計算機科學與技術專業(yè)實驗課程體系的創(chuàng)新與實踐

文章編號：1672-5913(2008)10-0027-02

摘要：本文介紹了國防科技大學計算機學院在人才培養(yǎng)實踐方面的具體做法，即將實驗課程體系劃分為基礎驗證性實驗、課內綜合性實驗、綜合課程設計和自主創(chuàng)新實踐四個層次，在計算機科學與技術專業(yè)的計算機硬件、計算機軟件和網(wǎng)絡工程三個專業(yè)方向上大規(guī)模設立綜合性課程設計。

關鍵詞：實驗課程體系；創(chuàng)新與實踐；計算機學科

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1緊跟學科前沿，構建實驗教學體系

我院長期跟蹤、研究了ACM和IEEE聯(lián)合推出的教學計劃和美國CC2001教程，并深入剖析了國內外十多所一流大學和著名軍事院校的專業(yè)課程體系，并據(jù)此制訂了國防科技大學計算機學院計算機科學與技術2002本科教學計劃。我們將實驗課程體系劃分為基礎驗證性實驗、課內綜合性實驗、綜合課程設計和自主創(chuàng)新實踐四個層次，如圖1所示。這四個層次之間點面結合、融會貫通、配合緊密、循序漸進、環(huán)環(huán)相扣。

以計算機硬件方向為例，在“模擬電子技術”、“數(shù)字電子技術”和“數(shù)字邏輯”三個課程內的基礎驗證性實驗和課內綜合性實驗基礎上，開設“數(shù)字邏輯課程設計”；在“計算機原理”和“數(shù)字系統(tǒng)設計工程”兩個課程內的基礎驗證性實驗和課內綜合性實驗以及“數(shù)字邏輯課程設計”基礎上，開設“計算機原理課程設計”；在“計算機控制基礎”、“計算機體系結構”和“嵌入式系統(tǒng)”三個課程內的基礎驗證性實驗和課內綜合性實驗以及“數(shù)字邏輯課程設計”和“計算機原理課程設計”基礎上，開設“嵌入式系統(tǒng)課程設計”；形成從電子器件到功能單元、再到部件、最后到系統(tǒng)的實驗課程體系，依次推進，最終讓學生深入而系統(tǒng)地掌握計算機硬件的原理與技術。

這種創(chuàng)新性的實驗體系科學、可行，有效保證了實驗建設具有先進的水平和顯著的效果，為后續(xù)實驗內容、實驗平臺、實驗組織管理等方面建設奠定了堅實的基礎。綜合課程設計和自主創(chuàng)新實踐采用項目團隊的方式組織和實施，幫助學生樹立團隊精神和協(xié)作精神，培養(yǎng)學生的組織能力和創(chuàng)新能力。

為了能夠更好地發(fā)揮綜合課程設計的作用，我們率先在計算機科學與技術專業(yè)學科課程體系三個專業(yè)方向上大規(guī)模設立了綜合性課程設計并單獨設課，見表1。這些綜合性課程設計穿插在系列課程學習的各個階段開展，實驗內容結合了我們的科研方向，體現(xiàn)了綜合性和系統(tǒng)性，不僅強調培養(yǎng)學生具有綜合運用所學的多門課程知識解決實際問題的能力，更加強調系統(tǒng)分析、設計和集成能力，以及強化培養(yǎng)學生的獨立實踐能力和良好的科研素質。

圖1 實驗課程體系的層次

表1 計算機科學與技術專業(yè)的專業(yè)方向

2教學科研結合，創(chuàng)新實驗教學內容

我院在堅持依照教學大綱施訓的基礎上，根據(jù)計算機技術發(fā)展迅速的特點，結合我院科研實踐和成果，設置了9門綜合課程設計并逐步開設一批新的實驗項目，使學生能夠學到較新的知識，取得了顯著的效果。

例如“數(shù)字邏輯課程設計”課程，作為“數(shù)字電子技術”、“數(shù)字邏輯”的后續(xù)課程，要求學生在計算機系統(tǒng)綜合設計平臺上掌握計算機部件級的邏輯功能設計，通過數(shù)字鬧鐘、八位運算器、交通燈、乒乓球游戲、流水算術邏輯部件、串行收發(fā)器等課程實驗內容，可以使學生在進一步理解課程內容的基礎上利用較先進的設計手段掌握數(shù)字系統(tǒng)設計和調試的工具和方法，增加集成電路應用知識，培養(yǎng)學生的實際動手能力和分析、解決問題的能力；在后續(xù)的“計算機原理課程設計”課程中進一步要求學生學習和掌握HDL語言描述電路，并使用HDL語言設計和實現(xiàn)一個完整的八位機，通過邏輯模擬和綜合，在計算機系統(tǒng)綜合設計平臺上測試和驗證。通過這一系列課程的學習，可以使學生進一步理解計算機原理和組成，掌握計算機部件的設計方法，培養(yǎng)學生的實際操作能力和分析解決問題的能力。

再比如“人工智能導論”課程，我們在實驗教學過程中嘗試對以Agent為中心的教學方法進行擴展，以機器人為主線，將人工智能的各個論題處理成機器人任務，學生通過構建機器人并編程完成任務，更好地將人工智能的各個知識點有機整合起來。更重要的是，機器人論題對學生來說是個極大的激勵，學生的學習過程有相當?shù)某删透?。目前我們用于實驗教學的典型實驗內容如表 2所示。在學?！笆晃濉睂嶒灲虒W經(jīng)費的支持下，我們將繼續(xù)豐富和拓展更深層次的實驗教學內容。

