面向復(fù)雜工程問(wèn)題的計(jì)算機(jī)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系研究

尚鳳軍

摘要：創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家和一個(gè)民族長(zhǎng)久保持競(jìng)爭(zhēng)力的根本，因此建立人才創(chuàng)新能力的課程體系，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，是高校的重要職責(zé)。文章通過(guò)調(diào)查研究和深入學(xué)習(xí)，開展宏觀理論研究。設(shè)計(jì)出研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃總體方案；以解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題為目標(biāo)，以培養(yǎng)能夠深入理解并掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心、具備引導(dǎo)行業(yè)發(fā)展能力的人才為重點(diǎn)，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，加強(qiáng)資源建設(shè)和管理，促進(jìn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，以適應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)人才的需求。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程；虛擬仿真；創(chuàng)新能力；課程群；實(shí)踐體系

0.引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，計(jì)算機(jī)能力是當(dāng)代大學(xué)生必備的能力之一，建立大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系，完善創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式非常重要…。但由于學(xué)校的學(xué)科優(yōu)勢(shì)、專業(yè)特色、課程設(shè)置、管理模式等情況各異，實(shí)驗(yàn)室資源條件也各不相同，計(jì)算機(jī)教育必須應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的挑戰(zhàn)，無(wú)論是技術(shù)發(fā)展、管理手段，還是學(xué)習(xí)模式變化，都使計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為必然。因此，引入虛擬仿真技術(shù)解決計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問(wèn)題具有很高的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

1.教學(xué)內(nèi)容面向解決系統(tǒng)化工程問(wèn)題

復(fù)雜工程問(wèn)題需要扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)校應(yīng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的就業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)調(diào)研的情況修訂培養(yǎng)方案，在修訂過(guò)程中把握3條主線，即軟件架構(gòu)與應(yīng)用軟件類（包括系統(tǒng)架構(gòu)、軟件開發(fā)等）、硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)類（包括嵌入式、組成原理等）、數(shù)據(jù)科學(xué)類（包括大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等）始終貫穿培養(yǎng)方案，如圖1所示為改革后的課程群。應(yīng)用軟件類第一學(xué)期開設(shè)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程；第二學(xué)期開設(shè)c語(yǔ)言實(shí)踐課程；第三學(xué)期開設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，奠定軟件開發(fā)基礎(chǔ)；第四學(xué)期開設(shè)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等，提升軟件開發(fā)能力；第五學(xué)期開設(shè)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程，例如Web程序設(shè)計(jì)、軟件綜合課程設(shè)計(jì)等，強(qiáng)化專業(yè)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開發(fā)能力；第六學(xué)期開設(shè)智能終端軟件開發(fā)和軟件工程等軟件設(shè)計(jì)課程，提升應(yīng)用軟件系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力；第七學(xué)期開設(shè)軟件架構(gòu)與應(yīng)用開發(fā)課程，全方位提升軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)能力，使學(xué)生從進(jìn)入校園到離開校園，應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)能力連續(xù)提高，直至就業(yè)。在此過(guò)程中，學(xué)校應(yīng)充分利用校企合作，安排學(xué)生到企業(yè)實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)，以提高學(xué)生的軟件開發(fā)能力，系統(tǒng)化地培養(yǎng)應(yīng)用軟件類人才。硬件應(yīng)用類第一學(xué)期開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程、第三學(xué)期開設(shè)數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程；第四學(xué)期開設(shè)計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課程；第五學(xué)期開設(shè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，奠定硬件開發(fā)基礎(chǔ)；第六學(xué)期開設(shè)硬件綜合課程設(shè)計(jì)，提升硬件開發(fā)能力。學(xué)校要瞄準(zhǔn)“互聯(lián)網(wǎng)+”，適應(yīng)行業(yè)需求，增設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)方向。第一學(xué)期開設(shè)高等數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論等課程；二學(xué)期開設(shè)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)課程；第三學(xué)期開設(shè)離散數(shù)學(xué)及數(shù)學(xué)建模/計(jì)算方法等課程；第四學(xué)期開設(shè)算法分析與設(shè)計(jì)課程等，奠定數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)；第五學(xué)期開設(shè)數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)課程，強(qiáng)化數(shù)據(jù)利用基礎(chǔ)；第六學(xué)期開設(shè)大數(shù)據(jù)分析與處理、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)實(shí)踐等課程，提升大數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建和大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用能力，使學(xué)生從進(jìn)入校園到離開校園數(shù)據(jù)分析處理能力連續(xù)提高，直至就業(yè)。實(shí)驗(yàn)室組建課外科技活動(dòng)小組，包括嵌入式系統(tǒng)興趣小組、智能終端設(shè)計(jì)開發(fā)小組、網(wǎng)頁(yè)制作及組網(wǎng)興趣小組等。

2.課程群建設(shè)面向復(fù)雜工程設(shè)計(jì)

我們把數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和編譯原理4門專業(yè)課構(gòu)造為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心課程群，重構(gòu)了課程群的知識(shí)體系與實(shí)驗(yàn)體系，如圖2所示。

