新工科數(shù)字系統(tǒng)實驗教改與實踐

摘要：本文結(jié)合新工科交叉融合建設(shè)、思政與勞動教育培養(yǎng)要求，構(gòu)建了“計算控制通信”融合計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)工程實踐體系，并圍繞數(shù)字系統(tǒng)實驗開展體驗式學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式、思政實踐和過程考核，切實培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐思維，持續(xù)提高了學(xué)生解決問題和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)；勞動教育；工程思維；體驗式學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）20-0000-05

引言

在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中，新工科經(jīng)歷了早期項目群加強交流合作，持續(xù)關(guān)注新的工科專業(yè)和工科的新要求之后進入深化建設(shè)階段，開始對現(xiàn)有工科專業(yè)進行全要素改造升級，融入學(xué)科專業(yè)發(fā)展前沿成果和最新要求，交叉融合再出新。[1-3]

2020年教育部頒布的指導(dǎo)綱要[4-5]指出專業(yè)實驗實踐課程強調(diào)學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力，強調(diào)勞動實踐與動手能力，提高學(xué)生問題解決能力。因此，筆者所在學(xué)校在開設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的項目與訓(xùn)練系列和創(chuàng)新學(xué)分課外，從2021年起開設(shè)了“勞動教育與素養(yǎng)”通識教育必修課，各學(xué)院也制訂了課程實踐教學(xué)細則。

根據(jù)以上新工科建設(shè)和指導(dǎo)綱要的要求，同時結(jié)合計算機專業(yè)培養(yǎng)具備創(chuàng)新意識、扎實計算機基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技能的高素質(zhì)人才以滿足行業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求的教學(xué)目標，筆者認為，有必要結(jié)合計算機科學(xué)教學(xué)計劃中數(shù)字系統(tǒng)實驗EDA工具與平臺建設(shè)要求，構(gòu)建實驗教學(xué)新模式。

實驗教學(xué)改革思路

CPS與物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市以及機器人和系統(tǒng)工程等現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域緊密相連。所以筆者提出，在現(xiàn)有數(shù)字系統(tǒng)實驗平臺上，融合計算機CPS教育構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)EDA工具與平臺的教學(xué)模式，進一步建設(shè)混合的階梯式和體驗式自主學(xué)習(xí)項目，引導(dǎo)問題思考與解決的教學(xué)方式，完善全學(xué)習(xí)周期雙向反饋式機制，健全公平規(guī)范評價方式，達到課程知識、技能與素養(yǎng)目標要求。具體思路如下：

第一，樹立工程教育新理念，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，注重培養(yǎng)工程思維。本實驗理念是全面落實“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”先進理念，樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育理念，著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，并注重工程倫理意識與職業(yè)道德培養(yǎng)。

第二，面向計算機工程領(lǐng)域應(yīng)用需求，硬件基礎(chǔ)實驗平臺化，接力服務(wù)勞動教育周期。筆者所在學(xué)院本科從大一到大三的實踐課主要是實驗課程、短學(xué)期1和短學(xué)期2實訓(xùn)，學(xué)生往往到大三第二學(xué)期才參加創(chuàng)新性勞動訓(xùn)練。因此，在大二開設(shè)數(shù)字系統(tǒng)實驗正處于對學(xué)生勞動教育的關(guān)鍵階段，其作為計算機硬件基礎(chǔ)實驗課程，既要承接好大一“計算思維構(gòu)造什么樣計算機”，又要協(xié)同好短學(xué)期2實訓(xùn)來著力抓“工程思維如何使用甚至優(yōu)化計算”，在計算機系統(tǒng)微型化網(wǎng)絡(luò)化趨勢中，在物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能的端邊融合工程領(lǐng)域中，讓學(xué)生想動手敢動手能動手。這一過程強調(diào)體驗式學(xué)習(xí)，即通過生活中的點滴體驗來激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提升個人能力，并從多維度多角度豐富其認知。

實驗教學(xué)改革方案與實踐

本實驗利用基本物理裝置和系統(tǒng)，實現(xiàn)“仿真實驗”與“實體系統(tǒng)實驗”映射，從掌握常用電子儀器使用開始，理解并掌握電路與電子學(xué)基本物理量測試與分析，強化相應(yīng)課程書本知識理解與運用能力，提升解決復(fù)雜工程問題的技能。

1.實踐內(nèi)容設(shè)計

本實驗的設(shè)計，分析了不同課程產(chǎn)出和電子測試教學(xué)的目標邊界，并以工程問題為基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)技能教學(xué)，幫助學(xué)生適應(yīng)智能物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜計算系統(tǒng)并展開學(xué)習(xí)。

