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以培養創新型人才為目標的計算機硬件實驗教學的相關探究論文
計算機硬件實驗系列教學活動是推動計算機專業創新型人才培養的基礎力量。早在2003 年，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心就提出了“軟硬件實驗環境一體化、實驗平臺綜合化、實驗內容系統化”的硬件實驗課程建設指導思想，即“三化結合”的計算機硬件實驗教學理念。構建軟硬件一體化實驗環境有利于培養學生軟硬件綜合素質。綜合的實驗平臺可以進行多課程內容交叉的綜合實驗，有利于培養學生的綜合設計能力，實驗內容的系統化有利于培養學生的系統化設計的思想。
1 現有硬件實驗課程體系現狀和存在的問題
當前，計算機硬件實驗教學課程體系主要包括“數字邏輯實驗”、“計算機部件實驗”、“計算機組成實驗”、“微機接口實驗”、“單片機課程設計”，共計4 門實驗課和1 門課程設計。實驗采取循序漸進的方式，分布在大學本科四年階段性進行。由于實驗設備數量和整體環境條件的限制，多數實驗項目都是基于硬件邏輯設計的。例如，數字邏輯實驗最終結合實驗芯片，實現單一的加法器、半加器等基本功能，功能擴展性差，而且只能開設數量有限、技術含量較低的實驗項目，現有硬件實驗課程體系存在的問題。
1. 1 學生缺乏系統設計的概念
隨著，嵌入式集成技術的快速發展，特別是ARM 系統的穩定升級，使得硬件系統的規模變得越來越大，功能實現也越來越復雜。在大學的實驗室里，傳統的硬件設計和軟件仿真相分離的實踐模式早已被淘汰。構建系統平臺、實現軟硬件協同設計和驗證，強調軟硬件功能模塊的可重用性成為現今市場的技術研究熱點。因此，在學習階段就按照硬件從業者標準，重點培養學生系統設計的思想和能力成為當務之急。
1. 2 學生缺乏可編程芯片設計能力
目前，實驗中心雖然已開設了GAL 編程方面的實驗項目，但是還達不到嵌入式系統設計的要求層次，因此，培養學生可編程芯片設計能力也是市場對從業人員的需求之一。
1. 3 缺乏對學生進行EDA 技術的培養
有關EDA 技術培訓較少，基于大量的嵌入式FPGA 實驗箱，很多實驗項目都是基本的單元級驗證型實驗，難有擴展和創新實驗項目，這是目前的教學弊端之一。
1. 4 學生的創新能力發揮受限
規定的計算機硬件實驗項目都是具有固定器件類型和實驗箱的模式，因此，設備數量有限，器件種類單一是實際問題，學生想進行擴展設計，或者自主的綜合性實驗項目，也無法正常進行。
2 分層次、個性化培養的教學體系創新
分層次培養實驗教學模式是指: 根據實驗項目的難易度，將實驗內容分為三類: 即普及類、進階類和創新設計類，分別對應基礎實驗( 通識教育) 、綜合設計實驗及自主創新實驗( 創新教育) 。通過分層次的教學體系建設，既可以滿足不同層次學生對實驗內容的需求，使其盡情發揮實踐動手能力和學習能力; 同時又可以對硬件系列的各門課程內容進行整合，按照從業人員標準，最大限度地提高學生的創新實踐能力。
“個性化”教育是創新人才培養的重要組成部分，中心始終注重對創新能力的培養和教育，教師在授課過程中，會留心選拔能力突出、學有余力的學生，對其開展“個性化”培養，設專職教師對其理論學習及實踐能力等多方面進行綜合指導; 同時，實驗中心在創新經費、實驗場地、儀器器件等方面給予支持，以此推動“個性化”學生的能力培養，使教師能夠在有限的時間內挖掘出他們的最大潛能經過3 年多的實踐檢驗，上述做法已獲得了顯著的效果，一些“個性化”較強、創新能力突出的學生已經脫穎而出，在各類創新賽事中獲得可喜成績。實驗教材能夠為學生實驗提供參考指導的作用，有助于自學和進一步地科技創新需要。目前，中心獨立撰寫多部實驗教材和實驗講義，這些教材能夠涵蓋所有已開設的實驗項目和科技創新課題，從實驗內容、實驗技術、實驗過程和設備使用等多方面為學生提供參考知識，為學生順利完成實驗提供有力保證。計算機部件和計算機組成實驗采用了EDA 技術，引進杭州康芯電子有限公司的GW48 系列FPGA 開發平臺; 微機接口課程采用了新型的博創ARM12 系列開發平臺; 數字邏輯實驗采用了新型的達艾思邏輯操作平臺，同時配備數字邏輯虛擬實驗教學軟件。與之相對應的是，實驗室與清華大學出版社等多家單位聯合出版了多部具有指導性的計算機硬件實驗系列教材，這些教材已投入到多所大學的硬件實驗教學中。
3 實驗教學研究方法與理念創新
3. 1 嵌入式系統為主線的實驗課程體系
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁減，已受到歐美等發達國家的廣泛關注。針對當今國際電子設計業界對人才培養能力的普遍認同標準，應集中強化學生嵌入式開發技術技能的培養。新的課程體系是: 從本科生第四學期到第七學期硬件實驗不斷線，層次逐步提高，實驗內容銜接連貫; 通過重組實驗教學環境，構建反映當今計算機科學技術水平和加強培養學生工程實踐能力的系列實驗課程; 強調各門課程明確分工、分層次培養學生的獨立組織硬件實驗的能力，軟件仿真驗證能力，測量儀器使用能力; 為提高教學效果，教師都認真準備，精心設計實驗范例，還收到明顯成效。
3. 2 多角度的新型實驗成績考核方式
