計算機一體化實驗教學(xué)改革與探索

全成斌+++鄭寧漢+++楊士強

摘 要：信息化社會需要高素質(zhì)的系統(tǒng)化人才，這對計算機實驗教學(xué)提出了一體化要求。近年來，清華大學(xué)國家級計算機實驗教學(xué)示范中心積極探索一體化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建，建設(shè)了適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一體化實驗教學(xué)平臺，從計算機系統(tǒng)設(shè)計到系統(tǒng)化創(chuàng)新性實踐訓(xùn)練，形成了一套行之有效的一體化實驗教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：計算機實驗；教學(xué)體系；人才培養(yǎng)；一體化

計算機學(xué)科具有技術(shù)發(fā)展快、知識更新快的特點，專業(yè)人才培養(yǎng)只有適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要才能有市場競爭力。具有計算機領(lǐng)域完備的軟硬件專業(yè)知識，在理論研究和工程應(yīng)用中，能以全局的觀念完成整體架構(gòu)設(shè)計，并對系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)軟硬件之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)調(diào)做出合理安排的人才，我們稱之為系統(tǒng)設(shè)計人才。這種“既懂軟件又懂硬件”的系統(tǒng)分析與設(shè)計能力，是計算機專業(yè)畢業(yè)生區(qū)別于信息學(xué)科類其他專業(yè)畢業(yè)生核心競爭力的集中體現(xiàn)。在軟件無所不在，可編程、可重構(gòu)、軟互聯(lián)等思想滲透到系統(tǒng)設(shè)計各個層面的時代，如何調(diào)動計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的積極性，并通過實驗教學(xué)體系和實驗平臺切實提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力，是目前各個高校計算機實驗教學(xué)面臨的重要問題。

一、高校計算機實驗教學(xué)發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代，我國高校開始設(shè)立計算機學(xué)科[1]。此后，高校計算機實驗教學(xué)發(fā)展大體分為三個階段。

第一階段，以計算機組成為主的硬件類課程是本學(xué)科核心課程。在當(dāng)時技術(shù)背景下，硬件課的實驗都采用分立元器件完成，實驗以電子管、晶體管為基礎(chǔ)[2]。清華大學(xué)計算機系60年代的911電子管計算機和112、724晶體管計算機，70年代DJS-100系列小型機都為人才培養(yǎng)做出過貢獻(xiàn)。但是由于紙帶輸入、磁帶存儲等外圍接口限制，軟件技術(shù)的發(fā)展速度受到嚴(yán)重制約，系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)主要圍繞硬件展開。

高考恢復(fù)后，伴隨著晶體管技術(shù)的發(fā)展和微處理器的普及，計算機教學(xué)進(jìn)入了第二個階段。軟件技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，各種系統(tǒng)和外圍接口出現(xiàn)。隨著計算機科學(xué)技術(shù)研究水平提高，實驗教學(xué)也越來越受到重視。清華大學(xué)編《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等教材（包括實驗教材）和TEC等系列實驗裝置在全國高校推廣應(yīng)用。我校在70年代就開設(shè)面向全校的“計算機程序設(shè)計”等計算機應(yīng)用課程，《Basic語言程序設(shè)計》、《C語言程序設(shè)計》等教材和相關(guān)實驗影響了全國幾代人。1998年，清華大學(xué)計算機系整合各個教研組的實驗室成立了面向計算機專業(yè)教育的計算機系教學(xué)實驗室，為實驗中心的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這個階段軟件、硬件的實驗教學(xué)比較均衡，系統(tǒng)類實驗教學(xué)則處于萌芽狀態(tài)。