軟件架構(gòu)方向培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)能力。我們將c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理和軟件工程4門計(jì)算機(jī)專業(yè)課程構(gòu)造為該方向課程群，如圖3所示。

數(shù)據(jù)科學(xué)方向主要培養(yǎng)大數(shù)據(jù)科學(xué)與工程領(lǐng)域的復(fù)合型高級(jí)技術(shù)人才，畢業(yè)生具有信息科學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，掌握大數(shù)據(jù)科學(xué)所需要的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)學(xué)科的基本理論和基本知識(shí)，熟練掌握大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理與分析、傳輸與應(yīng)用等技術(shù)。基于此，我們將概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、離散數(shù)學(xué)、算法分析與設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘4門計(jì)算機(jī)專業(yè)課程構(gòu)造為該方向課程群，如圖4所示。

3.引入虛擬仿真模式，建立多位一體的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)體系

在信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的演變歷程中，信息服務(wù)日益豐富，使計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，復(fù)雜性不斷提高，信息安全的形式也日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的基于單機(jī)和實(shí)物的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件難以呈現(xiàn)異構(gòu)、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，難以觸及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（例如cPu設(shè)計(jì)、多核設(shè)計(jì)等），難以分析實(shí)時(shí)、潛在的安全威脅，導(dǎo)致學(xué)生理論與實(shí)際相脫節(jié)，對(duì)所學(xué)知識(shí)缺少系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，在能力上無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)人才的需求。因此，必須引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，解決計(jì)算機(jī)各學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，完善現(xiàn)有計(jì)算機(jī)各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。應(yīng)重點(diǎn)開展與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和信息安全相關(guān)的基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新拓展3層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)隨課實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)實(shí)施，實(shí)驗(yàn)體系如圖5所示。

4.統(tǒng)一規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

學(xué)生應(yīng)將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于設(shè)計(jì)CPU，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。在理順教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，各課程以完成基本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為教學(xué)目標(biāo)，改進(jìn)教學(xué)方法；在加強(qiáng)原理性知識(shí)講解的同時(shí)，強(qiáng)化工程化實(shí)現(xiàn)方法的訓(xùn)練，力求學(xué)生在系統(tǒng)原理和工程實(shí)現(xiàn)方法兩方面均有收獲。

5.統(tǒng)一規(guī)劃課程實(shí)驗(yàn)體系

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中，實(shí)踐占有很大的比重，是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的過(guò)程，更是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段。然而，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容，需要我們精心設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，圍繞教學(xué)改革目標(biāo)設(shè)置各課程的階段子目標(biāo)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；完成模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，再通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)來(lái)最終集成，形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，我們安排了8個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)精心安排和組織，8個(gè)實(shí)驗(yàn)由基礎(chǔ)到全面，由運(yùn)算器、控制器到CPU設(shè)計(jì)，構(gòu)成了一個(gè)基本完整的CPU系統(tǒng)。

（1）實(shí)驗(yàn)1（海明碼）和實(shí)驗(yàn)2（乘法器）的目的在于了解和熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)和海明碼原理以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的補(bǔ)碼booth乘法器的原理。

（2）實(shí)驗(yàn)3（算數(shù)邏輯運(yùn)算單元）的目的是掌握簡(jiǎn)單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路和驗(yàn)證4位ALU運(yùn)算器的組合功能。

（3）實(shí)驗(yàn)4（時(shí)序部件）的目的是理解計(jì)算機(jī)控制器中時(shí)序控制部件的基本組成和工作原理，掌握啟停邏輯電路、節(jié)拍脈沖發(fā)生器的工作原理及設(shè)計(jì)方法，了解啟停邏輯電路、節(jié)拍脈沖發(fā)生器等電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。（4）實(shí)驗(yàn)5（硬布線控制器）的目的是理解指令譯碼器的作用和重要性，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)組合邏輯控制器。硬布線控制器的控制信號(hào)直接由各種類型的邏輯門和觸發(fā)器構(gòu)成。

（5）實(shí)驗(yàn)6（微程序控制器）的目的是理解微程序控制器的控制原理，進(jìn)一步掌握指令流程和功能，了解掌握微程序控制器的設(shè)計(jì)思路和方法。

（6）實(shí)驗(yàn)7和實(shí)驗(yàn)8（CPU設(shè)計(jì)）要求學(xué)生利用已有的計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)以及對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的初步學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的CPU體系結(jié)構(gòu)（包括指令系統(tǒng)、尋址方式、數(shù)據(jù)表示、寄存器結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和流水線結(jié)構(gòu)等）。

6.結(jié)語(yǔ)

面向系統(tǒng)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才的創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)出適合學(xué)生的課程體系和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是重要的抓手。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)涉及面廣，教學(xué)和管理團(tuán)隊(duì)的配備應(yīng)是動(dòng)態(tài)的。應(yīng)在專業(yè)方向、課程群等不同層次的教學(xué)團(tuán)隊(duì)中，鼓勵(lì)和吸引更多科研水平高、工程能力強(qiáng)的教師深入教學(xué)，引入企業(yè)資深工程師參與實(shí)踐教學(xué)，這是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑。