計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探索

文章編號：1672-5913(2008)10-0019-02

摘要：本文根據(jù)我院的教學(xué)實(shí)踐，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐等四個(gè)方面對計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；計(jì)算機(jī)專業(yè)；課外實(shí)踐

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的高低直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊張表面上是學(xué)時(shí)安排的問題，但是實(shí)際上與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體系密切相關(guān)。高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，綜合性和創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)，都需要對實(shí)驗(yàn)體系加以梳理。本文試圖從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，對計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行探索。

浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院根據(jù)學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)院實(shí)際，改革、探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新體系。以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，按照培養(yǎng)基礎(chǔ)、訓(xùn)練技能、研究創(chuàng)新三層次，以專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的為依據(jù)，按學(xué)科、專業(yè)大類進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容整體優(yōu)化。

1目前計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

國內(nèi)各重點(diǎn)大學(xué)的計(jì)算機(jī)學(xué)院和軟件學(xué)院的多門課程雖然較早就選用了國外的原版教材，課程體系也基本使用CC2001，但這些不同課程的教材來自國外不同的大學(xué)，各教材之間內(nèi)容往往銜接不好。隨著課時(shí)的壓縮，各門課程在教學(xué)內(nèi)容的覆蓋面與深度要求上的矛盾更為突出，課程間更需要合理安排教學(xué)內(nèi)容，注意內(nèi)容和進(jìn)度的合理銜接。一方面，每門課都覺得要講的內(nèi)容很多而因?qū)W時(shí)關(guān)系只能放棄一些原本應(yīng)該涵蓋的內(nèi)容；另一方面又因?yàn)槎嚅T實(shí)驗(yàn)課程各自為政、內(nèi)容重疊而占用了有限的學(xué)時(shí)。因此從培養(yǎng)計(jì)算機(jī)高級設(shè)計(jì)人才的目標(biāo)出發(fā)，按教學(xué)系統(tǒng)性、先進(jìn)性、強(qiáng)調(diào)技能培養(yǎng)的要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系教學(xué)改革也是迫在眉睫。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系從屬于理論教學(xué)，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全是驗(yàn)證理論性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往不能深入了解實(shí)驗(yàn)的機(jī)理；對應(yīng)用平臺、硬件器件的變化無所適從，起不到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和解決問題的能力，達(dá)不到開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力和培養(yǎng)應(yīng)用開發(fā)能力的目的。因此我們需要知識和能力并重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)(EDA)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)電路在邏輯層的設(shè)計(jì)和FPGA上的實(shí)現(xiàn)，借助于輔助軟件工具，已經(jīng)比較方便。這樣的技術(shù)條件和實(shí)現(xiàn)背景，為硬件設(shè)計(jì)科研和教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的底層支持。

2計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革和探索

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系分四個(gè)環(huán)節(jié)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)、軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外實(shí)踐活動。

2.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括三門核心課程，“C程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“面向?qū)ο蠹夹g(shù)”。這三門課是計(jì)算機(jī)課程體系中最基本、但也是分量最重的課程。主要強(qiáng)化基本能力的訓(xùn)練。通過計(jì)算機(jī)自動考試系統(tǒng)和大作業(yè)訓(xùn)練，強(qiáng)化學(xué)生程序設(shè)計(jì)的基本功。

強(qiáng)化“實(shí)踐”是提高大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的必要手段。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過多層次的編程訓(xùn)練和編程上機(jī)考試，并將日常教學(xué)過程與考核相結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)“2類訓(xùn)練/3種作業(yè)”供學(xué)生練習(xí)編程，即基本訓(xùn)練(涉及自測作業(yè)、主題作業(yè))和綜合訓(xùn)練(即大型作業(yè))，規(guī)定基本要求，鼓勵(lì)多學(xué)多練，尤其鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生分組合作完成大型作業(yè)。在大型作業(yè)中，學(xué)生自己選題，圍繞要解決的問題，查閱、自學(xué)相關(guān)資料，進(jìn)行分析、研究和設(shè)計(jì)，組內(nèi)分工合作完成，最后分組公開答辯評分。這些類型的編程訓(xùn)練系統(tǒng)地幫助學(xué)生從知識點(diǎn)、內(nèi)容主線和應(yīng)用面3個(gè)層次上逐步提高編程能力。

對于以編程為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開發(fā)和使用一系列網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)平臺，包括課程學(xué)習(xí)平臺，作業(yè)平臺和考試平臺，輔以配套的教學(xué)資源，構(gòu)建了良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境。使用作業(yè)平臺，完成自測作業(yè)和部分主題作業(yè)的發(fā)布、提交、自動批改和統(tǒng)計(jì)分析。我們還采用了能自動組卷和評分的考試平臺。自1997級起，已有10屆近4萬名學(xué)生使用該系統(tǒng)考試。通過自動化流程減少機(jī)械性的簡單編程判斷工作，實(shí)驗(yàn)教師可以把更多的精力放在和教師配合出題以及教學(xué)效果的分析方面。

