服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的計(jì)科專業(yè)工程實(shí)踐型人才培養(yǎng)模式研究

郭瑞波，郭川軍，侯菡萏

（哈爾濱金融學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，哈爾濱 150030）

復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)、北京指南，一系列高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略使新工科成為教育改革中最醒目的關(guān)鍵詞?！靶鹿た啤钡奶岢霾粌H為工程教育的理論和實(shí)踐探索提供了一個(gè)全新的視角，也是對(duì)國(guó)際工程教育改革發(fā)展做出的中國(guó)本土化的回應(yīng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)需要培養(yǎng)大批新型工程科技人才，要求所培養(yǎng)學(xué)生具有工程思維與動(dòng)手能力，所以課程中的工程實(shí)踐體系構(gòu)建尤為重要。數(shù)字邏輯課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，有較強(qiáng)的理論性、系統(tǒng)性，同時(shí)又與工程實(shí)際中的問(wèn)題密切相關(guān)。要求學(xué)生能熟練掌握數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)的計(jì)算機(jī)組成原理等課程奠定硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在新工科的指導(dǎo)思想下，如何構(gòu)建實(shí)踐課程體系，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)興趣，解決困惑學(xué)生的“我很想做硬件實(shí)驗(yàn)，但是復(fù)雜的連線總是讓人煩惱！”“學(xué)習(xí)這門(mén)課程可以做哪方面的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)？”“學(xué)習(xí)這門(mén)課程對(duì)我今后的工作有什么幫助？”等問(wèn)題，使新工科的教育思想與實(shí)際教學(xué)融合，完成計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展中工程專業(yè)人才服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)的培養(yǎng)目標(biāo)，需要對(duì)現(xiàn)有實(shí)踐課程進(jìn)行整體規(guī)劃與改革。

一、計(jì)科專業(yè)工程實(shí)踐人才培養(yǎng)模式現(xiàn)狀分析

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的工程入門(mén)課程為數(shù)字邏輯。以該課程為例，實(shí)踐部分要求學(xué)生掌握基本邏輯門(mén)的電路結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握常用的小規(guī)模與中規(guī)模集成電路的原理與應(yīng)用，了解可編程邏輯器件的分類與結(jié)構(gòu)，學(xué)生需掌握對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的能力。而目前的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在一些問(wèn)題，影響了教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（一）使用傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的安排基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生使用74系列標(biāo)準(zhǔn)芯片進(jìn)行常規(guī)驗(yàn)證性和基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)箱上手工連線來(lái)完成電路功能。但是傳統(tǒng)的邏輯器件連線實(shí)驗(yàn)在完成較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，如果出現(xiàn)一處引腳設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或連線錯(cuò)誤將導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗，查錯(cuò)代價(jià)大，花費(fèi)時(shí)間多。實(shí)驗(yàn)箱使用年限較長(zhǎng)，經(jīng)常進(jìn)行導(dǎo)線插拔操作也會(huì)有引腳接觸不良的現(xiàn)象，使電路整體可靠性降低。久而久之，使學(xué)生從剛接觸硬件實(shí)驗(yàn)的新奇感轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)、枯燥感，這種實(shí)驗(yàn)環(huán)境不利于學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)；而模塊化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也很難讓學(xué)生理解項(xiàng)目設(shè)計(jì)的完整流程，容易失去學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)興趣。

由于新設(shè)備與新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的基本邏輯器件實(shí)驗(yàn)已不能滿足教師教學(xué)與學(xué)生成長(zhǎng)的需要?，F(xiàn)有的理論教學(xué)方法以教師講授為主，在作業(yè)中引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有基本邏輯器件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以模塊功能驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，輔以簡(jiǎn)單的綜合實(shí)驗(yàn)，在一定程度上制約了學(xué)生興趣的培養(yǎng)與自主創(chuàng)新能力的發(fā)展。