（1）不同課程中電子測試教學(xué)偏重不同

大學(xué)物理實驗是科學(xué)理論和工程知識的源泉，也包含了誤差理論，搭配現(xiàn)有物理設(shè)備和系統(tǒng)完成測量，并采用Origin實驗數(shù)據(jù)處理，能夠為復(fù)雜的工程測量奠定基礎(chǔ)。電路分析、數(shù)字邏輯、電路與電子學(xué)的課程實驗，由于電路系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來多種模塊測試和多種測量組合，往往采用計算機輔助計算仿真軟件為主的工具。因此，本實驗支撐的計算機科學(xué)專業(yè)畢業(yè)要求是使用現(xiàn)代工具（如圖1）。

（2）工程思維的“結(jié)構(gòu)、約束、取舍”工具

本實驗所處控制層的設(shè)計充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題的工程思維，包含對工程問題預(yù)測結(jié)構(gòu)、現(xiàn)實約束理解和方案決斷能力。

（3）問題關(guān)聯(lián)技能的數(shù)字IC應(yīng)用案例

不同于理論課程教學(xué)沿著本學(xué)科專業(yè)知識結(jié)構(gòu)順序教學(xué)，本課程以問題引入案例模塊和實驗任務(wù)，聯(lián)合多種技能訓(xùn)練，如上頁圖2所示。

（4）面向測試與思維培養(yǎng)的FPGA開發(fā)案例

借助高性能和低時延、可重構(gòu)和可升級、低功耗和低成本等優(yōu)勢，F(xiàn)PGA可以快速開發(fā)靈活的智能邊緣應(yīng)用和嵌入式應(yīng)用，幫助用戶應(yīng)對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、多源數(shù)據(jù)融合、復(fù)雜事件處理、云邊端融合、安全及隱私保護等工程問題。因此，可以通過案例學(xué)習(xí)掌握FPGA開發(fā)流程，搭建數(shù)字系統(tǒng)原型，培養(yǎng)解決問題思維，為復(fù)雜的工程實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)（如圖3）。

（5）應(yīng)對復(fù)雜性的階梯式開放式綜合案例

計算機工程常見的問題是如何進行全面的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)。一方面，在實際需求的綜合性問題上，除了考慮項目需求、技術(shù)選型、資源分配等多方因素，也要結(jié)合平臺實驗前置技能掌握情況，平衡好引導(dǎo)階梯，控制試錯成本。另一方面，案例的開放性帶來更好的靈活性，可以滿足不斷變化的產(chǎn)業(yè)需求，也預(yù)留出持續(xù)性改進空間（如圖4）。

2.教學(xué)方式

學(xué)生要整體聯(lián)動實踐學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建個人學(xué)習(xí)體系，進行自主體驗式學(xué)習(xí)，適應(yīng)社會化學(xué)習(xí)和計算機工程領(lǐng)域發(fā)展需求（如圖5）。

（1）借助實驗平臺資源打造個人學(xué)習(xí)體系

①明確模塊任務(wù)與資源。閱讀課程相關(guān)資料，大致了解各模塊實驗任務(wù)、硬件平臺儀器和開發(fā)軟件工具、線上慕課等。

②參考圍繞工程實現(xiàn)，使用導(dǎo)覽式學(xué)習(xí)計劃，方便根據(jù)個人興趣和時間靈活安排路徑。避免人流量過大帶來的時間開銷遠超預(yù)想從而造成體驗感不足。

（2）在引導(dǎo)下自主體驗式學(xué)習(xí)

學(xué)生只有先體驗才能產(chǎn)生對外界的感知，經(jīng)過批判反思才能獲得新的體悟經(jīng)驗，然后再通過主動應(yīng)用經(jīng)驗遷移學(xué)習(xí)帶來新體驗新感知，形成新一輪迭代，讓學(xué)習(xí)經(jīng)驗呈螺旋上升式累積。

（3）以他人為師，同時通過輸出豐富社群資源

實驗課程的社會化學(xué)習(xí)以真實世界的工程事物為學(xué)習(xí)素材，讓更多的人參與到教學(xué)過程中。學(xué)生可以通過課堂現(xiàn)場答疑、線上社群提問或慕課學(xué)習(xí)等方式，打破學(xué)習(xí)時空限制。

3.思政點實踐

（1）實驗室安全和使用——思政點：工程倫理

理解：了解實驗室位置功能，電氣安全、開關(guān)門禁、垃圾衛(wèi)生等實驗開放制度。

體驗：在線章節(jié)訓(xùn)練，自動評分，如實驗室椅子歸位、室內(nèi)垃圾禁止標志、離開“五關(guān)”動作排序、開放時段實驗室正常使用行為排序。

（2）PCB設(shè)計布板——思政點：工匠精神與國產(chǎn)化替代

理解：PCB設(shè)計軟件開源與國產(chǎn)化替代。

應(yīng)用：無線RGB彩燈電路板設(shè)計。方寸之間，布局合理，布線美觀。布局安裝孔和燈中心孔與結(jié)構(gòu)圖一致且合理；電源和信號線寬合理；敷銅中孤銅、單端細導(dǎo)線突起、層數(shù)和熱焊盤等；位號粗細、位置與方向擺放合理；生產(chǎn)前檢查和加工文件導(dǎo)出。

（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換與波形（選修）——思政點：強化知識產(chǎn)權(quán)保護

理解：知識產(chǎn)權(quán)保護與半導(dǎo)體行業(yè)的IP上游存儲模塊IP應(yīng)用。

體驗：HDL編寫波形發(fā)生器并仿真驗證，完成實物硬件與儀表測量驗收視情況加分。

（4）電子產(chǎn)品背板（選修）——思政點：傳承中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

理解：背板生產(chǎn)和標識設(shè)計需要遵紀守法，激光加工現(xiàn)場安全合規(guī)。

體驗：開放式作業(yè)設(shè)計標識。標識創(chuàng)意由元素和寓意組成，字圖糅合，形神兼?zhèn)?。線上學(xué)習(xí)繪制標識、極簡設(shè)計、博物展覽和激光非金屬加工。從傳統(tǒng)文化中汲取創(chuàng)作靈感，細微處現(xiàn)匠心。

4.過程考核方式

實驗考核，教師要按課時分模塊驗收各活動的完成度，包含兩大模塊內(nèi)容——器件儀表和工具平臺，按課時分別占37%和63%。子模塊考查一般是采用報告的方式驗收，比例為6∶4，具體考查范圍結(jié)合實際預(yù)先設(shè)定，不限于線上記錄、課堂訓(xùn)練和課后作業(yè)，線下實驗操作和報告文檔等。

實驗教改特色

1.獨特性

構(gòu)建的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)工程實踐體系是三級實踐教學(xué)體系應(yīng)用與自主實驗教學(xué)模式[8]的進一步發(fā)展，解決了計算機工程課程的系統(tǒng)性和復(fù)雜性問題。同時，融入了思政教育，學(xué)生在動手實踐中逐步提高了創(chuàng)新精神，并培養(yǎng)了使用現(xiàn)代工具進行硬軟件協(xié)同的制造意識。

2.實用性

滿足計算機工程領(lǐng)域應(yīng)用信息化工具和現(xiàn)代化工具需求，更多地為學(xué)生在大二參與創(chuàng)新訓(xùn)練和賽事提供了條件支持。

3.可行性

問題關(guān)聯(lián)技能、面向測試與思維培養(yǎng)、階梯式應(yīng)對復(fù)雜性問題、體驗式實踐學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)等教學(xué)方式，保障了學(xué)生和指導(dǎo)者角度靈活轉(zhuǎn)換，綜合性實驗的開放包容，一平多端聯(lián)動學(xué)習(xí)者和指導(dǎo)者創(chuàng)新實踐，持續(xù)地改進適應(yīng)了產(chǎn)業(yè)的需求。

結(jié)語

本文構(gòu)建了計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)工程實踐體系，創(chuàng)新了問題關(guān)聯(lián)和工程思維培養(yǎng)等教學(xué)方法，提高了實踐環(huán)節(jié)質(zhì)量，支持了計算機系統(tǒng)國家級一流課程建設(shè)、計算機專業(yè)工程教育專業(yè)認證和實訓(xùn)指導(dǎo)教材出版。但其仍存在一定的不足，如硬件技能學(xué)習(xí)滯后性使得課程影響難以評價。后續(xù)，筆者會引導(dǎo)學(xué)生從大二開始就真正動手做，處理好內(nèi)容與時間耦合加大交叉融合，更注重硬碰硬實打?qū)嵉倪^程性考核，從應(yīng)用理科向工科延伸，真實感受計算機控制要素，建立主動學(xué)習(xí)與工程思維，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.首批“新工科”研究與實踐項目[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

[2]中華人民共和國教育部.卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

[3]中華人民共和國教育部.普通高等教育學(xué)科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202304/t20230404_1054230.html.

[4]中華人民共和國教育部.高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[5]中華人民共和國教育部.大中小學(xué)勞動教育指導(dǎo)綱要（試行）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/202007/t20200715_472808.html.

第一作者簡介：張洪杰，男，高級實驗師，研究方向為嵌入式計算、物聯(lián)網(wǎng)、計算機實驗教育。

基金項目：湖南省級教改項目（HNJG-2021-0350）。