劉書勇　張國印　武俊鵬

文章編號：1672-5913(2009)08-0014-03

摘要：本文通過對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實踐，論述了大學(xué)生創(chuàng)新體系的構(gòu)建，包括創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想，創(chuàng)新實驗室軟硬件環(huán)境建設(shè)，系統(tǒng)化的實驗內(nèi)容，因材施教的教學(xué)方法，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目的的管理制度，并介紹了在這種大學(xué)生創(chuàng)新體系下產(chǎn)生的創(chuàng)新成果。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新型人才；“三化”結(jié)合；體系；階梯式因材施教

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

美國工程院提出了2020年工程師必須具備的關(guān)鍵素質(zhì)是：分析能力、實踐經(jīng)驗、創(chuàng)造力、溝通能力、商務(wù)與管理能力、倫理道德、終身學(xué)習(xí)能力等。這也為如何培養(yǎng)具有競爭力的創(chuàng)新型人才提供了思路。

在國家提倡創(chuàng)新的大環(huán)境下和在我校大力舉辦研究型大學(xué)的背景下，計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在“十五”規(guī)劃中成立了計算機技術(shù)創(chuàng)新實驗室，購置了先進(jìn)的實驗設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，我們研究和實踐了計算機類大學(xué)生創(chuàng)新活動體系的建設(shè)。經(jīng)過兩年多的教學(xué)探索與實踐，逐漸形成了一套有效的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系，并取得了眾多的教學(xué)成果。

2 “三化”結(jié)合指導(dǎo)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

“三化”結(jié)合是我院計算機硬件實驗教學(xué)改革的總體指導(dǎo)思想，也是我們進(jìn)行創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的指導(dǎo)思想。

“三化”結(jié)合是指軟硬件實驗環(huán)境一體化、實驗平臺綜合化、實驗內(nèi)容系統(tǒng)化相結(jié)合，是建立新實驗課程體系的基本思路。單純的軟件實驗和單純的硬件實驗都不利于學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計相分離的設(shè)計方法已經(jīng)成為阻礙設(shè)計和實現(xiàn)復(fù)雜大規(guī)模系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，構(gòu)建軟硬件一體化實驗環(huán)境有利于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)；綜合的實驗平臺可以進(jìn)行多課程內(nèi)容交叉的綜合實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力；技術(shù)的進(jìn)步以及應(yīng)用需求的迅速提升推動系統(tǒng)規(guī)模變得越來越大，功能實現(xiàn)也越來越復(fù)雜，這些都要求學(xué)生具有系統(tǒng)化設(shè)計能力，實驗內(nèi)容的系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化設(shè)計思想和能力。

3一體化創(chuàng)新實驗環(huán)境建設(shè)和綜合化實驗平臺配置

良好的實驗環(huán)境是先進(jìn)硬件實驗教學(xué)的必要條件。學(xué)校為計算機相關(guān)的實驗室全部配備多媒體教學(xué)設(shè)備，并配置先進(jìn)的微機、局域網(wǎng)和性能優(yōu)越的服務(wù)器，我們在此基礎(chǔ)上，全面更新實驗軟件環(huán)境。

由于FPGA的出現(xiàn)，使得過去的硬件設(shè)計現(xiàn)在可以通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)，如通過VHDL或Verilog等硬件描述語言來描述硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成上層的軟件設(shè)計，使得軟硬件渾然一體，因此我們引進(jìn)了FPGA實驗平臺，實現(xiàn)了軟硬件一體化設(shè)計的實驗開發(fā)環(huán)境。

“十五”二期本科建設(shè)，學(xué)校為我院投入50套基于ARM7和50套基于FPGA的實驗設(shè)備，后續(xù)又投入資金，為實驗室購置了10套高檔的嵌入式開發(fā)設(shè)備，并專門為創(chuàng)新實驗室配置了40臺高檔微機，進(jìn)口的數(shù)字示波器一臺，刻板系統(tǒng)一臺。計算機技術(shù)創(chuàng)新實驗室目前可用微機40臺，配套的實驗開發(fā)設(shè)備有：單片機、ARM7、ARM9、XScale255、XScale270、國產(chǎn)CPU C*Core等一系列微控制器和微處理器實驗開發(fā)平臺及配套的軟件開發(fā)環(huán)境，可以進(jìn)行跨專業(yè)綜合化的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)；另外還有EDA、DSP、SoC、美國Xilinx公司贈送的世界先進(jìn)的FPGA芯片等一系列以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)的實驗開發(fā)平臺，可以設(shè)計豐富的電路和高集成度的片上系統(tǒng)；每個實驗室還配備了先進(jìn)服務(wù)器，加上先進(jìn)的微機和豐富的軟件環(huán)境，可以提供基于網(wǎng)絡(luò)和大型軟件的應(yīng)用軟件開發(fā)和運行平臺。創(chuàng)新實驗室實驗環(huán)境和實驗平臺為學(xué)生提供三個創(chuàng)新方向，參見圖1。