（二）實(shí)驗(yàn)資源分配固定

由于數(shù)字邏輯課程的課時(shí)逐年壓縮，實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，學(xué)生只能在課程安排的有限時(shí)間內(nèi)練習(xí)相關(guān)內(nèi)容，沒(méi)有大塊完整的時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，影響了學(xué)生對(duì)各種芯片與實(shí)驗(yàn)器材熟悉程度與綜合應(yīng)用能力提升。此外，目前的實(shí)驗(yàn)器材是由教師申請(qǐng)采購(gòu)的常用標(biāo)準(zhǔn)元器件，學(xué)生綜合設(shè)計(jì)中的部分元器件由于欠缺，導(dǎo)致部分功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，損害了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（三）實(shí)踐能力考核方案不完善

課程考試成績(jī)是學(xué)生最為關(guān)注的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)考核方式以平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)構(gòu)成綜合成績(jī)，平時(shí)成績(jī)占30%，由作業(yè)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成，部分學(xué)習(xí)松懈的學(xué)生為了取得較高的平時(shí)成績(jī)會(huì)用抄襲的方式應(yīng)付作業(yè)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師無(wú)法根據(jù)這些資料分析出學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)與效果；期末成績(jī)占70%，由一次卷面考試來(lái)確定，部分學(xué)習(xí)松懈的學(xué)生想利用靠前一周進(jìn)行突擊復(fù)習(xí)才發(fā)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)無(wú)法融會(huì)貫通，導(dǎo)致最終成績(jī)不佳。這種考核模式忽視了平時(shí)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的考核，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的環(huán)境中，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的主觀能動(dòng)性，以至于不懂的內(nèi)容、不會(huì)的題目越積越多?？己顺煽?jī)主要由筆試成績(jī)構(gòu)成，導(dǎo)致學(xué)生往往不重視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，知識(shí)停留在表面，無(wú)法促進(jìn)實(shí)踐綜合應(yīng)用能力的提高。

二、構(gòu)建工程實(shí)踐型人才培養(yǎng)方案

（一）重構(gòu)實(shí)踐培養(yǎng)方案

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程要讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)底層硬件的工作原理。為完成這一目標(biāo)，要減少中小規(guī)模集成電路模塊化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑河布K化實(shí)驗(yàn)+PSoC片上編程綜合實(shí)驗(yàn)，保留部分硬件模塊化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容連線簡(jiǎn)單、易懂，便于學(xué)生初步熟悉硬件的概念，形成邏輯圖形符號(hào)與實(shí)際元件的映射關(guān)聯(lián)，熟悉硬件設(shè)備的使用方法及故障調(diào)試方法，養(yǎng)成規(guī)范的布線風(fēng)格。因此，該部分實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、耐心的工作態(tài)度。

增加PSoC片上編程綜合實(shí)驗(yàn)。PSoC（Programmable System on Chip）是美國(guó)Cypress半導(dǎo)體公司推出的集微處理器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列或模擬器件于一體的可編程片上系統(tǒng)。這種芯片能夠完全自由、靈活地設(shè)計(jì)出集模擬電路、數(shù)字電路與微處理器于一身的電子系統(tǒng)，改變以往由分立器件或單一集成電路組成的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，而站在系統(tǒng)級(jí)的高度看待數(shù)字電路，使學(xué)生能夠從更高角度上來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯課程。同時(shí)，PSoC具有易操作性和易學(xué)性的特點(diǎn)，使得少量的課時(shí)便可達(dá)到事半功倍的效果。PSoC系統(tǒng)集數(shù)字可編程陣列、模擬可編程陣列、單片機(jī)為一體，解決了數(shù)字電路與模擬電路的接口問(wèn)題，內(nèi)部資源較單片機(jī)豐富，PSoC平臺(tái)提供USB下載接口、音頻輸入輸出接口、溫度傳感器、紅外熱釋傳感器等資源，功能強(qiáng)大，幾乎不需外部資源即可構(gòu)成電子系統(tǒng)。學(xué)生先通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)熟悉如何用原理圖輸入與設(shè)計(jì)電路，然后通過(guò)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)掌握各個(gè)模塊綜合應(yīng)用的方法。

