堅(jiān)持實(shí)踐育人提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力

蘇小紅　劉宏偉

摘 要：為了貫徹核心價(jià)值觀培育、綜合能力養(yǎng)成、多維知識(shí)探究“三位一體”的人才培養(yǎng)模式，依托國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱工業(yè)大學(xué)以“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、嚴(yán)過程、求創(chuàng)新”的實(shí)踐教學(xué)理念為指導(dǎo)，以實(shí)踐育人為宗旨，以提高科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力為目標(biāo)，以自主訓(xùn)練和競賽驅(qū)動(dòng)為手段，通過科教融合、成果轉(zhuǎn)化以及與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)等方式，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等信息化手段，開發(fā)構(gòu)建了面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的開放式虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)。基于該平臺(tái)開展了系列化、多層次的本科生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，探索了軟硬兼顧、虛實(shí)互補(bǔ)、以學(xué)生為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效為驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐育人新模式，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了“我的實(shí)驗(yàn)我做主”。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；實(shí)踐育人；虛擬仿真；素質(zhì)教育；創(chuàng)新實(shí)踐能力

如同高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)人，實(shí)踐教學(xué)的根本任務(wù)就是實(shí)踐育人。我們不能將實(shí)踐教學(xué)狹義地理解為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即學(xué)生做實(shí)驗(yàn)和教師教技能，而應(yīng)以育人為根、實(shí)踐為本、創(chuàng)新為魂，立足于培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任感、科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，具備自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才，才能適應(yīng)建設(shè)中國特色、世界水平的一流本科教育的需要。

習(xí)近平總書記2018年5月28日在兩院院士大會(huì)上指出，創(chuàng)新決勝未來，改革關(guān)乎國運(yùn)。對(duì)于高等教育發(fā)展來講，改革是第一動(dòng)力，創(chuàng)新是第一引擎，要成就偉大的教育，教育創(chuàng)新就一刻也不能停頓。因此，實(shí)踐教學(xué)也需要?jiǎng)?chuàng)新。從“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”到“實(shí)踐教學(xué)”，只有一字之差，反映的卻是目標(biāo)提升了、認(rèn)識(shí)深化了、內(nèi)涵拓展了、地位提升了。加之黨的十九大提出的基于“物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能”的國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，這些都對(duì)高等學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)和實(shí)踐育人工作提出了更高更新的要求。

在上述背景下，如何有效利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等現(xiàn)代化手段，打造“育人為根，實(shí)踐為本，創(chuàng)新為魂”的實(shí)踐教學(xué)支撐環(huán)境，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，是新時(shí)期高等學(xué)校人才培養(yǎng)的一個(gè)重要任務(wù)。

為全面貫徹落實(shí)立德樹人，面向國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，著眼于國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對(duì)人才的現(xiàn)時(shí)和未來需要，借助現(xiàn)代信息技術(shù)推動(dòng)高等教育質(zhì)量提升“變軌超車”，打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)，已勢在必行。

一、目前本科實(shí)踐教學(xué)存在的問題

從宏觀的角度，目前的本科實(shí)踐教學(xué)主要存在以下兩個(gè)問題：一是注重知識(shí)拓寬和能力提升，忽視品格塑造和科學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成；二是注重專業(yè)發(fā)展和理論教學(xué)，忽視學(xué)生個(gè)性發(fā)展和創(chuàng)新意識(shí)養(yǎng)成。

從微觀的角度，就計(jì)算機(jī)類專業(yè)而言，目前的本科實(shí)踐教學(xué)支撐環(huán)境主要存在如下兩個(gè)問題：一是不能滿足學(xué)生遠(yuǎn)程自主實(shí)驗(yàn)和差異化訓(xùn)練的需求。首先，眾所周知，程序設(shè)計(jì)能力不是“學(xué)”出來的，而是“練”出來的，對(duì)于程序設(shè)計(jì)實(shí)踐類課程，導(dǎo)致學(xué)生“學(xué)而有余、練而不足”的主要原因是缺少有效支持學(xué)生自主自助式編程能力在線訓(xùn)練和自動(dòng)評(píng)測以及教師監(jiān)測學(xué)生學(xué)習(xí)過程和檢驗(yàn)學(xué)生訓(xùn)練效果的平臺(tái)。其次，硬件設(shè)計(jì)類實(shí)踐課程因通常是在固定時(shí)間和固定地點(diǎn)做固定實(shí)驗(yàn)，循規(guī)蹈矩，靈活性不足，導(dǎo)致學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力尤其是自主創(chuàng)新能力訓(xùn)練不充分，而使學(xué)生普遍存在“欺軟怕硬”的心理，于是“一動(dòng)板子就慌、一摸臺(tái)子就懵、一出故障就怕、一到檢查就躲，拿烙鐵像刑具怕燙手、看示波器不懂不會(huì)調(diào)”就成了通病。二是不能滿足可持續(xù)競爭力人才培養(yǎng)的需求。推進(jìn)新一輪適應(yīng)未來發(fā)展的計(jì)算機(jī)教育改革的主題就是可持續(xù)競爭力。根據(jù)計(jì)算機(jī)教育發(fā)展論壇上的專家小組對(duì)可持續(xù)競爭力的闡述，所謂可持續(xù)競爭力就是指面對(duì)未來社會(huì)變化和競爭的適應(yīng)能力，基于信念和技術(shù)的創(chuàng)新能力，致力于人類社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的行動(dòng)能力?？沙掷m(xù)競爭力對(duì)本科實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求，尤其在“互聯(lián)網(wǎng)+”和新工科背景下，更需要通過不斷改革實(shí)踐教學(xué)模式、不斷創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)手段，來適應(yīng)國家建設(shè)需求和教育發(fā)展趨勢的變化，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)想創(chuàng)新、能創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。