由于實驗內容和實驗方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，考核方式應能真實地反映學生的理論水平和實驗技能水平。為此，中心提出了“3 +5 + 2 新型實驗成績考核方式”，其突出特點在于: 首先，突出預習在實驗教學中的作用，通過預習報告反映出的預習成績，占總成績的30%，預習報告作為參加實驗的必要條件，不做預習報告，不得參加實驗，從而使學生重視預習。教師通過預習報告，使實驗指導更有針對性，從而提高了實驗教學質量。同時，強調實驗操作和數據的收集是實驗教學的中心環節，占總成績的50%，不參加此環節的學生，其實驗課成績為不及格。在這個環節中，對學生的動手能力進行全面的考核，包括: 是否遵守實驗規則、排布線能力、分析問題解決問題能力、對理論設計的實現能力等。而實驗報告則是實驗教學成果的總結，反映學生對科學實驗的概括總結能力，其占總成績的20%。
3. 3 自行研究軟硬件實驗平臺
在引進全新的實驗設備的同時，中心積極自主研制基于國產CPU C* CORE 的嵌入式系統教學、實驗開發平臺。該平臺以國產CPU 為載體、自由軟件Linux 為基礎，采用一體化設計技術，把嵌入式實時Linux、集成開發環境、開發板和仿真器結合成一個有機的整體。本系統采用平面內存管理模式解決了Linux 對無MMU 的國產CPU C* CORE 的存儲管理; 采用搶占式二階進程調度算法，增強了Linux處理實時應用的能力; 集成開發環境貫徹以人為本的設計理念，高度集成多種開發工具，體現人性化設計，易學好用; 采用構件化設計技術構造開放式體系結構，便于第三方工具的融入; 仿真器采用高速仿真處理技術，提高調試效率; 開發集成以太網、USB 和擴展總線等接口，拓展應用范圍，有利于對學生進行計算機軟硬件系統設計的培養。
3. 4 多媒體教學及現代化教學手段建設
計算機虛擬實驗教學中心是以虛擬現實為技術基礎，結合計算機硬件實驗課程建立起來的，以加強師生互動為目的，努力挖掘學生創新潛能，降低實驗經費消耗。虛擬實驗中心依托于校園網絡，可以彌補設備資源的不足、實驗室開放與學習任務沖突等問題，可以實現最大負荷情況下的多人數在線虛擬實驗。虛擬實驗教學中心包括四個硬件虛擬實驗室: 數字邏輯及電路虛擬實驗室、可編程邏輯及數字系統虛擬實驗室、嵌入式系統虛擬實驗室、計算機技術創新虛擬實驗室。
4 實驗教學改革的反饋與效果
中心對全校159 名學生進行了“硬件實驗教學效果”調查問卷。從統計結果中看出，有89. 5% 的學生認為通過實驗完全理解了相關理論知識，有91. 2% 的學生可以熟練運用有關的科學實驗方法，有92. 6%的學生能獨立完成或在教師提示下完成應用系統設計，有96. 2%的學生認為實驗教學對考研或就業有較大幫助，有94. 3% 的學生通過實驗課程的學習，認為教學內容和課程設置合理，能滿足需求。
對經過“個性化”培養的學生進行了教學效果意見反饋，這些學生普遍認為經過全新的基于嵌入式技術為核心的硬件實驗教學體系的培養，不僅使他們具備了較強的創新意識，團隊協作、實踐、綜合運用知識、語言表達、寫作等方面的能力均有了較大提高，在這種體系下所學到知識和鍛煉出來的能力使他們受益終身。近兩年來，計算機科學與技術學院本科生就業率均超過了95%。經過“個性化”培養的學生，大部分學生考取或被直接保送研究生，就業率達到100%，且就業質量較高。
為了培養學生的科研和工程實踐能力，中心開設的嵌入式“進階”實驗、計算機技術創新實驗，在選題上均是同實際科研、電子競賽互相緊密結合。支持學生科技活動等一系列措施，使實驗教學的范疇不單純拘泥于中心本身所開設的選題。“自主學習、獨立創新”的結合模式在極大程度上激發了學生的科研攻關和自我創新的意識。中心以“國家大學生創新訓練計劃”以及學校“大學生創新實踐項目”為契機，吸引了大批各專業、各年級的學生進入實驗中心開展創新學習和實踐鍛煉。中心啟動了“學生科技創新支持機制”，即通過設立學生創新學分、創新獎學金及科技立項資助等措施，鼓勵學生的創新行為，支持學生的創新活動，引導學生的創新思維。建立推薦免試攻讀碩士學位研究生制度，優秀學生轉專業和個性化學生轉專業制度。此外，中心鼓勵并積極爭取機會使同學們接觸到實際工程中的具體問題，利用課程設計、畢業設計、畢業實習等機會提供非常具有代表性的廣泛的實驗課題與攻關點供同學進行研發。
幾年來，中心培養了一大批具有較強科研與工程實踐能力的學生，創新實驗室共接待和培養了800 余名學生。中心帶領學生參加了各類國際、國家類創新競賽100 余項，先后有50 余名“個性化”培養的學生被保送到國內知名院校攻讀碩士研究生; 并有一大批學生獲國家級或省級電子、信息類大賽獎，為國家及國防工業輸送了一大批高質量人才。
5 結束語
教學改革對于培養高素質人才、創建一流的研究型大學是至關重要的。計算機硬件實驗教學改革的出發點是為了提高學生的綜合素質，主要體現在培養學生的創新精神，提高實踐能力、團隊協作能力、語言表達能力等方面。中心完善了自主創新人才的培養模式，建立了以嵌入式技術為核心，“三化”結合和“六個并舉”的計算機硬件實驗教學體系，并已經進行了三輪的教學實踐，效果良好。
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