周興銘

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院， 湖南 長沙 410072)

0 引言

我國高等院校承擔(dān)著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù)。提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，也是建設(shè)高等教育強(qiáng)國的基本要求。

常言道，“實(shí)踐中出真知，實(shí)踐中長才干”。實(shí)踐教學(xué)作為人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，起著融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)、促進(jìn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要作用，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神的重要過程，也是培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才的重要手段。當(dāng)今中國，實(shí)踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)用型、復(fù)合型人才方面具有不可替代的重要作用獲得了廣泛共識(shí)。2012年，教育部4號(hào)文件中明確指出：要“強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)。制定加強(qiáng)高校實(shí)踐育人工作的辦法。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)要求，分類制訂實(shí)踐教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。增加實(shí)踐教學(xué)比重，確保各類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)必要的學(xué)分(學(xué)時(shí))。配齊配強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室人員，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)踐教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)。”本文結(jié)合國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐教學(xué)建設(shè)與發(fā)展就此問題作一探討。

1 計(jì)算機(jī)實(shí)踐教育理念的形成與傳承

國防科技大學(xué)的計(jì)算機(jī)事業(yè)起步于上個(gè)世紀(jì)50年代，人才培養(yǎng)隨著科研型號(hào)項(xiàng)目的推進(jìn)而逐漸形成規(guī)模和體系。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)還是個(gè)稀罕物，計(jì)算機(jī)人才極為緊缺。老一輩銀河擎旗人慈云桂先生高瞻遠(yuǎn)矚，在科研工作十分忙碌的情況下，組成了一支精干力量的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，自編教材，邊干科研邊搞教學(xué)。教學(xué)的舞臺(tái)甚至就在科研實(shí)驗(yàn)室，科研儀器設(shè)備經(jīng)過加工改造成為最合適的實(shí)驗(yàn)器材。我國第一代電子管計(jì)算機(jī)(魚雷指揮儀)研制成功不久就安裝到教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，開創(chuàng)全國用整機(jī)開設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課的先河，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用，這一優(yōu)良傳統(tǒng)一直得到了繼承和發(fā)揚(yáng)。斗轉(zhuǎn)星移，一代又一代的棟梁之才培養(yǎng)出來了，人才培養(yǎng)體系逐漸建立和完善并凝聚成了“堅(jiān)持教學(xué)、科研、生產(chǎn)三結(jié)合，促進(jìn)計(jì)算機(jī)學(xué)科建設(shè)”教學(xué)成果。1989年，該項(xiàng)成果獲得了國家教學(xué)成果特等獎(jiǎng)?？v觀半個(gè)世紀(jì)的銀河事業(yè)，毫不夸張地說，正是國家的需要具體化為學(xué)院一項(xiàng)項(xiàng)重大科研工程，正是科研工程的需要牽引教學(xué)與人才培養(yǎng)體系的建設(shè)和發(fā)展，正是科研和教學(xué)的緊密結(jié)合形成了具有豐富內(nèi)涵的實(shí)踐教學(xué)體系和教學(xué)相長的人才培養(yǎng)模式。一方面，寓人才的培養(yǎng)于科研一線，通過解決實(shí)際問題不斷磨礪和提升教師的能力；另一方面，不斷選拔在工程研制中涌現(xiàn)出的經(jīng)驗(yàn)豐富的優(yōu)秀骨干充實(shí)到教學(xué)第一線，以解決理論脫離實(shí)際的問題。

在數(shù)十年的奮斗歷程中，崇尚實(shí)踐，崇尚創(chuàng)新成為一代又一代銀河人的共同信念。面向計(jì)算機(jī)、微電子、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)的飛速發(fā)展與交叉融合的局面，實(shí)踐教學(xué)的理念與手段亦需有創(chuàng)新?？上驳氖?，計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)也在不斷進(jìn)步，圍繞教書育人、實(shí)踐育人又有了新的貢獻(xiàn)和創(chuàng)造(圖1)。

圖1 本科生參加“天河一號(hào)”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝機(jī)任務(wù)

近些年來，在國家和軍隊(duì)重點(diǎn)建設(shè)計(jì)劃的支持下，我校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)條件有了長足的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在用房、設(shè)備、人員等方面獲得了很大的補(bǔ)充，持續(xù)推進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)改革成果豐碩：建成了國家級計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)示范中心，先后有7門課程進(jìn)入國家級精品課程行列；研發(fā)和推廣了一批實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工具；與全國同行一道，編撰《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范》等指導(dǎo)性文件，以教育部計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的名義出版，在全國高校推廣，產(chǎn)生了廣泛的影響。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的特色與發(fā)展