二、嚴(yán)格過程管理，構(gòu)建全程、全方位實(shí)踐育人的大格局

實(shí)踐育人是實(shí)踐教學(xué)的根本任務(wù)，也是實(shí)踐教學(xué)需要解決的首要問題。需要將實(shí)踐育人放到實(shí)踐教學(xué)的首位，將實(shí)踐育人工作貫穿于實(shí)踐教學(xué)的全過程，將培育和踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入教書育人全過程。

為全面深入貫徹落實(shí)全國高校思想政治工作會(huì)議精神，建立了核心價(jià)值觀培育、綜合能力養(yǎng)成、多維知識(shí)探究“三位一體”的人才培養(yǎng)模式。首先，要充分發(fā)揮哈工大校訓(xùn)育人的有效載體作用，加強(qiáng)教風(fēng)、班風(fēng)、學(xué)風(fēng)和考風(fēng)建設(shè)。用良好的教風(fēng)帶動(dòng)良好的學(xué)風(fēng)，在實(shí)踐教學(xué)過程中加強(qiáng)誠信教育，倡導(dǎo)契約精神。

其次，要深化大學(xué)教育與學(xué)生成長第一站工作，注重培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。開設(shè)創(chuàng)新研修課和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課，開展自主選題、自主組隊(duì)、自主實(shí)驗(yàn)、自我管理的大一項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，以及項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的開放式實(shí)踐教學(xué)模式，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及提出、分析和解決問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生表達(dá)溝通、團(tuán)隊(duì)合作、組織協(xié)調(diào)、實(shí)踐操作、敢闖會(huì)創(chuàng)的能力，鼓勵(lì)自我教育、強(qiáng)化自我管理、突出自我服務(wù)。通過實(shí)驗(yàn)研討課，讓學(xué)生課上進(jìn)行成果展示、交流和分享，營造“思學(xué)、善學(xué)、樂學(xué)、尚學(xué)”的學(xué)習(xí)氛圍。同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容上給學(xué)生更多的自主權(quán)和選擇權(quán)，為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展和多樣化人才培養(yǎng)提供充分空間，滿足學(xué)生成長成才需求。

最后，要規(guī)范過程管理。完善學(xué)生學(xué)習(xí)過程監(jiān)測、評(píng)估與反饋機(jī)制，建立以學(xué)生學(xué)習(xí)成效驅(qū)動(dòng)的多維度實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)與監(jiān)控體系，從全面、深入、細(xì)致、便捷等角度促進(jìn)評(píng)價(jià)監(jiān)控的有效性和時(shí)效性。通過以考輔教、以考促學(xué)，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)充分利用信息化和數(shù)據(jù)分析的作用，加強(qiáng)學(xué)業(yè)預(yù)警、學(xué)業(yè)溝通，做到早提醒、早警示，幫助教師關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，幫助學(xué)生準(zhǔn)確了解學(xué)習(xí)狀況，通過加強(qiáng)信息反饋和關(guān)口前移，確保預(yù)警機(jī)制發(fā)揮實(shí)效。