隨著“985工程”在高校的實施，計算機實驗教學(xué)進(jìn)入了第三個階段。2004年，清華大學(xué)將隸屬于計算中心的基礎(chǔ)課教學(xué)老師合并到計算機系，成立計算機基礎(chǔ)教學(xué)部，明確了依托學(xué)科加強基礎(chǔ)課教學(xué)的理念，并且重新規(guī)劃了計算機基礎(chǔ)課體系和實驗教學(xué)體系。在實驗平臺上，2006年設(shè)計出“開放式CPU設(shè)計及測試系統(tǒng)”，用于“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實驗教學(xué)，進(jìn)一步改進(jìn)了TEC實驗裝置，推動了學(xué)生硬件實踐能力和CPU設(shè)計能力培養(yǎng)。近幾年，高度集成化芯片開始得到大量應(yīng)用，集群計算、并行計算、云計算等計算技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用，這些技術(shù)正逐步被應(yīng)用到實驗教學(xué)中。信息技術(shù)的快速發(fā)展，對我國系統(tǒng)軟件設(shè)計和硬件系統(tǒng)設(shè)計人才的需要更加迫切。如何培養(yǎng)軟件和硬件兩手都過硬的系統(tǒng)類人才，如何構(gòu)建以硬件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)化實驗教學(xué)體系是目前亟需解決的問題。

二、一體化是實驗教學(xué)改革的鑰匙

要建立一套行之有效的計算機系統(tǒng)化教學(xué)體系[3]，首先需要調(diào)整理論教學(xué)的內(nèi)容，增強理論的系統(tǒng)性，將計算機硬件基礎(chǔ)課程與計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等硬件核心課程有機結(jié)合，將編譯原理和操作系統(tǒng)等軟件核心課程與硬件類課程緊密綁定到一起，用嵌入式系統(tǒng)將所有核心理論課程綜合運用。這樣，學(xué)生很容易把握各門課程之間緊密的關(guān)系，從系統(tǒng)的層面認(rèn)識所學(xué)的各方面知識，硬件理論課之間不再涇渭分明，軟件、硬件不再各自為政。

理論教學(xué)核心內(nèi)容融合到一起的同時，需要重新設(shè)計和構(gòu)建新的實驗教學(xué)體系[4]，以打破原有課程間的界限，實現(xiàn)每個學(xué)生都能在改革后的教學(xué)過程中做出一套計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心CPU由學(xué)生自己設(shè)計，里面運行著他設(shè)計的操作系統(tǒng)和可以評測的軟件。

為了打開系統(tǒng)化實驗教學(xué)體系改革的大門，需要重新構(gòu)建一體化的計算機實驗教學(xué)體系，這是直接開啟該大門的鑰匙。以此為基礎(chǔ)，才能培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)創(chuàng)新思維、專業(yè)計算機硬件能力、系統(tǒng)設(shè)計能力、團隊合作能力，才能加強計算機專業(yè)學(xué)生的計算機軟件、硬件理論和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠從系統(tǒng)的角度，深入理解和認(rèn)識計算機。

三、一體化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建與實施

計算機學(xué)科兼具理論和實踐的雙重性，也是其學(xué)科先進(jìn)性的支點之一。構(gòu)建計算機一體化實驗教學(xué)體系，提升學(xué)生的計算機系統(tǒng)實踐能力是核心。為了探索網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)生計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式，我們從實驗設(shè)備開發(fā)、課程實驗設(shè)計與考核等多個層面入手，采取了一系列措施，在提高學(xué)生動手能力與創(chuàng)新能力方面下工夫，構(gòu)建了一體化的實驗教學(xué)體系。

1.一體化實驗教學(xué)體系

我們首先以系統(tǒng)化為導(dǎo)向，優(yōu)化計算機硬件課程內(nèi)容，以計算機硬件為基礎(chǔ)，兼顧學(xué)生接受知識由淺入深的學(xué)習(xí)要求，構(gòu)建了系統(tǒng)化的教學(xué)體系。教學(xué)體系分為三個層次：計算機基礎(chǔ)、計算機原理和計算機系統(tǒng)應(yīng)用。在計算機硬件核心課程中，硬件基礎(chǔ)課為“數(shù)字邏輯設(shè)計”，計算機原理課程細(xì)分為“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程，計算機系統(tǒng)應(yīng)用課程以“嵌入式系統(tǒng)”為核心課程。與計算機硬件類三個層次相對應(yīng)，計算機系統(tǒng)軟件以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以編譯原理和操作系統(tǒng)為原理核心，在嵌入式系統(tǒng)中將理論知識變成實用的系統(tǒng)。計算機硬件和軟件兩個維度合成一體，就形成了計算機系統(tǒng)化的教學(xué)體系。