圖1 三個創(chuàng)新方向

軟硬件一體化的實驗環(huán)境和綜合化的實驗開發(fā)平臺為我們進(jìn)行創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4多學(xué)科交叉的系統(tǒng)化實驗內(nèi)容

創(chuàng)新性實驗具有技術(shù)綜合性強，跨學(xué)科技術(shù)交叉的特點，對學(xué)生基礎(chǔ)要求較高，一般面向大學(xué)高年級和研究生設(shè)置。創(chuàng)新性實驗內(nèi)容不拘一格，可根據(jù)指導(dǎo)教師的科研情況設(shè)定，或?qū)W生進(jìn)行市場調(diào)查進(jìn)行需求分析經(jīng)過指導(dǎo)教師修改和認(rèn)定自立創(chuàng)新項目。另外，為了激發(fā)學(xué)生的積極性，我們將創(chuàng)新性實驗內(nèi)容與國內(nèi)外大學(xué)生科技競賽和科研立項相結(jié)合，大大增強了學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新的熱情。

基于以上原則，我們創(chuàng)建了百余項創(chuàng)新型實驗項目，以下簡單介紹具有代表性的幾個實驗項目內(nèi)容：

(1) 小區(qū)智能監(jiān)護系統(tǒng)(Intelligent Supervise System for Districts)

該項目致力于設(shè)計新一代小區(qū)監(jiān)護服務(wù)系統(tǒng)，集嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(802.11、GSM網(wǎng)絡(luò)和數(shù)傳電臺)、視頻監(jiān)控技術(shù)、家居智能安全技術(shù)、GIS等技術(shù)于一身，并精心進(jìn)行了作品的工藝設(shè)計。系統(tǒng)以GENE-8310為核心，結(jié)合Windows XP Embedded操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了小區(qū)的無線視頻監(jiān)控、遙控巡邏，遠(yuǎn)程實時看護，車輛定位防盜報警以及家居安全監(jiān)控功能。該系統(tǒng)充分挖掘了嵌入式系統(tǒng)的特性，形成了一套綜合全面的監(jiān)護服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為5個模塊，分別為中央控制平臺、住戶居家信息終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置、車輛防盜報警裝置、遙控巡邏車。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于現(xiàn)代化小區(qū)、政府機關(guān)、高校、工廠、公司等大中型群體機構(gòu)，系統(tǒng)模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以針對不同的應(yīng)用需求而進(jìn)行量體定做。該項目在06年團委大學(xué)生科研創(chuàng)新立項中獲一等獎，并在教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的2006年“英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽——嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中獲得了三等獎。

(2) 多功能無線安防監(jiān)控手持式設(shè)備(Multifunctional Wireless Security and Supervise Portable Device)

該作品集嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計技術(shù)、802.11無線網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)、調(diào)頻無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、流媒體技術(shù)、多媒體播放、游戲制作等技術(shù)于一身，可實現(xiàn)無線安防報警、無線監(jiān)控、移動電話通信、聯(lián)網(wǎng)、娛樂等功能，可應(yīng)用于大型商場、超市、公司、學(xué)校等集中管理，對安防要求嚴(yán)格及需要視頻監(jiān)控的公共場所。該項目在中國軟件行業(yè)協(xié)會主辦的“第二屆博創(chuàng)杯全國大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計優(yōu)秀作品評選活動”中獲得了特等獎。

(3) 基于無線通信及智能導(dǎo)航技術(shù)的多功能水域探測器(Multifunctional Waters-detector Based on Wireless Communications and Smart Navigation Technology)

本系統(tǒng)基于EC5-1719CLDNA嵌入式工控板和Microsoft Windows XP Embedded 操作系統(tǒng)，輔以STC89C52RC，GPS等模塊，將太陽能電源管理、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、自動導(dǎo)航和自動避障等技術(shù)結(jié)合起來，致力于解決湖泊、濕地等靜態(tài)水域環(huán)境監(jiān)測問題，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、水樣采集、視頻監(jiān)控、自動巡航、特殊點定位等功能。該系統(tǒng)集嵌入式技術(shù)、計算機技術(shù)、自動導(dǎo)航技術(shù)、無線通信技術(shù)、機電一體化技術(shù)于一身，具有較高的實用價值和推廣價值。系統(tǒng)中使用的EC5-1719CLDNA嵌入式工控板充分利用了Intel Core-Due T2300雙核CPU在低功耗下?lián)碛袕姶筮\算能力的特點，使探測器能在太陽能板提供的有限電能下長時間工作。該項目在由教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的2008年“英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽——嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中獲得了三等獎