表2 “人工智能導論”實驗教學內容

3 依托學科優(yōu)勢，完善實驗支撐體系

經(jīng)過“十五”的建設，依托計算機科學與技術國家重點學科的優(yōu)勢，我們進一步完善了實驗教學軟硬件條件的建設，形成了完整的實驗教學支撐保障體系。

在實驗教學硬條件建設上，一方面我們建設并完善了專門的基礎教學實驗室“計算機技術與網(wǎng)絡實驗中心”，下分“計算機系統(tǒng)實驗室”、“計算機軟件及應用實驗室”和“計算機網(wǎng)絡實驗室”三個分實驗室，制定了一系列的實驗教學規(guī)范和管理制度，方便老師與學生開展課程實驗教學；另一方面我們依托“211”工程和“985”建設，利用“高性能計算中心”等專業(yè)科研環(huán)境支撐創(chuàng)新活動、畢業(yè)設計等實踐教學活動。

在實驗教學軟條件建設上，一方面我們充分貫徹教學科研相互促進的宗旨，將一些科研成果，如銀河系列巨型機系統(tǒng)等直接服務于課程實驗教學，更好地幫助學生學習內容；另一方面我們充分開發(fā)調動老師的創(chuàng)造性和積極性，自主編寫配套的實驗教材、自主研制配套的軟硬件實驗平臺。

在不斷吸取國內外著名大學教材建設先進成果的基礎上，面向我院的課程體系改革和建設需要，自編實驗教材和講義十余部，例如《收音機安裝指南》、《數(shù)字邏輯課程設計》、《計算機系統(tǒng)課程綜合設計指導書》、《嵌入式系統(tǒng)課程設計實驗指導書》、《程序設計課程設計》、《操作系統(tǒng)課程設計》、《軟件工程課程設計》、《網(wǎng)絡工程課程設計》和《網(wǎng)絡攻防課程設計》等，并有多部高水平教材已經(jīng)正式出版。目前我們已經(jīng)逐步建立起了和課程體系相配套、結合自身科研實際的富有特色的完整實驗教材體系。

在硬件實驗平臺方面，我們在國內率先自主研制成功了計算機系統(tǒng)綜合設計平臺，見圖2。該平臺可以滿足數(shù)字邏輯課程設計、計算機原理課程設計、數(shù)字系統(tǒng)設計工程、計算機系統(tǒng)結構和超大規(guī)模集成電路(VLSI)設計等多門課程的實驗教學需求。

在軟件實驗平臺方面，我們自主設計研發(fā)了NetDemo計算機網(wǎng)絡原理輔助教學系統(tǒng)，見圖3。該系統(tǒng)可以對計算機網(wǎng)絡的主要原理和有關協(xié)議進行參數(shù)可配置的、直觀的、動態(tài)的多媒體演示，使原來靜態(tài)的板書式文字教學成為動態(tài)的、圖文并茂的、交互式演示性教學，在提高學生對網(wǎng)絡原理理性認識的同時增強了學生的感性認識，并提高了學生的學習興趣。

圖2 計算機系統(tǒng)綜合設計平臺

圖3 NetDemo計算機網(wǎng)絡原理輔助教學系統(tǒng)

4整合教學資源，加強實驗隊伍建設

我們十分重視實驗教學隊伍建設，通過各種途徑加強實驗教學隊伍建設。目前我們的實驗教學隊伍主要包括專職實驗教師、兼職實驗教師、TA(教學助理)和研究生教輔組成。從2004年開始我們借鑒國外大學成功經(jīng)驗，在綜合性課程設計課程中聘請TA。此外在學院的研究生培養(yǎng)方案中明確規(guī)定，所有研究生學生必須參加課程輔導，課程輔導成績合格方可畢業(yè)，研究生教輔力量成為實驗教學隊伍的有力補充。通過整合各種教學資源，增強了學院實驗輔導力量，促進了實驗隊伍建設，對人才培養(yǎng)起到了很好的支撐作用。

5注重全面發(fā)展，開展創(chuàng)新實踐活動

通過“十五”期間的全面實施，實驗教學效果明顯，學生的綜合素質、工程實踐能力、團隊意識、創(chuàng)造性思維得到進一步提高，2006年我院“創(chuàng)新實驗課程體系、增強學生實踐能力、培養(yǎng)高素質人才”獲國防科技大學教學成果一等獎。我院畢業(yè)學生業(yè)務能力強，能夠適應軍隊和國家建設要求，受到用人單位和領導機關的高度評價。

2004年以來，我們組織本科學生參加各種學科競賽60余次，參加人員近700人次，有415人次獲獎，學科競賽成績突出。其中有代表性的獎項有：8人次獲國際數(shù)模競賽一等獎；14人次獲國際數(shù)模競賽、ACM國際大學生程序設計競賽二等獎；18人次獲全國數(shù)模競賽、電子設計競賽、機械創(chuàng)新設計大賽一等獎；43人次獲全國數(shù)模競賽、嵌入式系統(tǒng)設計競賽等二等獎。本科生組隊參加主要由研究生參加的全國微軟“創(chuàng)新杯”軟件開發(fā)大賽獲團體銀獎。

6致謝

感謝國防科學技術大學“十一五”教學研究項目“探索開拓博士研究生國際學術交流空間的方法和途徑”和國防科學技術大學“十一五”本科重點課程建設項目“計算機網(wǎng)絡”和“計算機程序設計”的資助。

參考文獻

[1] 國防科技大學計算機學院2002本科教學計劃[R]. 國防科技大學，2002.