實 踐 求 真 育 英 才
——談計算機工程實踐能力的培養(yǎng)

周興銘

(國防科學技術(shù)大學計算機學院， 湖南 長沙 410072)

0 引言

我國高等院校承擔著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學技術(shù)文化、促進社會主義現(xiàn)代化建設的重大任務。提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務，也是建設高等教育強國的基本要求。

常言道，“實踐中出真知，實踐中長才干”。實踐教學作為人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，起著融會貫通所學知識、促進理論與實踐相結(jié)合的重要作用，是培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新精神的重要過程，也是培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才的重要手段。當今中國，實踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)創(chuàng)新型、實用型、復合型人才方面具有不可替代的重要作用獲得了廣泛共識。2012年，教育部4號文件中明確指出：要“強化實踐育人環(huán)節(jié)。制定加強高校實踐育人工作的辦法。結(jié)合專業(yè)特點和人才培養(yǎng)要求，分類制訂實踐教學標準。增加實踐教學比重，確保各類專業(yè)實踐教學必要的學分(學時)。配齊配強實驗室人員，提升實驗教學水平。加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設。”本文結(jié)合國防科技大學計算機工程實踐教學建設與發(fā)展就此問題作一探討。

1 計算機實踐教育理念的形成與傳承

國防科技大學的計算機事業(yè)起步于上個世紀50年代，人才培養(yǎng)隨著科研型號項目的推進而逐漸形成規(guī)模和體系。當時計算機還是個稀罕物，計算機人才極為緊缺。老一輩銀河擎旗人慈云桂先生高瞻遠矚，在科研工作十分忙碌的情況下，組成了一支精干力量的教學團隊，自編教材，邊干科研邊搞教學。教學的舞臺甚至就在科研實驗室，科研儀器設備經(jīng)過加工改造成為最合適的實驗器材。我國第一代電子管計算機(魚雷指揮儀)研制成功不久就安裝到教學實驗室，開創(chuàng)全國用整機開設計算機實驗課的先河，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用，這一優(yōu)良傳統(tǒng)一直得到了繼承和發(fā)揚。斗轉(zhuǎn)星移，一代又一代的棟梁之才培養(yǎng)出來了，人才培養(yǎng)體系逐漸建立和完善并凝聚成了“堅持教學、科研、生產(chǎn)三結(jié)合，促進計算機學科建設”教學成果。1989年，該項成果獲得了國家教學成果特等獎?？v觀半個世紀的銀河事業(yè)，毫不夸張地說，正是國家的需要具體化為學院一項項重大科研工程，正是科研工程的需要牽引教學與人才培養(yǎng)體系的建設和發(fā)展，正是科研和教學的緊密結(jié)合形成了具有豐富內(nèi)涵的實踐教學體系和教學相長的人才培養(yǎng)模式。一方面，寓人才的培養(yǎng)于科研一線，通過解決實際問題不斷磨礪和提升教師的能力；另一方面，不斷選拔在工程研制中涌現(xiàn)出的經(jīng)驗豐富的優(yōu)秀骨干充實到教學第一線，以解決理論脫離實際的問題。

在數(shù)十年的奮斗歷程中，崇尚實踐，崇尚創(chuàng)新成為一代又一代銀河人的共同信念。面向計算機、微電子、軟件工程、網(wǎng)絡與信息安全技術(shù)的飛速發(fā)展與交叉融合的局面，實踐教學的理念與手段亦需有創(chuàng)新?？上驳氖?，計算機實踐教學團隊也在不斷進步，圍繞教書育人、實踐育人又有了新的貢獻和創(chuàng)造(圖1)。

圖1 本科生參加“天河一號”超級計算機系統(tǒng)裝機任務

近些年來，在國家和軍隊重點建設計劃的支持下，我校計算機實踐教學條件有了長足的進步。計算機教學實驗室在用房、設備、人員等方面獲得了很大的補充，持續(xù)推進的實踐教學改革成果豐碩：建成了國家級計算機實踐教學示范中心，先后有7門課程進入國家級精品課程行列；研發(fā)和推廣了一批實驗教學系統(tǒng)和實驗平臺工具；與全國同行一道，編撰《高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)實踐教學體系與規(guī)范》等指導性文件，以教育部計算機教學指導委員會的名義出版，在全國高校推廣，產(chǎn)生了廣泛的影響。

2 計算機實踐教學的特色與發(fā)展

2.1 創(chuàng)建新的計算機實踐教學體系

著眼未來國家和國防建設的需要，我校在制定人才培養(yǎng)方案中始終強調(diào)“堅持把重實踐作為推進人才培養(yǎng)科學發(fā)展的重要理念，作為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要著力點，作為統(tǒng)籌人才培養(yǎng)工作的重要抓手”，著力塑造厚基礎、重實踐、強能力、實踐貫穿全程的教學特色。與之相呼應，計算機學院提出并實踐了“4433”計算機專業(yè)實踐教學體系：將計算機實踐教學與能力培養(yǎng)貫穿于課程實驗、實習/實訓、課外實踐和畢業(yè)設計等四個環(huán)節(jié)；進一步將課程實驗分為基礎驗證性實驗、課內(nèi)綜合性實驗、綜合課程設計和自主科研創(chuàng)新活動四個層次；全方位培養(yǎng)學生計算機硬件、軟件、網(wǎng)絡與安全三個方面的工程實踐能力；并通過不斷建設和完善教學團隊、實踐教學環(huán)境和實踐教學管理三個支撐條件使整個實踐教學體系得以有效運轉(zhuǎn)。