除了參加國內(nèi)外各種大學(xué)生科技競賽外，我們還為學(xué)生設(shè)置了眾多的科研立項，其中，有8項教務(wù)處組織的大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃，具體項目如：基于FPGA技術(shù)的可重構(gòu)安全遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；基于ARM平臺的嵌入式入侵監(jiān)測系統(tǒng)；人臉識別門禁系統(tǒng)；圖像采集、壓縮與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)；智能窗簾等。另外還有6項實驗室與資產(chǎn)管理處組織的實驗技術(shù)研究項目，具體項目如：基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計、微機接口綜合性實驗教學(xué)內(nèi)容研究、仿真條件下數(shù)字邏輯實驗教學(xué)研究、虛擬實驗教學(xué)中心等。除此之外，實驗室還成功申請了1項發(fā)明專利。

5 階梯式因材施教教學(xué)方法

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需要因材施教、循序漸進(jìn)、有計劃有明確目的性的培養(yǎng)方案。不同的學(xué)生有不同的特點，如果千篇一律，對每一個學(xué)生都使用同樣的內(nèi)容和方法來培養(yǎng)，學(xué)生很難充分發(fā)揮自身的特點，也就不會具備創(chuàng)新精神。

鑒于初期學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱，我們首先為這些學(xué)生設(shè)立一些驗證性的實驗內(nèi)容，供其入門；等到有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)之后，我們再提供一些設(shè)計性實驗內(nèi)容，以加強學(xué)生的實踐能力，并初步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神；最后，經(jīng)過了大概兩個月的培訓(xùn)時間，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了必要的系統(tǒng)設(shè)計方法，具備了一定的領(lǐng)域知識和較強的自學(xué)能力，師生再一起討論確定最終的創(chuàng)新題目，并初步完成系統(tǒng)需求分析，根據(jù)每個學(xué)生的特點進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計分工，開始投入系統(tǒng)實現(xiàn)和測試階段。這就形成了階梯式因材施教方法，參見圖2。

圖2 階梯式因材施教方法

在學(xué)生進(jìn)行綜合性較強的創(chuàng)新題目設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，每一個階段都需要指導(dǎo)教師按照精心設(shè)計的培養(yǎng)方案來引導(dǎo)學(xué)生。在學(xué)生的創(chuàng)新活動中，教師應(yīng)該協(xié)調(diào)一個小組中的3名同學(xué)，使他們能夠配合默契，使整個實驗課題協(xié)調(diào)進(jìn)展，潛移默化，逐漸培養(yǎng)了學(xué)生的團隊精神。在學(xué)生遇到技術(shù)難題的時候，科學(xué)的做法不應(yīng)該是直接告訴學(xué)生答案，而是告訴他們可能解決的多種途徑，引導(dǎo)他們?nèi)プ孕薪鉀Q問題，長此以往，學(xué)生不僅實踐能力大大提高，創(chuàng)新精神也會大大加強。

6以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目的的管理制度

現(xiàn)代化建設(shè)需要綜合能力較強的學(xué)生，因此我們在組織學(xué)生創(chuàng)新活動的過程中有意識培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，并逐漸形成了創(chuàng)新實驗室管理制度。

創(chuàng)新實驗室指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新活動，且必須遵循以下規(guī)定：

(1) 能夠認(rèn)真負(fù)責(zé)，全心投入指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新活動，以培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)。

(2) 必須具體指導(dǎo)至少一個創(chuàng)新小組，并制定詳細(xì)的指導(dǎo)計劃，督促學(xué)生最終形成創(chuàng)新成果。

(3) 每學(xué)期至少指導(dǎo)學(xué)生32學(xué)時。

(4) 應(yīng)積極組織學(xué)生進(jìn)行科研活動，參加各種大學(xué)生競賽活動。

(5) 所研制作品的知識產(chǎn)權(quán)和所有權(quán)歸創(chuàng)新實驗室所有。

想要進(jìn)入創(chuàng)新實驗室的同學(xué)可以選擇自己感興趣的技術(shù)方向的實驗室，向該實驗室的指導(dǎo)教師報名，經(jīng)過創(chuàng)新實驗室指導(dǎo)教師商定審批后即可進(jìn)入創(chuàng)新實驗室進(jìn)行創(chuàng)新活動。進(jìn)入創(chuàng)新實驗室的學(xué)生應(yīng)遵循以下規(guī)定：

(1) 學(xué)生根據(jù)個人興趣，自主組成創(chuàng)新小組，每組2-4人，由專門的指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)。

(2) 學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行選題或命題，題目制作過程中，可以靈活調(diào)整和完善題目內(nèi)容，每個創(chuàng)新題目都要有明確的研制計劃，可以進(jìn)行階段性檢查。每個創(chuàng)新小組都要根據(jù)研制計劃產(chǎn)生階段性成果，形成書面報告向指導(dǎo)教師匯報。

(3) 學(xué)生每學(xué)期的創(chuàng)新活動時間至少56學(xué)時，進(jìn)入創(chuàng)新實驗室應(yīng)簽到登記，對于無故長期不來的學(xué)生，實驗室將其從創(chuàng)新實驗室除名。

(4) 每個創(chuàng)新小組應(yīng)定期面向?qū)嶒炇医處熀蛯W(xué)生作報告，講述這段時間的主要工作和創(chuàng)新體驗。對于表現(xiàn)突出的團隊或個人，實驗室將予以獎勵，并優(yōu)先組織其參加國內(nèi)外大賽。

(5) 創(chuàng)新小組最終作品要求能夠演示，形成設(shè)計報告，并進(jìn)行答辯。對于出色的作品，創(chuàng)新實驗室可以為該創(chuàng)新小組的學(xué)生申請學(xué)分和獎勵。

(6) 創(chuàng)新實驗室將根據(jù)學(xué)生的能力和特點組織參加各種大學(xué)生競賽和大學(xué)生科研項目，學(xué)生應(yīng)服從創(chuàng)新實驗室的統(tǒng)一安排，一旦參與，必須全力以赴，堅持到底。對于參加大賽獲獎的學(xué)生，創(chuàng)新實驗室將向?qū)W校和學(xué)院申請獎勵，并在某些政策方面予以傾斜。

除了上述制度以外，計算機技術(shù)創(chuàng)新實驗室還為學(xué)生提供全天候的實驗室開放，包括晚上、周末以及節(jié)假日，在某些創(chuàng)新小組的要求下，還可以根據(jù)學(xué)生的特殊情況通宵為學(xué)生開放，并且有指導(dǎo)教師全程跟蹤指導(dǎo)。

7全新大學(xué)生創(chuàng)新體系下的實踐成果

大學(xué)生創(chuàng)新體系是整個計算機硬件實驗教學(xué)體系的重要組成部份。在全新的學(xué)生創(chuàng)新體系下，3年以來，我們培養(yǎng)了數(shù)百名創(chuàng)新型計算機專業(yè)學(xué)生。這些學(xué)生積極主動，充分利用節(jié)假日和晚上等課余時間，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，學(xué)習(xí)先進(jìn)前沿的技術(shù)，開發(fā)出很多綜合性作品，并積極參加國內(nèi)外的學(xué)生競賽項目和大學(xué)生科研立項活動。自2006年以來，課題組主要成員指導(dǎo)的參賽隊共獲國家級獎項12項，省級獎項2項。以下是兩年來我們所培養(yǎng)創(chuàng)新團隊所獲得的主要創(chuàng)新成績。

2006年，在由教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的“英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽—嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中，獲得了三等獎；2006年，在由中國軟件行業(yè)協(xié)會主辦的“第二屆博創(chuàng)杯全國大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計優(yōu)秀作品評選活動”中分獲特等獎和三等獎；2007年，在由微軟公司舉辦的“微軟全球?qū)W生大賽”中，2個代表隊進(jìn)入全球Top200；2007年，“第三屆博創(chuàng)杯全國大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計優(yōu)秀作品評選活動”中，分別獲得特等獎，一等獎和三等獎；2007年，在由團中央等主辦的“全國挑戰(zhàn)杯”中，獲三等獎；2007年，在由黑龍江省團省委等舉辦的2007年“挑戰(zhàn)杯”省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中，獲2項二等獎；2008年，在由教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的“英特爾杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽—嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中，獲得了三等獎；2008年，在由微軟公司舉辦的“微軟全球?qū)W生大賽”中，一個代表隊進(jìn)入全球Top200；2008年，在由中國電子協(xié)會主辦的Xlinx杯全國硬件開源設(shè)計大賽中(該賽事主要面向在校研究生)，我校作為唯一一支全部是本科生的參賽隊闖過兩輪復(fù)賽進(jìn)入決賽，獲得優(yōu)勝獎。

目前，課題組主要成員正在組織學(xué)生參與的賽事還有：教育部和信息產(chǎn)業(yè)部主辦的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計大賽；“第四屆博創(chuàng)杯全國大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計優(yōu)秀作品評選活動”(已經(jīng)進(jìn)入決賽圈)；2008全國電子設(shè)計大賽。

8總結(jié)

創(chuàng)新實驗室成立兩年多以來，經(jīng)過了初始時期的探索階段和后來的發(fā)展階段，目前已經(jīng)初步形成了一套大學(xué)生

創(chuàng)新體系。實踐成果表明，這套創(chuàng)新實驗教學(xué)體系有較好的的科學(xué)性和合理性。隨著技術(shù)和教學(xué)理念的不斷發(fā)展，在今后的工作中，我們還需要不斷調(diào)整創(chuàng)新實驗教學(xué)體系，但這套體系的目標(biāo)始終不變，即培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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