此外，還可以根據(jù)課程的具體特點(diǎn)，對(duì)實(shí)踐育人進(jìn)一步強(qiáng)化和細(xì)化。例如在網(wǎng)絡(luò)信息安全相關(guān)的實(shí)踐課程中，可以把國家安全教育融入實(shí)踐教學(xué)，提升學(xué)生的國家安全意識(shí)，提高其維護(hù)國家安全能力；而在程序設(shè)計(jì)課程中，則通過“全過程、分階段、多重累加、馬拉松式”的考核機(jī)制和實(shí)踐平臺(tái)的全程監(jiān)控防作弊機(jī)制和學(xué)習(xí)過程監(jiān)控預(yù)警機(jī)制，幫助學(xué)生克服“拖延、考前突擊、抄襲”三大頑癥，養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

三、堅(jiān)持實(shí)踐為本、創(chuàng)新為魂，構(gòu)建面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的開放式實(shí)踐教學(xué)環(huán)境

為了貫徹落實(shí)“以學(xué)生為中心、學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動(dòng)”的教育理念，強(qiáng)化“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、嚴(yán)過程、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)特色，在實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)全程育人、全方位育人的基礎(chǔ)上，還需要著力解決如下兩個(gè)具體問題。

1.建設(shè)軟硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，滿足學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和差異化訓(xùn)練的需求

首先，為了支持學(xué)生遠(yuǎn)程自主學(xué)習(xí)和差異化訓(xùn)練，編程能力自主訓(xùn)練平臺(tái)必須要有難度分級(jí)的龐大題庫，允許學(xué)生自主選擇不同難度的訓(xùn)練內(nèi)容，出現(xiàn)編程錯(cuò)誤時(shí)能夠通過詳細(xì)的錯(cuò)誤提示引導(dǎo)學(xué)生自主修正錯(cuò)誤。此外，平臺(tái)還要支持教師對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程進(jìn)行有效的監(jiān)督和預(yù)警，并通過線下的機(jī)上實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)學(xué)生的自主訓(xùn)練效果。其次，因?yàn)橛布O(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)直接在真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上操作耗時(shí)長、難度大、調(diào)試?yán)щy，使硬件實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成率偏低，且易導(dǎo)致器件損壞，增加維護(hù)費(fèi)用，因此為了幫助學(xué)生樹立硬件設(shè)計(jì)的自信心，需要建設(shè)硬件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來突破時(shí)間和空間的局限，通過“由軟及硬、以實(shí)驗(yàn)虛”的方式對(duì)學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力進(jìn)行訓(xùn)練。此外，硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)必須有模塊擴(kuò)展的能力，以支持學(xué)生的個(gè)性化自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，避免千人一面。

面對(duì)上述學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和差異化訓(xùn)練需求，我們從改變學(xué)生學(xué)習(xí)方式與教師教學(xué)方式入手，突破傳統(tǒng)的固定時(shí)間、固定地點(diǎn)做固定實(shí)驗(yàn)的局限，把實(shí)驗(yàn)從課內(nèi)延伸到課外，從內(nèi)容到方式等多角度，從夯實(shí)基礎(chǔ)到能力提升等多層面，給學(xué)生提供差異化、自主性的實(shí)踐環(huán)境，強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)。

首先，基于科研成果研發(fā)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)能力自主訓(xùn)練平臺(tái)。引入自主選擇知識(shí)點(diǎn)和難度系數(shù)、隨機(jī)抽題限時(shí)完成、利用動(dòng)態(tài)測試和錯(cuò)誤定位技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生自主修正錯(cuò)誤、按做題總量取相對(duì)分、允許學(xué)生自主設(shè)計(jì)題目經(jīng)教師審核通過后獲得獎(jiǎng)勵(lì)積分等多種競爭或獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，滿足學(xué)生差異化、個(gè)性化、自主性的學(xué)習(xí)需求，配合過程考核實(shí)現(xiàn)以考促練，幫助學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。后臺(tái)支持教師多角度多側(cè)面觀測學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)以便及時(shí)幫扶和提前預(yù)警，從關(guān)注學(xué)習(xí)成績向關(guān)注學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成效轉(zhuǎn)變。具體的解決措施如下：（1）通過在平臺(tái)中引入負(fù)責(zé)人科研成果中的動(dòng)態(tài)測試和錯(cuò)誤定位技術(shù)，給出更為詳細(xì)的錯(cuò)誤信息和提示引導(dǎo)學(xué)生在沒有教師面對(duì)面指導(dǎo)的情況下根據(jù)系統(tǒng)給出的錯(cuò)誤提示自主地修正錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了自主自助式編程能力訓(xùn)練。（2）通過在平臺(tái)中引入自主選擇知識(shí)點(diǎn)、自主選擇難度系數(shù)、自主選擇訓(xùn)練時(shí)間、自主設(shè)計(jì)題目發(fā)布到習(xí)題市場贏取積分獎(jiǎng)勵(lì)等機(jī)制，滿足學(xué)生差異化、個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)需求，鼓勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。（3）通過在平臺(tái)中引入隨機(jī)抽題限時(shí)完成、限定每日做題數(shù)量、按做題總分取相對(duì)分等多種競爭機(jī)制，督促學(xué)生堅(jiān)持每天練習(xí)，防止考前突擊，配合分階段的過程考核方式，對(duì)落后的學(xué)生及時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)從關(guān)注“考試成績”向關(guān)注“學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成效”的轉(zhuǎn)變。（4）通過在平臺(tái)中引入練習(xí)排行榜、個(gè)人學(xué)習(xí)曲線監(jiān)測、每學(xué)期和每天的整體學(xué)習(xí)行為曲線監(jiān)測等功能，滿足教師需及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)的需求。（5）通過多校教師聯(lián)合出題和鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)題目，解決編程能力訓(xùn)練需要后臺(tái)龐大題庫支持的問題。

其次，在夯實(shí)學(xué)生的硬件能力基礎(chǔ)方面，我們購置了可擴(kuò)展性強(qiáng)的便攜式實(shí)驗(yàn)板，創(chuàng)建了口袋實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生可隨時(shí)借用，自主增加外接模塊，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從害怕做硬件實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橄矚g做硬件實(shí)驗(yàn)。具體的解決措施為：將傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱改為便攜式口袋實(shí)驗(yàn)板，學(xué)生可隨時(shí)借用帶在身邊，方便學(xué)生自主選擇做實(shí)驗(yàn)的場地和時(shí)間，增加學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)板電路簡單、穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)，學(xué)生可由簡入繁、由小變大，循序漸進(jìn)并自主地選擇增加外接模塊，且簡單操作就能見到燈亮、聽到聲響，以提高學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐的積極性和對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的興趣，增強(qiáng)對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)以及逐步使用復(fù)雜實(shí)驗(yàn)臺(tái)的自信心，打消對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的懼怕心理。

最后，還與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了基于FPGA的遠(yuǎn)程在線硬件實(shí)踐云平臺(tái)[1]，使學(xué)生可自主擴(kuò)展硬件模塊并全天候進(jìn)行軟件模擬仿真、遠(yuǎn)程控制和故障排查，在調(diào)試無誤后再上載到物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證，以提高硬件實(shí)驗(yàn)的課內(nèi)完成率，降低維護(hù)費(fèi)用。具體的解決措施為：學(xué)生在電腦上先用軟件進(jìn)行模擬仿真，既可遠(yuǎn)程觀察，也可遠(yuǎn)程控制輸入輸出和排查故障，在保證軟件設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果正確的前提下，再上傳到遠(yuǎn)程實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，或者到實(shí)驗(yàn)室實(shí)際動(dòng)手操作進(jìn)行驗(yàn)證。通過“由軟及硬、先虛后實(shí)”解決硬件實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、空間和成本所限的問題，實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)的自主性和開放性，支持學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)踐，夯實(shí)其硬件能力基礎(chǔ)，通過“以實(shí)驗(yàn)虛”幫助學(xué)生提高課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的完成率，降低硬件維護(hù)費(fèi)用。

2.打造靈活可變、安全可控的智慧實(shí)驗(yàn)環(huán)境

“互聯(lián)網(wǎng)+”催生了一種新的教育生產(chǎn)力，打破了傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限和學(xué)校圍墻，引發(fā)了教育教學(xué)模式的革命性變化。在這種背景下，需要通過不斷改革和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)手段與實(shí)踐教學(xué)模式，來不斷提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力。因此，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)類課程大范圍貫通以及打通本研課程體系的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步加強(qiáng)各門課程的實(shí)踐教學(xué)資源的整合和共享，參考?xì)W美在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)為學(xué)生打造一個(gè)智慧的實(shí)踐環(huán)境[2-4]，為學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐創(chuàng)造條件。

例如，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)大、不可逆甚至在真實(shí)環(huán)境下難以完成的實(shí)驗(yàn)（例如網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)）以及成本高、開發(fā)效率低的實(shí)驗(yàn)（例如物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)），需要探索新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，建設(shè)軟硬兼顧、虛實(shí)互補(bǔ)的虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)。為學(xué)生提供廣闊的鍛煉平臺(tái)，以快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)底層硬件的快速發(fā)展，滿足學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣化、個(gè)性化的需求以及自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求。

面向上述學(xué)生個(gè)性化和多樣化的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求，我們基于科研成果和軟總線技術(shù)構(gòu)建了云虛擬主機(jī)和配置虛擬仿真目標(biāo)機(jī)并部署于云端，使學(xué)生只要遠(yuǎn)程連到虛擬主機(jī)，即可在無硬件開發(fā)板條件下對(duì)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)模擬仿真。組件化、環(huán)境可配置和集成調(diào)試等功能使學(xué)生可按需組板、自由加載針對(duì)特定需求的硬件配置環(huán)境并完成軟硬件協(xié)同開發(fā)，包括故障注入、閉環(huán)測試、網(wǎng)絡(luò)化仿真、覆蓋率分析、系統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)和調(diào)試等，以解決原來物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)必須先開發(fā)硬件然后才能開發(fā)軟件的問題，提升學(xué)生適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求快速變化的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

此外，還與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了集實(shí)驗(yàn)教學(xué)、攻防演練、實(shí)踐創(chuàng)新為一體的網(wǎng)絡(luò)安全仿真實(shí)踐云平臺(tái)。采用虛擬化技術(shù)對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬仿真，通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式支持學(xué)生遠(yuǎn)程登錄完成難以在真實(shí)環(huán)境下實(shí)做的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)，在降低安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下達(dá)到與在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同樣的訓(xùn)練效果。

四、開放式虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)的組成

為滿足學(xué)生差異化、個(gè)性化、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求，通過科教融合、將科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源以及與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)等方式，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等現(xiàn)代化手段，以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以自主訓(xùn)練和競賽驅(qū)動(dòng)為手段，建設(shè)了面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的開放式虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)。該平臺(tái)主要由遠(yuǎn)程在線硬件實(shí)踐云平臺(tái)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)能力自主訓(xùn)練平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)安全仿真實(shí)踐云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)構(gòu)成。其中，子平臺(tái)1和2以夯實(shí)創(chuàng)新能力培養(yǎng)所必備的軟硬件基礎(chǔ)實(shí)踐能力訓(xùn)練為主，子平臺(tái)3和4以競賽驅(qū)動(dòng)的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐能力訓(xùn)練為主。這四個(gè)子平臺(tái)相輔相成，共同打造了支撐計(jì)算機(jī)學(xué)科或相關(guān)交叉學(xué)科學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練的云實(shí)踐環(huán)境。

高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)能力自主訓(xùn)練平臺(tái)既支持學(xué)生自主做題，也支持學(xué)生自主出題，還支持教師后臺(tái)監(jiān)測學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程和效果。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)解決了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)原來必須先開發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)然后才能開發(fā)軟件系統(tǒng)的問題，支持軟硬件并行開發(fā)和迭代設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，平臺(tái)的開放性還支持將新開發(fā)的硬件模塊加載到系統(tǒng)中，擴(kuò)展了平臺(tái)的模擬能力，使學(xué)生針對(duì)特定的需求可按需組板并個(gè)性化配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠快速適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)底層硬件和應(yīng)用需求的變化。遠(yuǎn)程在線硬件實(shí)踐云平臺(tái)通過“虛先實(shí)后、虛實(shí)互補(bǔ)”為學(xué)生提供了全天候、自主、開放的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)踐環(huán)境，使學(xué)生避免了練而不足的通病。網(wǎng)絡(luò)安全仿真實(shí)踐云平臺(tái)使原來風(fēng)險(xiǎn)較大、難以在真實(shí)環(huán)境下實(shí)做的實(shí)驗(yàn)得以虛擬仿真實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同樣的訓(xùn)練效果。

五、實(shí)踐應(yīng)用效果

目前，開放式虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)共支持15門校內(nèi)本科生課程實(shí)驗(yàn)，年均總實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)394，年均實(shí)驗(yàn)學(xué)生約5 800人次，開出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目100余項(xiàng)，綜合研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占55%以上。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)能力自主訓(xùn)練平臺(tái)自2007年開始建設(shè)，2012年正式投入使用，支持全校本科生程序設(shè)計(jì)課程的編程訓(xùn)練，目前題庫題量已接近4 000。遠(yuǎn)程在線硬件實(shí)踐云平臺(tái)建于2015年，支持計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)計(jì)算機(jī)硬件類實(shí)驗(yàn)課程，以及面向全校的兩門創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課。2017年7月計(jì)算機(jī)學(xué)院暑期國際學(xué)校邀請卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Asim Smailagic教授利用該平臺(tái)開設(shè)了“快速原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程，不僅開闊了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，而且有效支持了國際化教學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)踐云平臺(tái)建于2016年，支持哈工大物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)2門課程實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)安全仿真實(shí)踐云平臺(tái)建于2014年，支持信息安全專業(yè)6門課程實(shí)驗(yàn)。

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