PSoC Creator軟件平臺(tái)自動(dòng)配置時(shí)鐘和布線I/O到所選擇的引腳，并且為給定的應(yīng)用產(chǎn)生應(yīng)用程序接口函數(shù)API對(duì)硬件進(jìn)行控制。只要具有數(shù)字邏輯和C語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)即可使用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化了學(xué)生的編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)內(nèi)容，降低了學(xué)習(xí)難度，有利于學(xué)生將更多的精力用于設(shè)計(jì)新思想、新方法，并將其付諸于實(shí)踐，建立自己的IP核，從而提升學(xué)生綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐能力與創(chuàng)新應(yīng)用能力。

（二）靈活配置實(shí)驗(yàn)資源

為了打破實(shí)驗(yàn)室時(shí)間與地點(diǎn)的束縛，對(duì)實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行靈活配置。一是在課余時(shí)間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的使用，既能讓課上沒(méi)有完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生利用空閑時(shí)間來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，又能讓學(xué)有余力的學(xué)生組成興趣小組一起探討完成有一定難度的設(shè)計(jì)方案。二是部分開(kāi)發(fā)板允許學(xué)生外借，讓學(xué)生靈活利用時(shí)間調(diào)試設(shè)計(jì)結(jié)果、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目、參加電子大賽。多方位靈活的實(shí)驗(yàn)資源可以讓學(xué)生更好地將理論知識(shí)與電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、設(shè)計(jì)能力、協(xié)作能力與實(shí)踐動(dòng)手能力。

（三）提升工程實(shí)踐與科研能力

二者融合有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)創(chuàng)新的熱情、使命感和價(jià)值感，提升學(xué)生的思維能力與技術(shù)能力，使學(xué)生更關(guān)注課堂知識(shí)的掌握與應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)與科研活動(dòng)結(jié)合可以有多種形式，一是讓學(xué)生參與到教師的科研項(xiàng)目中；二是讓學(xué)生以實(shí)驗(yàn)小組為整體申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；三是鼓勵(lì)學(xué)生參加各類電子設(shè)計(jì)大賽。多種形式的應(yīng)用可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，建立系統(tǒng)觀念，鍛煉團(tuán)隊(duì)合作精神與專業(yè)技能。

（四）優(yōu)化人才培養(yǎng)考核方案

考核不僅要體現(xiàn)成績(jī)的客觀性，還要重視學(xué)習(xí)過(guò)程的知識(shí)考核。為了提高學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力需要通過(guò)多種渠道來(lái)考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。課程綜合成績(jī)由平時(shí)成績(jī)50%+期末考試成績(jī)50%構(gòu)成。其中，平時(shí)成績(jī)中作業(yè)占5%、課程實(shí)驗(yàn)占30%（考查每次實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)方案、電路圖、結(jié)果驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)報(bào)告），期末綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)占15%（考查設(shè)計(jì)選題、軟件模擬仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)報(bào)告）。通過(guò)合理有效的考評(píng)制度，以考促學(xué)，使學(xué)生重視實(shí)踐動(dòng)手能力的重要性，提升課程的教學(xué)效果。

結(jié)語(yǔ)

以服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展為目標(biāo)、以新工科培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向，用PSoC平臺(tái)作支撐，構(gòu)建“學(xué)習(xí)→實(shí)踐→比賽→畢業(yè)設(shè)計(jì)”的工程實(shí)踐方式，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字電路的設(shè)計(jì)能力，并將該能力應(yīng)用在后續(xù)的大學(xué)學(xué)習(xí)周期中。為此，我們應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)、不斷完善教學(xué)體系，提升學(xué)生的綜合能力以適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才的需要。