計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)的改革與探索

摘要：本文針對計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，對計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育模式進(jìn)行改革和探索，提出了自己的教育理念和改革思路，建立了計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐特有的課程體系。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；工程實(shí)踐；課程體系改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

最新人力資源調(diào)查顯示，人才市場急需計(jì)算機(jī)工程師人才特別是“嵌入式人才”，但是負(fù)責(zé)人才輸出和培養(yǎng)的大專院校近年卻出現(xiàn)了重軟件輕硬件、重研究輕操作、重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象，顯然無法滿足市場對人才的需求。為了解決供需矛盾問題，達(dá)到教育部提出的“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神”的要求大專院校除了要培養(yǎng)研究和創(chuàng)新型人才以外，應(yīng)該注重有大工程觀和大系統(tǒng)觀，同時(shí)具備一定實(shí)踐能力的高級工程師的培養(yǎng)。

為了提高工程實(shí)踐教育水平，根據(jù)社會(huì)和國家建設(shè)的需要，清華大學(xué)開始建設(shè)計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育實(shí)驗(yàn)區(qū)，以此為契機(jī)，我們對計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育模式進(jìn)行改革和探索。

1 計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育的定位和教育理念

計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)學(xué)生接受創(chuàng)新的工程實(shí)踐意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虒?shí)踐作風(fēng)、科學(xué)的工程實(shí)踐素質(zhì)、優(yōu)秀的工程實(shí)踐能力、規(guī)范的工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)等方面的教育。依據(jù)學(xué)校的規(guī)劃和實(shí)施方案，根據(jù)教學(xué)需要，我們建立了自己的教育理念，內(nèi)容如下：

(1)面向工程需求的課程體系

計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了計(jì)算機(jī)學(xué)科的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提升了各學(xué)科的技術(shù)水平。實(shí)驗(yàn)區(qū)面向社會(huì)實(shí)際工程的不同需求，按照技術(shù)基礎(chǔ)、工程應(yīng)用和工程實(shí)踐，建立多層次的課程體系。

(2)強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)上的實(shí)踐

計(jì)算機(jī)教學(xué)具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)給學(xué)生提供充足的實(shí)踐空間，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、課程設(shè)計(jì)、專題訓(xùn)練、專業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐活動(dòng)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、科學(xué)作風(fēng)，加深對理論知識(shí)的理解。數(shù)理、電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)，邏輯思維、抽象思維是計(jì)算能力的體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)強(qiáng)調(diào)理論指導(dǎo)下實(shí)踐，實(shí)踐與理論的結(jié)合。

(3)依托科研優(yōu)勢的實(shí)踐教育

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是全國重點(diǎn)學(xué)科，擁有高素質(zhì)的科研隊(duì)伍和雄厚的科研能力，承擔(dān)了一系列國家“973”、“863”、“國家自然科學(xué)基金”、“國家攻關(guān)”等重大和重點(diǎn)項(xiàng)目，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。實(shí)驗(yàn)區(qū)注意提取科研中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，引入到工程實(shí)踐教學(xué)中，以先進(jìn)的科學(xué)問題激勵(lì)學(xué)生的思考。通過實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生體驗(yàn)書本與應(yīng)用、學(xué)習(xí)與研究、通識(shí)與專業(yè)、繼承與開創(chuàng)的關(guān)聯(lián)。提升工程實(shí)踐人才的培養(yǎng)水平，努力將實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)成為一個(gè)科研成果轉(zhuǎn)化和工程實(shí)踐創(chuàng)新基地。

2 計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育的改革思路

我們深入地分析了國內(nèi)外院校在計(jì)算機(jī)教學(xué)方面的經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)內(nèi)容、授課機(jī)制、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)、工程意識(shí)與團(tuán)隊(duì)精神培養(yǎng)等教學(xué)環(huán)節(jié)和培養(yǎng)目標(biāo)上看到了我們的不足，并在此基礎(chǔ)上明確了近幾年內(nèi)的建設(shè)目標(biāo)。與此同時(shí)，我們根據(jù)建設(shè)和發(fā)展的要求，針對人才培養(yǎng)模式提出了如下改革思路：

(1)建設(shè)一套完整的工程實(shí)踐教育體系。計(jì)算機(jī)學(xué)科是實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐環(huán)節(jié)十分重要。建設(shè)技術(shù)基礎(chǔ)、工程應(yīng)用和工程實(shí)踐三個(gè)層次的課程體系，自主研制或引進(jìn)一批與世界一流大學(xué)接軌的實(shí)踐教學(xué)裝置和儀器，同國內(nèi)外知名的企業(yè)和公司合作建立一批學(xué)生工程實(shí)踐基地。

(2)建立一支優(yōu)秀的工程實(shí)踐教師隊(duì)伍。一堂好的實(shí)踐課對教師的要求很高，建立一支愛崗敬業(yè)、技術(shù)精湛、水平高、責(zé)任心強(qiáng)的教師隊(duì)伍十分重要，這是搞好計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)、提高實(shí)踐教學(xué)水平的重要保障。工程實(shí)踐教育實(shí)驗(yàn)區(qū)在注重培養(yǎng)學(xué)校內(nèi)部教師工程實(shí)踐能力的同時(shí)，將定期邀請一批企業(yè)、公司中高素質(zhì)的工程技術(shù)人員講學(xué)、任教。

(3)注意把科研成果引入到工程實(shí)踐教學(xué)中，將計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)區(qū)建設(shè)成為一個(gè)科研轉(zhuǎn)化基地。高水平的科研始終是實(shí)踐教學(xué)的有力支撐和源泉。計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展很快，必須經(jīng)常更新工程實(shí)踐內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生直接面對科學(xué)前沿，應(yīng)用新技術(shù)駕馭新工程，教會(huì)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中提高。

(4)加強(qiáng)工程實(shí)踐教育標(biāo)準(zhǔn)化，推出面向工程實(shí)踐的系列教材。作為工程實(shí)踐性強(qiáng)的代表學(xué)科，計(jì)算機(jī)學(xué)科對工程實(shí)踐能力的要求非常高，但是近10年對此的要求和教育重視程度有所降低，因此加強(qiáng)工程實(shí)踐教育尤其是大工程實(shí)驗(yàn)方面的教育是我們接下來的重點(diǎn)改革目標(biāo)，為了更加系統(tǒng)化和規(guī)范化，將推出配套的面向工程和實(shí)踐的系列教材。

3 計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教育的課程體系和培養(yǎng)方式

我們設(shè)定的計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)課程體系包括三個(gè)層次：技術(shù)基礎(chǔ)類、工程應(yīng)用類和工程實(shí)踐類課程，其中工程應(yīng)用類又分為軟件和硬件兩個(gè)子類(如圖1所示)。

(1)技術(shù)基礎(chǔ)類課程

從課程設(shè)置方面看，這些基礎(chǔ)課程都屬于計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計(jì)算機(jī)系學(xué)生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。這類課程為學(xué)生打下了堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，為工程實(shí)踐技術(shù)的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

(2)工程應(yīng)用類課程

工程應(yīng)用類課程分為兩大系列：軟件工程應(yīng)用系列和硬件工程應(yīng)用系列課程。軟件工程應(yīng)用系列以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)挖掘等課程為主體；硬件工程應(yīng)用系列以計(jì)算機(jī)組成原理、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、FPGA設(shè)計(jì)等課程為主體。這些課程雖然如此分類，但是有很多課程軟件和硬件技術(shù)都融合在一起，并非有嚴(yán)格的界限劃分，學(xué)生在學(xué)習(xí)和選擇上也僅做參考。這些課程直接為學(xué)生服務(wù)，提高學(xué)生利用“人類通用智慧工具”分析和解決問題的能力，將計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在工程應(yīng)用中充分體現(xiàn)出來，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程應(yīng)用能力。

(3)工程實(shí)踐類課程

計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐類課程包括必修和選修環(huán)節(jié)，目的是能夠?qū)W(xué)生培養(yǎng)成為合格的工程師，有創(chuàng)新的工程實(shí)踐意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虒?shí)踐作風(fēng)、科學(xué)的工程實(shí)踐素質(zhì)、優(yōu)秀的工程實(shí)踐能力。此類課程在內(nèi)容上每年都進(jìn)行更新，在質(zhì)量有充分保證的基礎(chǔ)上，每年都爭取增加和擴(kuò)大，以提高學(xué)生的選擇空間。

在三類課程中，實(shí)驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)突出工程實(shí)踐類課程，并逐年提高此類課程所占的比例，力圖將學(xué)生訓(xùn)練成在工程實(shí)踐上有很強(qiáng)自主性和創(chuàng)新能力的專才。以計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐必修課“計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐”為例。該課程要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下，靈活運(yùn)用所學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)和主要專業(yè)知識(shí)，自己設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試完成一個(gè)工程性極強(qiáng)的大型教學(xué)實(shí)踐課程，使學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維、專業(yè)知識(shí)、工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神等方面得到全面的訓(xùn)練。主要內(nèi)容包括“開放式CPU設(shè)計(jì)與測試”、“多模態(tài)身份驗(yàn)證系統(tǒng)”、“足球機(jī)器人及機(jī)器人足球賽”、“基于FPGA的微機(jī)接口設(shè)計(jì)”等。以“開放式CPU設(shè)計(jì)與測試”專題為代表，該實(shí)踐專題的最大優(yōu)點(diǎn)是開放式設(shè)計(jì)，完全由學(xué)生自主設(shè)計(jì)處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行全面測試。該實(shí)踐專題以“數(shù)字電路”和硬件設(shè)計(jì)語言為基礎(chǔ)，把“計(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等課程理論與實(shí)踐融合在一起，是計(jì)算機(jī)本科硬件課程的匯總。

再例如2007年7月夏季學(xué)期推出的“基于大規(guī)模集群的海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)”課程，該課程是Google公司與實(shí)驗(yàn)區(qū)合作，在清華大學(xué)開設(shè)的有關(guān)集群分布式編程的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將深入了解到通過大規(guī)模集群的模式處理海量數(shù)據(jù)的方式與編程方法。來自Google公司的優(yōu)秀工程師親自講述有關(guān)使用大規(guī)模集群處理海量數(shù)據(jù)的理論知識(shí)以及相應(yīng)的實(shí)際編程方法。通過實(shí)踐相關(guān)的課程內(nèi)容，使用開源的Apache Lucene Hadoop工具，學(xué)生親身實(shí)踐Google文件系統(tǒng)以及Google所使用的分布式編程方式MapReduce。學(xué)生還需要完成特定的分布式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)來鞏固所學(xué)的編程知識(shí)，用于處理實(shí)際的海量數(shù)據(jù)問題。課程內(nèi)容的重點(diǎn)放在實(shí)踐上面，Google公司為學(xué)生提供一個(gè)具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模集群范例，學(xué)生可以在這個(gè)集群上面完成相應(yīng)的實(shí)踐課程以及最后的大項(xiàng)目作業(yè)。大項(xiàng)目作業(yè)是檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握課程內(nèi)容的關(guān)鍵，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力以及對課程的理解程度，選擇一些項(xiàng)目來實(shí)踐完成。例如可以利用所學(xué)的編程方法完成一個(gè)完整獨(dú)立的搜索引擎，或者在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上建立類似于Google的分布式鎖機(jī)制Chubby以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)BigTable。我們主要邀請Google內(nèi)部的具有實(shí)際分布式工作經(jīng)驗(yàn)的工程師前來授課，包括世界一流大學(xué)的教師，授課語言為英語。

長期與清華大學(xué)計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)區(qū)合作的有微軟、GOOGLE、INTEL、IBM等國際知名公司，這些公司除了和我們有長期合作項(xiàng)目以外，還定期派多名工程技術(shù)工程師來實(shí)驗(yàn)區(qū)講課和培訓(xùn)。作為工程實(shí)踐課程的一個(gè)特色，大量聘請外部教授和工程師來實(shí)驗(yàn)區(qū)講學(xué)和培訓(xùn)已經(jīng)成為我們大力推廣的一種辦學(xué)方式，我們將努力把這樣的課程推廣到總體實(shí)踐課程的1／4以上。

實(shí)踐項(xiàng)目創(chuàng)新特別是工程實(shí)踐類項(xiàng)目創(chuàng)新是清華大學(xué)始終堅(jiān)持的原則，實(shí)驗(yàn)區(qū)力爭每年都有新實(shí)踐項(xiàng)目開設(shè)，有新實(shí)踐平臺(tái)提供給學(xué)生使用，有新的大型工程創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)境提供給學(xué)生，使學(xué)生能夠把握計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向，具備對全新工程的駕馭能力。