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)考研或就業(yè)有較大幫助，有94. 3% 的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)置合理，能滿足需求。
對(duì)經(jīng)過“個(gè)性化”培養(yǎng)的學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)效果意見反饋，這些學(xué)生普遍認(rèn)為經(jīng)過全新的基于嵌入式技術(shù)為核心的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的培養(yǎng)，不僅使他們具備了較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、實(shí)踐、綜合運(yùn)用知識(shí)、語言表達(dá)、寫作等方面的能力均有了較大提高，在這種體系下所學(xué)到知識(shí)和鍛煉出來的能力使他們受益終身。近兩年來，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科生就業(yè)率均超過了95%。經(jīng)過“個(gè)性化”培養(yǎng)的學(xué)生，大部分學(xué)生考取或被直接保送研究生，就業(yè)率達(dá)到100%，且就業(yè)質(zhì)量較高。
為了培養(yǎng)學(xué)生的科研和工程實(shí)踐能力，中心開設(shè)的嵌入式“進(jìn)階”實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在選題上均是同實(shí)際科研、電子競(jìng)賽互相緊密結(jié)合。支持學(xué)生科技活動(dòng)等一系列措施，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范疇不單純拘泥于中心本身所開設(shè)的選題。“自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立創(chuàng)新”的結(jié)合模式在極大程度上激發(fā)了學(xué)生的科研攻關(guān)和自我創(chuàng)新的意識(shí)。中心以“國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”以及學(xué)�！按髮W(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目”為契機(jī)，吸引了大批各專業(yè)、各年級(jí)的學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中心開展創(chuàng)新學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉。中心啟動(dòng)了“學(xué)生科技創(chuàng)新支持機(jī)制”，即通過設(shè)立學(xué)生創(chuàng)新學(xué)分、創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金及科技立項(xiàng)資助等措施，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新行為，支持學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維。建立推薦免試攻讀碩士學(xué)位研究生制度，優(yōu)秀學(xué)生轉(zhuǎn)專業(yè)和個(gè)性化學(xué)生轉(zhuǎn)專業(yè)制度。此外，中心鼓勵(lì)并積極爭取機(jī)會(huì)使同學(xué)們接觸到實(shí)際工程中的具體問題，利用課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等機(jī)會(huì)提供非常具有代表性的廣泛的實(shí)驗(yàn)課題與攻關(guān)點(diǎn)供同學(xué)進(jìn)行研發(fā)。
幾年來，中心培養(yǎng)了一大批具有較強(qiáng)科研與工程實(shí)踐能力的學(xué)生，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室共接待和培養(yǎng)了800 余名學(xué)生。中心帶領(lǐng)學(xué)生參加了各類國際、國家類創(chuàng)新競(jìng)賽100 余項(xiàng)，先后有50 余名“個(gè)性化”培養(yǎng)的學(xué)生被保送到國內(nèi)知名院校攻讀碩士研究生; 并有一大批學(xué)生獲國家級(jí)或省級(jí)電子、信息類大賽獎(jiǎng)，為國家及國防工業(yè)輸送了一大批高質(zhì)量人才。
5 結(jié)束語
教學(xué)改革對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)人才、創(chuàng)建一流的研究型大學(xué)是至關(guān)重要的。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)是為了提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、語言表達(dá)能力等方面。中心完善了自主創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，建立了以嵌入式技術(shù)為核心，“三化”結(jié)合和“六個(gè)并舉”的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并已經(jīng)進(jìn)行了三輪的教學(xué)實(shí)踐，效果良好。
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