計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐

高曉清

摘要:本文分析計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題,圍繞如何面向?qū)嶋H應(yīng)用、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的創(chuàng)新等教學(xué)中的關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究,提出行之有效的提高教學(xué)質(zhì)量的方法,即以ISP技術(shù)為主線改革計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容;采用案例教學(xué)法作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)的主要方法。實(shí)踐表明這些探索與實(shí)踐在提高學(xué)生的動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)以適應(yīng)新形勢(shì)下培養(yǎng)創(chuàng)新性人才方面取得較好的效果。

關(guān)鍵詞:ISP技術(shù);課程體系;質(zhì)量工程;創(chuàng)新意識(shí);案例教學(xué)法

中圖分類(lèi)號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,新技術(shù)與方法已在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用,但目前許多高等院校計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際脫節(jié),教學(xué)體系設(shè)置和教學(xué)方法無(wú)法完全滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求。在我國(guó)高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中,普遍存在重視計(jì)算機(jī)軟件方面知識(shí)的學(xué)習(xí)和培養(yǎng),忽視對(duì)計(jì)算機(jī)硬件方面知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,特別是在硬件工程方面,學(xué)生得到的訓(xùn)練更少,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際能力更無(wú)從談起;盡管目前許多硬件課程的設(shè)置與歐美等計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的課程設(shè)置接近,但教學(xué)知識(shí)體系、內(nèi)容及教學(xué)方法等有許多需要斟酌的地方,教學(xué)內(nèi)容無(wú)法適應(yīng)時(shí)代的需求,有些與現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重脫離,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高,學(xué)習(xí)效果不好。

目前正在高校實(shí)施的高等教育質(zhì)量工程,重點(diǎn)在于提高學(xué)生的動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí),為我國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新性國(guó)家打下基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),有必要對(duì)高等教育課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革,以適應(yīng)新形勢(shì)下培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需要。由于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展迅速,各種新技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法更應(yīng)不斷地調(diào)整和更新。

1現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

大多數(shù)高等院校計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)涉及的硬件教學(xué)課程主要有“數(shù)字邏輯”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”等,在新形勢(shì)下部分課程內(nèi)容設(shè)置顯得不夠合理,部分教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié),影響了教學(xué)效果,無(wú)法完全滿足教學(xué)大綱中要求的動(dòng)手能力培養(yǎng),更無(wú)法有效培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí)。

目前,作為計(jì)算機(jī)教學(xué)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的“數(shù)字邏輯”,要求學(xué)生掌握組合邏輯、時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法,研究對(duì)象主要是分立元件、通用中小規(guī)模集成電路及基本的可編程器件等,介紹的方法也以傳統(tǒng)方法為主,已無(wú)法適應(yīng)目前應(yīng)用的需要;作為專(zhuān)業(yè)主干課程的“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,主要內(nèi)容是討論計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)、各功能部件原理及設(shè)計(jì)方法,同時(shí)介紹當(dāng)前的新技術(shù)、新方法,目的是讓同學(xué)們熟悉計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu),為以后應(yīng)用和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。目前大家普遍采用的教材在部件設(shè)計(jì)中討論的方法主要是硬布線邏輯或微程序設(shè)計(jì)方法:硬布線邏輯運(yùn)行速度高,但缺乏靈活性;微程序設(shè)計(jì)方法有一定的靈活性,但資源占用多,運(yùn)行速度慢。盡管這兩種方法對(duì)于理解計(jì)算機(jī)組成原理不失為一種較好的選擇,但由于缺乏實(shí)際應(yīng)用背景,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣受到影響,教學(xué)效果也大打折扣,提高學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)更是無(wú)從談起?！皡R編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程也存在類(lèi)似尷尬,討論以16位個(gè)人計(jì)算機(jī)為背景的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí),適合入門(mén)和了解基本原理,但與“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程一樣,由于缺乏實(shí)際應(yīng)用背景,教學(xué)目標(biāo)無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)。

隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)、系統(tǒng)編程(ISP)、片上系統(tǒng)(SOC)等技術(shù)的發(fā)展,32位個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已很成熟,多核64位計(jì)算機(jī)應(yīng)用也將逐步成為主流。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較強(qiáng)的軟硬件知識(shí)綜合應(yīng)用能力,因此在計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)中應(yīng)加大相關(guān)新技術(shù)的比例,并根據(jù)實(shí)際及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。國(guó)外許多知名高校本科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)作了適時(shí)調(diào)整,如麻省理工學(xué)院非常注重學(xué)生的設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng),為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程,要求學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中自主設(shè)計(jì)ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至流水線32位Mips CPU和Cache;斯坦福大學(xué)也有相似的課程和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié);加州大學(xué)伯克利分校和楊百翰大學(xué)在基于可編程邏輯的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面也有大量成果。

當(dāng)前在國(guó)內(nèi),案例教學(xué)已被越來(lái)越多的人所接受,尤其是在一些法學(xué)、工商管理類(lèi)高校已經(jīng)開(kāi)始廣泛運(yùn)用。案例教學(xué)法是一種動(dòng)態(tài)的、開(kāi)放的教學(xué)方法,目標(biāo)是解決學(xué)生如何用更有效的方式獲得知識(shí)以提高應(yīng)用能力的問(wèn)題。案例教學(xué)法具有綜合性、交互性、啟發(fā)性、針對(duì)性和可操作性等多種特征,它的使用大大縮短了教學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用之間的差距,同時(shí)對(duì)教師的教學(xué)觀念產(chǎn)生了重大的影響。鑒于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合緊密的特點(diǎn),教學(xué)中尤其適合案例式教學(xué)。目前在國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中,案例教學(xué)還處于一個(gè)起步階段,主要表現(xiàn)在:案例教學(xué)比例不夠,沒(méi)有形成完整的體系;案例數(shù)量不足,質(zhì)量欠缺;許多高校盡管重視案例教學(xué)的應(yīng)用,但是在案例的搜集、整理與分析等方面相對(duì)滯后;案例陳舊,缺乏代表性等。

2以ISP技術(shù)為主線改革計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)涉及的硬件教學(xué)課程按合理教學(xué)順序一般為“數(shù)字邏輯”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”、“單片機(jī)”、“嵌入式系統(tǒng)”等,一些課程可以在時(shí)間上重疊,如“數(shù)字邏輯”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等。

由于ISP、EDA技術(shù)可以靈活地開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硬件產(chǎn)品,是目前工程實(shí)踐領(lǐng)域和芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用最廣泛也是最有應(yīng)用前景的技術(shù),因此在計(jì)算機(jī)硬件課程的教學(xué)中應(yīng)該把相關(guān)技術(shù)列為重要內(nèi)容,即以ISP、SOC技術(shù)為主線,使相關(guān)課程形成一個(gè)完整的體系,達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),在“數(shù)字邏輯”課程中,應(yīng)大幅增加可編程邏輯技術(shù)的比重,重點(diǎn)討論用EDA方法,利用ISP技術(shù)、SOC技術(shù)設(shè)計(jì)IP核的方法,使學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)全面的理解,并具備基本的實(shí)踐能力;在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中增加計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐的內(nèi)容,也可考慮再單獨(dú)增加一門(mén)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)課程以替代目前“計(jì)算機(jī)組成原理”課程設(shè)計(jì),在該課程中重點(diǎn)討論如何采用EDA方法,利用ISP技術(shù)、SOC技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)各部件如CPU、Cache等,通過(guò)實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐進(jìn)一步加深對(duì)相關(guān)技術(shù)的理解和掌握。

在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程可以考慮以16位計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)入門(mén),以討論32位計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為重點(diǎn)。相應(yīng)的,作為“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的先行課程,“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程也應(yīng)把相應(yīng)的內(nèi)容整體提升到32位,考慮到學(xué)習(xí)過(guò)程的先易后難,可以先介紹16位匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí)作為入門(mén),再對(duì)32位匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)。