為了加強學(xué)生系統(tǒng)化能力培養(yǎng)，系統(tǒng)課程方面的教師共同成立了系統(tǒng)教學(xué)研究組，將每門理論課程邊界清晰化。每門課程都由教學(xué)研究小組負(fù)責(zé)，其中既包含理論課教學(xué)教師，也包括實驗教學(xué)教師。系統(tǒng)教學(xué)研究組共同建設(shè)實驗教學(xué)體系，同時發(fā)揮個人技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)一體化實驗教學(xué)平臺，以實現(xiàn)課程之間無縫化，真正達(dá)到教學(xué)系統(tǒng)化。

我們基于計算機系統(tǒng)化教學(xué)體系，采用完全融入式建設(shè)方法，構(gòu)建了一體化的實驗教學(xué)體系。該體系以一體化實驗平臺為基礎(chǔ)，與系統(tǒng)化教學(xué)體系的實施完全同步，伴隨著每門課的進(jìn)行，由基礎(chǔ)實驗到原理實驗，最后落腳在系統(tǒng)實驗上。每個層次的實驗又細(xì)分成基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新實驗三個細(xì)分層次，做到細(xì)分層次之間有跨越，總體課程之間無縫隙。學(xué)生從基本邏輯門等單元電路開始學(xué)習(xí)，在有了用分立器件設(shè)計簡單數(shù)字邏輯部件能力后，基于可編程邏輯陣列（FPGA）學(xué)習(xí)設(shè)計大規(guī)模集成電路；在計算機原理課程中掌握計算機特定指令集下計算機的組成與設(shè)計和多種流水線設(shè)計、高速緩存管理控制設(shè)計以及多核技術(shù)等。這些課程及實驗，支持學(xué)生從分立器件到部件再到微處理器的設(shè)計，以及最后到一個計算機系統(tǒng)的設(shè)計，并在自主研發(fā)的系統(tǒng)化遠(yuǎn)程一體化實驗平臺上實現(xiàn)。在自己設(shè)計的計算機硬件系統(tǒng)上，學(xué)生將操作系統(tǒng)等核心軟件系統(tǒng)課程的知識融會貫通，并在同一個平臺上實驗完成系統(tǒng)設(shè)計。學(xué)生通過多門課程的學(xué)習(xí)，基于一個實驗平臺，能夠設(shè)計出一套運行自己設(shè)計的操作系統(tǒng)和程序的、包含了軟件和硬件的完整的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)建了計算機軟硬件整個系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了實驗教學(xué)的一體化。

2.遠(yuǎn)程計算機硬件一體化實驗平臺

在先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐下，我們基于數(shù)字電子技術(shù)和計算機硬件技術(shù)，梳理出各計算機硬件系列課程實驗的相互關(guān)系，優(yōu)化了各課程的實驗內(nèi)容和實驗平臺，自主研發(fā)了適于系統(tǒng)化計算機實驗體系的、能夠遠(yuǎn)程操作的、融合現(xiàn)代技術(shù)的計算機硬件一體化實驗平臺[5]。

該平臺支持計算機專業(yè)學(xué)生從邏輯門電路開始設(shè)計簡單邏輯部件，到計算機組成部件，再到各具特色的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成了學(xué)生自己設(shè)計的計算機基本系統(tǒng)。通過運行自己設(shè)計的操作系統(tǒng)和程序，最終形成自己的嵌入式系統(tǒng)。

這個先進(jìn)的一體化實驗平臺引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)知識到綜合應(yīng)用，再到研究創(chuàng)新知識，逐步深入學(xué)習(xí)和實踐。學(xué)生不必再將過多的精力花在如何操作使用多個硬件實驗平臺上，在一次學(xué)習(xí)使用平臺后就可以將精力完全放到各門課程的知識點上，進(jìn)而將各知識點綜合起來形成一個系統(tǒng)[6]。