特別是通過學生自己組織的“銀河之光”文化節(jié)開展系列科技創(chuàng)新實踐活動，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的同時，鍛煉學生的組織協(xié)調(diào)能力；通過與地方單位和部隊建立實習和實訓基地，使學生在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決應用問題；通過開展學科和軍事特色濃厚的專題式畢業(yè)設計組訓方式改革，90%的畢業(yè)設計選題與科研課題、工程項目或者部隊實際系統(tǒng)有關，強化了學生工程實踐能力培養(yǎng)與服務部隊意識的養(yǎng)成。

2.2 拓展計算機實踐教學內(nèi)涵改革

進入新世紀，特別是近年來，信息技術(shù)仍處在高速發(fā)展的態(tài)勢，學科間的交叉與融合更加豐富，如何因應發(fā)展態(tài)勢，優(yōu)化學科特色，拓展為軍服務能力成為我校計算機實踐教學內(nèi)涵改革的重要內(nèi)容。

2.2.1突出系統(tǒng)級訓練，形成以硬件能力見長的特色與優(yōu)勢

長期以來，國內(nèi)計算機人才培養(yǎng)普遍都存在重軟件輕硬件的現(xiàn)象。一方面，由于軟件人才需求量相對較大，在資金投入、技術(shù)積累、實踐條件要求等多方面相對較低；另一方面，隨著EDA設計技術(shù)的發(fā)展，計算機硬件系統(tǒng)設計的軟件化現(xiàn)象越來越普遍，導致很多高校輕視學生硬件實踐能力培養(yǎng)。長此以往，將會造成宏觀上人才結(jié)構(gòu)不合理，微觀上人才的發(fā)展空間受限。隨著社會對復合型、創(chuàng)新型人才的需求不斷提升，系統(tǒng)級(軟、硬結(jié)合)實踐能力的缺失將帶來嚴重的負面影響。

以“銀河”、“天河”系列超級計算機、“銀河玉衡”核心路由器、“銀河飛騰”系列芯片為代表的一系列大型科研課題不斷擴展，使得計算機教學實驗室在硬件以及系統(tǒng)級能力訓練上提供了國內(nèi)一流的實踐條件，教師團隊有意識強化學生的硬件實踐能力培養(yǎng)并形成了獨特的優(yōu)勢。

在制定人才培養(yǎng)方案時，充分考慮硬件系列課程在課程體系框架中的獨特地位，開出了一組高水平的硬件系列課程及相應的配套實驗課。以“計算機原理課程設計”實驗課程為例，20多年的教學歷程總結(jié)起來大致可劃分為三個階段。

第一個階段，(上世紀90年代初)，學生在面包板實驗箱上以VLSI芯片(74LS181、74LS138、74LS00等)，配以成組的導線設計并實現(xiàn)各種類型的CPU。多輪實踐下來，學生普遍反映對CPU基本工作原理與特點有了深刻的理解。

第二個階段(上世紀90年代后期)，學生使用可編程邏輯器件在實驗箱上實現(xiàn)CPU。

第三個階段(2000年以后)，我們依靠多年技術(shù)積累和技術(shù)革新，先后研發(fā)了“六合一”計算機系統(tǒng)實驗平臺(圖2)、“天河陽光”硬件綜合實驗平臺(圖3)。該平臺采用“ARM+FPGA”架構(gòu)，可開展從元件、部件

到系統(tǒng)各層面的實踐教學，針對不同的課程可以采用原理圖輸入、提供構(gòu)件設計以及基于HDL語言的設計方法，實現(xiàn)了硬件課程實驗平臺的統(tǒng)一，使得硬件課程實驗內(nèi)容可以一體化設計。同時，學生可以通過先進的實驗平臺設計驗證CPU多級流水、Cache、多核等功能，并在此基礎上開展創(chuàng)新實踐。更進一步，通過升級可以將操作系統(tǒng)、編譯環(huán)境移植到該平臺上，實現(xiàn)一個軟硬皆可實驗的綜合實驗平臺，有效地鍛煉學生全系統(tǒng)設計實踐能力。

圖2 學員小組在實驗平臺上進行調(diào)試

圖3 “天河陽光”硬件綜合實驗平臺

此外，當今的硬件設備呈現(xiàn)微型化、智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢，以Google眼鏡、iWatch、3D打印機、智能機器人、無人機等新設備與新裝置層出不窮。針對發(fā)展趨勢，實驗室積極引進新設備，更新實踐教學計劃，整合軟、硬件開發(fā)能力訓練。例如，批量采購Lego、NAO等多款智能機器人，引入Android智能終端、無人機等平臺，更新和優(yōu)化“程序設計”、“人工智能”、“嵌入式系統(tǒng)”等課程實驗內(nèi)容，同時大量設置創(chuàng)新實踐題目，鼓勵由學生自擬題目，自組團隊申請各級創(chuàng)新實踐計劃。

可以說，實踐條件的改善，自由競爭氛圍的建立喚起了學生強烈的探索興趣，對于實現(xiàn)從實驗驗證到綜合創(chuàng)新的跨越，突出學生硬、軟件一體化的實踐能力的培養(yǎng)起到了重要的作用。

(未完待續(xù))