單片機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上也是嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)應(yīng)用或用戶定制的完整、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較強(qiáng)的操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)方面知識(shí)的綜合應(yīng)用能力,其中特別是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力可以通過(guò)以上幾門(mén)硬件課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)逐步培養(yǎng),因此相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)注意銜接,同時(shí)遵循先易后難的原則,面向?qū)嶋H應(yīng)用,以提高動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)為目的。

針對(duì)實(shí)踐教學(xué),目前相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容固定,大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)步驟程式化,許多同學(xué)按教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃做完實(shí)驗(yàn),仍然無(wú)法充分理解課程的主要內(nèi)容,無(wú)法真正擁有教學(xué)大綱所要求的動(dòng)手能力。更重要的是計(jì)算機(jī)技術(shù)一直處于高速發(fā)展中,高等院校的計(jì)算機(jī)教學(xué)理應(yīng)不斷地適應(yīng)這種要求,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)適時(shí)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。解決問(wèn)題的一個(gè)好思路是利用ISP、SOC技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種內(nèi)容可定制的硬件課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),由于作為控制對(duì)象的外圍電路是相同或相近的,可以設(shè)計(jì)為通用模塊,而實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制部分則可以利用可編程邏輯改變,以適應(yīng)不同的課程。如控制部分設(shè)計(jì)為基本CPU即可做“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn);控制部分設(shè)計(jì)為單片機(jī)即可做“單片機(jī)”課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn);甚至控制部分可以設(shè)計(jì)為個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU,配合有關(guān)的接口電路,即可做“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)等。

在我院的計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)相關(guān)硬件課程教學(xué)實(shí)踐中,我們已作出了一些有益的探索,如我院“數(shù)字邏輯”教學(xué)大綱已在近年作過(guò)相應(yīng)調(diào)整,EDA技術(shù)、可編程技術(shù)的理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的比例從原來(lái)的20%增加到60%以上,經(jīng)過(guò)多年的建設(shè),“數(shù)字邏輯”課程在今年被評(píng)定為“湖北省精品課程”;在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中引入利用ISP技術(shù)設(shè)計(jì)CPU軟核等教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容;“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中也增加了32位計(jì)算機(jī)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和討論,新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以進(jìn)行32位的相關(guān)實(shí)驗(yàn)等,這些安排增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性也明顯提高了。

3采用案例教學(xué)法作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)的主要方法

案例教學(xué)法是一種事半功倍的教學(xué)方法,在教學(xué)過(guò)程中圍繞事先精選的典型的、具有工程背景的實(shí)際案例進(jìn)行討論,可以為同學(xué)們模擬實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景,獲得近似于實(shí)戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)。為完成設(shè)計(jì)目標(biāo),同學(xué)們自然會(huì)自己主動(dòng)學(xué)習(xí),在這一過(guò)程中掌握知識(shí),并學(xué)會(huì)應(yīng)用知識(shí),提高解決問(wèn)題的能力;也能通過(guò)用不同的途徑解決問(wèn)題,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。這樣教師在授課中可以把精力集中于教學(xué)內(nèi)容的總體把握上,而不需要過(guò)分在知識(shí)細(xì)節(jié)上消耗時(shí)間,提高了教學(xué)效率。

案例教學(xué)法關(guān)鍵在于選擇合適的案例,案例首先必須有代表性和實(shí)時(shí)性,必須是實(shí)踐中的典型應(yīng)用實(shí)例。在實(shí)踐中應(yīng)用的幾率高,具有普遍意義,這樣的實(shí)例在教學(xué)過(guò)程中值得花費(fèi)精力討論和設(shè)計(jì),才是有意義的。同樣重要的是案例需具有實(shí)際工程背景,學(xué)生可以面對(duì)具體的實(shí)際問(wèn)題和特定的環(huán)境,有針對(duì)性地通過(guò)自主學(xué)習(xí)和思考進(jìn)行設(shè)計(jì),培養(yǎng)實(shí)際解決問(wèn)題的能力。