該平臺可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中部署，學(xué)生可遠(yuǎn)程使用實驗平臺，實現(xiàn)實驗設(shè)備的24小時服務(wù)。同時，該平臺基于真實硬件，克服了虛擬演示實驗不能反映硬件真實結(jié)果的缺點。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程硬件實驗系統(tǒng)上就能完成各種硬件類實驗。為了方便學(xué)生調(diào)試自己的設(shè)計，系統(tǒng)提供軟件協(xié)議分析儀等遠(yuǎn)程調(diào)試工具，為學(xué)生提供遠(yuǎn)程實驗室服務(wù)和不斷創(chuàng)新設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

3. 系統(tǒng)設(shè)計實踐能力培養(yǎng)

計算機教學(xué)具有實踐性強的特點，通過實驗驗證、課程設(shè)計、專題訓(xùn)練、專業(yè)實踐等實踐活動，提高學(xué)生的實踐能力、科學(xué)作風(fēng)，加深對理論知識的理解。

一體化實驗教學(xué)體系的建立，將計算機理論知識在一個平臺上充分運用，將多門課程實驗無縫連接，軟件、硬件融為一體，實現(xiàn)了平臺一體化、系統(tǒng)一體化和知識一體化，將學(xué)生的系統(tǒng)理解和設(shè)計能力、系統(tǒng)設(shè)計實踐能力都提升到一個新的水平。

一體化實驗平臺整合了計算機組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理課程實驗，形成了計算機系統(tǒng)實驗。在這個平臺上，學(xué)生設(shè)計出了自己的32位CPU，并將操作系統(tǒng)課程使用的uCore系統(tǒng)移植到了該CPU上，同時也實現(xiàn)了高級語言編譯到該系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)嶒?。通過一體化實驗平臺和實驗體系建設(shè)，反過來又進(jìn)一步推動了計算機系統(tǒng)課程體系的改革，增強了對學(xué)生計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，也為即將開展的大規(guī)模在線計算機系統(tǒng)實驗教學(xué)提供了有力的技術(shù)探索和保障。

隨著一體化實驗教學(xué)的不斷深入，我校學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)效果凸顯出來。一位學(xué)生在完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗后表示：“一個友好的硬件平臺使得我們的調(diào)試工作更加方便，在經(jīng)過對一個CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自主設(shè)計實現(xiàn)后，我們感覺能夠更清晰地認(rèn)識一個計算機系統(tǒng)，對于要完成的目標(biāo)也更加明確?！?/p>

顯然，計算機系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)是我國新時期計算機實驗教學(xué)培養(yǎng)的主要方向。一體化實驗教學(xué)體系切實提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過這類一體化實驗體系的培養(yǎng)，能夠完成更多先進(jìn)的實驗，掌握更多、更好、更系統(tǒng)的計算機理論和實踐相結(jié)合的知識，建立了一體化的計算機知識體系和系統(tǒng)化的創(chuàng)新思維。

四、小結(jié)

計算機教學(xué)的重心需要放在計算機系統(tǒng)上。要在理論融合的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)實驗為突破點，建立起一套行之有效的計算機系統(tǒng)化實驗教學(xué)體系。

我們系統(tǒng)地探索出一套適用于計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科方向的一體化實驗教學(xué)體系，建設(shè)了基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程計算機硬件實驗一體化平臺，有效地將計算機硬件系列課程和核心軟件課程的實驗進(jìn)行了整合，更利于學(xué)生理解和學(xué)習(xí)計算機整個系統(tǒng)，為計算機系統(tǒng)教學(xué)開拓出了一條創(chuàng)新之路。

參考文獻(xiàn)

[1]清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系. 清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科本科專業(yè)教育培養(yǎng)體系. 清華大學(xué)出版，2011.

[2] 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所.歷史沿革. http：//www.ict.cas.cn/jssgk/lsyg/. 2012.

[3]全成斌，李山山. 美國計算機專業(yè)課程體系的調(diào)研報告[J].計算機教育，2010（15）.

[4]李山山，全成斌. 美國計算機硬件系列課程與實驗的調(diào)研報告[J].計算機教育，2010（15）.

[5]全成斌，管曉培，李山山，湯志忠. 計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺設(shè)計[J]. 計算機教育，2008（18）.

[6]全成斌，楊士強. 互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中計算機教學(xué)實驗室定位與思考[J]. 實驗技術(shù)與管理，2012（8）.

[責(zé)任編輯 夏魯惠]