在基本訓(xùn)練類作業(yè)中，需要提供豐富的編程習(xí)題，并提供網(wǎng)上自動評判系統(tǒng)，供學(xué)生隨時(shí)對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行及時(shí)科學(xué)的評價(jià)。不同水平的學(xué)生在這樣的氛圍中均有自己的發(fā)展空間，并逐漸成長為能用科學(xué)的方法主動探求知識、充分發(fā)展個(gè)性的學(xué)習(xí)的主人。同時(shí)我們還為學(xué)生提供豐富的網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源，學(xué)生根據(jù)自身水平和興趣，自主安排學(xué)習(xí)活動。例如，大型作業(yè)往往涉及許多課堂教學(xué)未講授的內(nèi)容，學(xué)生就通過教師提供的參考資料自學(xué)掌握

2.2硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括三門核心課程“邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”、“計(jì)算機(jī)組成”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”以及兩門專業(yè)課程“匯編程序設(shè)計(jì)與接口原理”和“嵌入式系統(tǒng)”，著重培養(yǎng)學(xué)生硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。

從“邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)開始，首先學(xué)習(xí)分立元件和小規(guī)模集成電路的使用，同時(shí)配套學(xué)習(xí)各種實(shí)際儀器的使用，目的是讓學(xué)生將數(shù)字邏輯與實(shí)際電路聯(lián)系起來。在完成相應(yīng)動手實(shí)驗(yàn)后，再學(xué)習(xí)硬件描述語言Verilog，讓學(xué)生將實(shí)際實(shí)際電路和硬件描述語言對應(yīng)聯(lián)系起來。同時(shí)配套學(xué)習(xí)各種軟件調(diào)試工具，掌握各種虛擬儀器的使用。這時(shí)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在器件設(shè)計(jì)這一級，要求學(xué)生能夠用Verilog設(shè)計(jì)組合電路(譯碼器、編碼器、多選一多路轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算器、ALU電路等)、時(shí)序電路設(shè)計(jì)(觸發(fā)器、鎖存器、各類寄存器、時(shí)鐘和定時(shí)等)以及半導(dǎo)體存儲器等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成的基本器件可以直接為后續(xù)《計(jì)算機(jī)組成》課程實(shí)驗(yàn)所用。

“計(jì)算機(jī)組成”課程實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在部件設(shè)計(jì)這一級。由于先修課程“邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的良好基礎(chǔ)和連貫性，可以利用前面設(shè)計(jì)的器件組成部件。最大限度地利用有限的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，不會使學(xué)生負(fù)擔(dān)過重，更主要的是可以加深對前面課程的理解，要求學(xué)生能夠用Verilog設(shè)計(jì)單周期和多周期實(shí)現(xiàn)的簡單(十幾條指令)的32位RISC CPU，并寫一段使有這些指令的測試程序，利用相應(yīng)的匯編語言及其編譯程序，翻譯成二進(jìn)制代碼，并能將CPU軟核和測試程序代碼寫入FPGA開發(fā)板，進(jìn)行實(shí)際測試和驗(yàn)證。

后面的“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程主要完成前面設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)的流水線設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能夠用Verilog設(shè)計(jì)流水線實(shí)現(xiàn)的簡單(十幾條指令)的32位RISC CPU，并能寫入FPGA做測試驗(yàn)證。以后還可以逐步增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如：進(jìn)一步增加中斷處理功能，Cache設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等。與原來的教學(xué)方案(軟件模擬實(shí)現(xiàn)流水線)相比，學(xué)生可以有更強(qiáng)的硬件設(shè)計(jì)訓(xùn)練，對于教學(xué)內(nèi)容的理解也更加深刻，實(shí)驗(yàn)水平有較大程度的提高。這也是一些國外著名高校的計(jì)算機(jī)本科學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的要求。由于有前兩門課程的基礎(chǔ)，我們就可以在非常有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)(16學(xué)時(shí))內(nèi)完成較高的實(shí)驗(yàn)要求。

再利用FPGA板卡，學(xué)習(xí)一些常用的輸入輸出設(shè)備接口設(shè)計(jì)方法。如：鍵盤、鼠標(biāo)、USB口等等，擴(kuò)展前面設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)的接口。然后在“嵌入式系統(tǒng)”課程里面增加嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，和“操作系統(tǒng)”課程結(jié)合，為自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝上Linux。

2.3軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)

軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重于學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析能力以及軟件開發(fā)過程訓(xùn)練，分軟件技術(shù)和軟件工程兩個(gè)環(huán)節(jié)。

軟件技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程主要包括核心課程如“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)庫原理”、“編譯原理”等實(shí)驗(yàn)。這幾門課是計(jì)算機(jī)軟件課程體系中分量最重的課程。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，與軟件、硬件均密切關(guān)聯(lián)，是所有軟件中最復(fù)雜的。這種高度復(fù)雜性給《操作系統(tǒng)》課程的教學(xué)帶來了高難度。學(xué)生只有通過操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，才能真正掌握操作系統(tǒng)的原理知識，逐步理解和掌握操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和方法，解決實(shí)際問題。

浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院是國內(nèi)最早接觸Linux的機(jī)構(gòu)之一，也最早將Linux介紹給學(xué)生。在操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，并不拘泥于操作系統(tǒng)原理的書本內(nèi)容的驗(yàn)證，而是緊緊結(jié)合Linux內(nèi)核，將Linux作為實(shí)例來分析，詮釋操作系統(tǒng)原理中抽象的概念、算法和理論。以Linux系統(tǒng)為基點(diǎn)，將操作系統(tǒng)的進(jìn)程、調(diào)度、同步、虛擬存儲、換頁、文件系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)用、設(shè)備驅(qū)動等等分散、枯燥的知識點(diǎn)，還原為一個(gè)整體。這不但加深了本科生對于操作系統(tǒng)原理的理解，而且開始逐步熟悉了Linux技術(shù)。

“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。“編譯原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)語言的編譯系統(tǒng)。

軟件工程實(shí)驗(yàn)課程主要包括“軟件工程基礎(chǔ)”、“軟件文檔寫作”、“項(xiàng)目管理與案例分析”、“軟件過程管理(CMM)”、“系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)”、“軟件體系結(jié)構(gòu)”、“軟件需求工程”、“軟件質(zhì)量保證與測試”、“統(tǒng)一建模語言”、“J2EE/.NET平臺技術(shù)”共十門課程。

在軟件工程實(shí)驗(yàn)課程中將這些涉及軟件工程全過程的實(shí)驗(yàn)課程前后銜接，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和連貫性，學(xué)會軟件開發(fā)生命周期管理和組織。

學(xué)生要分組合作完成一個(gè)從軟件需求到設(shè)計(jì)、管理、實(shí)現(xiàn)等包含軟件工程方法全過程的實(shí)際項(xiàng)目。每個(gè)小組模擬組成一個(gè)項(xiàng)目組，設(shè)一位組長擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理的角色，其他組員按分工分別擔(dān)任不同的角色，在項(xiàng)目完成過程中起不同的作用。根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)展，在每個(gè)環(huán)節(jié)由指導(dǎo)教師進(jìn)行分析和評價(jià)，給出成績。最終考核以組為單位進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，由“項(xiàng)目經(jīng)理”負(fù)責(zé)驗(yàn)收時(shí)的答辯，對組內(nèi)不同角色考核時(shí)按不同比重給予成績。這不但培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、檢驗(yàn)了專業(yè)知識的掌握運(yùn)用，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的組織能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和領(lǐng)導(dǎo)才能，有效地提高了工程實(shí)踐教學(xué)效果。

2.4課外實(shí)踐

僅僅靠實(shí)驗(yàn)室有限的題目并不能給優(yōu)秀學(xué)生挑戰(zhàn)的激情，必須讓優(yōu)秀學(xué)生直接面對高手一決高低。學(xué)科比賽和科技競賽是體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和檢驗(yàn)知識應(yīng)用能力的重要手段，許多比賽同時(shí)還是培養(yǎng)、展示學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)造能力和創(chuàng)業(yè)精神的重要平臺。各種競賽激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)高手的激情，真正培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)世界一流的能力。

實(shí)施“項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)”教學(xué)，聘請企業(yè)專家，組織與指導(dǎo)學(xué)生模擬企業(yè)環(huán)境進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，給學(xué)生帶來了真實(shí)的企業(yè)研發(fā)的環(huán)境和流程，為學(xué)生參加企業(yè)實(shí)習(xí)做好準(zhǔn)備。

3總結(jié)

理念的創(chuàng)新是推動教學(xué)管理創(chuàng)新的先導(dǎo)。一種先進(jìn)的理念，不僅決定一種思維方式和決策行為，往往還會形成一種先進(jìn)的工作方式和管理模式。改革傳統(tǒng)教學(xué)管理觀念與模式，構(gòu)建適應(yīng)我國高等教育實(shí)際、面向創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是十分必要的。