案例還應(yīng)該形成相對(duì)固定的案例集,并具備一定的開(kāi)放性,應(yīng)定期對(duì)案例集進(jìn)行評(píng)估,剔除一些過(guò)時(shí)的案例,增加一些新的典型應(yīng)用實(shí)例。這樣就保證了案例的典型性、實(shí)時(shí)性及工程背景。

在教學(xué)實(shí)踐中,我們把案例教學(xué)法作為主要方法,并把案例分為4類(lèi):一是問(wèn)題評(píng)論型,給出問(wèn)題和解決問(wèn)題的方案,讓學(xué)生去評(píng)價(jià);二是分析實(shí)現(xiàn)型,不給出解決方案,要求學(xué)生討論分析以提出方案;三是實(shí)際模擬型,是指在教學(xué)過(guò)程中依據(jù)教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生分別充當(dāng)不同的角色,進(jìn)行模擬性的實(shí)踐活動(dòng);四是發(fā)展開(kāi)放型,通過(guò)案例發(fā)現(xiàn)新的理論生長(zhǎng)點(diǎn),討論相關(guān)理論的發(fā)展趨勢(shì)。我院在相關(guān)課堂教學(xué)中采用的部分案例如表1所示。

在“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成原理”等課程的重點(diǎn)章節(jié)教學(xué)中,我們通過(guò)采用上述案例法,調(diào)動(dòng)學(xué)生成為積極參與者,而不是消極被動(dòng)的聽(tīng)眾,在案例學(xué)習(xí)和討論中,鼓勵(lì)學(xué)生提出更多解決問(wèn)題的辦法,在課堂上營(yíng)造出積極發(fā)表意見(jiàn)和爭(zhēng)論的氣氛。這樣提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教學(xué)效果有明顯改善,學(xué)生的動(dòng)手能力有了顯著增強(qiáng)。教學(xué)改革后前后數(shù)據(jù)比較如表2所示。

4總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)面向?qū)嶋H應(yīng)用提高學(xué)生動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、確定完整合理的計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)硬件理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)體系的目的,我們提出了以ISP技術(shù)為主線的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革方案。它的主要內(nèi)容為兩方面:一是調(diào)整現(xiàn)有教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容,如在“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程中以“數(shù)字邏輯”課程為先導(dǎo),以ISP、SOC技術(shù)為主線貫穿于各相關(guān)課程教學(xué)過(guò)程中;在“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程中把主要內(nèi)容全面提升到32位等。二是在教學(xué)中運(yùn)用案例法,使學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)的主體,形成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)的開(kāi)放型學(xué)習(xí)氛圍。充分發(fā)揮案例教學(xué)有利于提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、有利于促使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、有利于促使學(xué)生學(xué)會(huì)溝通與合作的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)踐表明以ISP技術(shù)為主線的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程教學(xué)改革,符合國(guó)家高等質(zhì)量工程建設(shè)中培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的規(guī)劃,有效地增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。我們也意識(shí)到計(jì)算機(jī)工程教學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,牽涉到許多方面,我們將在實(shí)踐中探索教學(xué)規(guī)律,不斷提高教學(xué)水平,進(jìn)一步改善教學(xué)效果。

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Exploration and Practice of Innovative Training Model Related to Computer Engineering

GAO Xiao-qing

(College of Computer Science, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan 430073, China)

Abstract: The main problems in the teaching of computer engineering are analyzed. In order to enhance awareness of innovation of students, some effective methods are proposed to improve teaching quality. One is to reform the curriculum system of computer hardware taking the ISP technology as the key line of it; the other is to using Instances teaching as main teaching means. Practice shows that the exploration and practice in improving the practical ability of students to enhance their sense of innovation to meet the new situation fostering innovative talent has made good results.

Key words: the ISP technology; curriculum system; quality project; innovative consciousness; instances teaching