2.1 創(chuàng)建新的計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)體系

著眼未來國家和國防建設(shè)的需要，我校在制定人才培養(yǎng)方案中始終強(qiáng)調(diào)“堅(jiān)持把重實(shí)踐作為推進(jìn)人才培養(yǎng)科學(xué)發(fā)展的重要理念，作為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要著力點(diǎn)，作為統(tǒng)籌人才培養(yǎng)工作的重要抓手”，著力塑造厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力、實(shí)踐貫穿全程的教學(xué)特色。與之相呼應(yīng)，計(jì)算機(jī)學(xué)院提出并實(shí)踐了“4433”計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系：將計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)與能力培養(yǎng)貫穿于課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)/實(shí)訓(xùn)、課外實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)等四個(gè)環(huán)節(jié)；進(jìn)一步將課程實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)綜合性實(shí)驗(yàn)、綜合課程設(shè)計(jì)和自主科研創(chuàng)新活動(dòng)四個(gè)層次；全方位培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與安全三個(gè)方面的工程實(shí)踐能力；并通過不斷建設(shè)和完善教學(xué)團(tuán)隊(duì)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)境和實(shí)踐教學(xué)管理三個(gè)支撐條件使整個(gè)實(shí)踐教學(xué)體系得以有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

特別是通過學(xué)生自己組織的“銀河之光”文化節(jié)開展系列科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的同時(shí)，鍛煉學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力；通過與地方單位和部隊(duì)建立實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)基地，使學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和解決應(yīng)用問題；通過開展學(xué)科和軍事特色濃厚的專題式畢業(yè)設(shè)計(jì)組訓(xùn)方式改革，90%的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題與科研課題、工程項(xiàng)目或者部隊(duì)實(shí)際系統(tǒng)有關(guān)，強(qiáng)化了學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)與服務(wù)部隊(duì)意識(shí)的養(yǎng)成。

2.2 拓展計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)涵改革

進(jìn)入新世紀(jì)，特別是近年來，信息技術(shù)仍處在高速發(fā)展的態(tài)勢，學(xué)科間的交叉與融合更加豐富，如何因應(yīng)發(fā)展態(tài)勢，優(yōu)化學(xué)科特色，拓展為軍服務(wù)能力成為我校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)涵改革的重要內(nèi)容。

2.2.1突出系統(tǒng)級訓(xùn)練，形成以硬件能力見長的特色與優(yōu)勢

長期以來，國內(nèi)計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)普遍都存在重軟件輕硬件的現(xiàn)象。一方面，由于軟件人才需求量相對較大，在資金投入、技術(shù)積累、實(shí)踐條件要求等多方面相對較低；另一方面，隨著EDA設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件化現(xiàn)象越來越普遍，導(dǎo)致很多高校輕視學(xué)生硬件實(shí)踐能力培養(yǎng)。長此以往，將會(huì)造成宏觀上人才結(jié)構(gòu)不合理，微觀上人才的發(fā)展空間受限。隨著社會(huì)對復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的需求不斷提升，系統(tǒng)級(軟、硬結(jié)合)實(shí)踐能力的缺失將帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。

以“銀河”、“天河”系列超級計(jì)算機(jī)、“銀河玉衡”核心路由器、“銀河飛騰”系列芯片為代表的一系列大型科研課題不斷擴(kuò)展，使得計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室在硬件以及系統(tǒng)級能力訓(xùn)練上提供了國內(nèi)一流的實(shí)踐條件，教師團(tuán)隊(duì)有意識(shí)強(qiáng)化學(xué)生的硬件實(shí)踐能力培養(yǎng)并形成了獨(dú)特的優(yōu)勢。

在制定人才培養(yǎng)方案時(shí)，充分考慮硬件系列課程在課程體系框架中的獨(dú)特地位，開出了一組高水平的硬件系列課程及相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)課。以“計(jì)算機(jī)原理課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)課程為例，20多年的教學(xué)歷程總結(jié)起來大致可劃分為三個(gè)階段。

第一個(gè)階段，(上世紀(jì)90年代初)，學(xué)生在面包板實(shí)驗(yàn)箱上以VLSI芯片(74LS181、74LS138、74LS00等)，配以成組的導(dǎo)線設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各種類型的CPU。多輪實(shí)踐下來，學(xué)生普遍反映對CPU基本工作原理與特點(diǎn)有了深刻的理解。

第二個(gè)階段(上世紀(jì)90年代后期)，學(xué)生使用可編程邏輯器件在實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)CPU。

第三個(gè)階段(2000年以后)，我們依靠多年技術(shù)積累和技術(shù)革新，先后研發(fā)了“六合一”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖2)、“天河陽光”硬件綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖3)。該平臺(tái)采用“ARM+FPGA”架構(gòu)，可開展從元件、部件

到系統(tǒng)各層面的實(shí)踐教學(xué)，針對不同的課程可以采用原理圖輸入、提供構(gòu)件設(shè)計(jì)以及基于HDL語言的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了硬件課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的統(tǒng)一，使得硬件課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以一體化設(shè)計(jì)。同時(shí)，學(xué)生可以通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)驗(yàn)證CPU多級流水、Cache、多核等功能，并在此基礎(chǔ)上開展創(chuàng)新實(shí)踐。更進(jìn)一步，通過升級可以將操作系統(tǒng)、編譯環(huán)境移植到該平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟硬皆可實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效地鍛煉學(xué)生全系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

圖2 學(xué)員小組在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試

圖3 “天河陽光”硬件綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

此外，當(dāng)今的硬件設(shè)備呈現(xiàn)微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，以Google眼鏡、iWatch、3D打印機(jī)、智能機(jī)器人、無人機(jī)等新設(shè)備與新裝置層出不窮。針對發(fā)展趨勢，實(shí)驗(yàn)室積極引進(jìn)新設(shè)備，更新實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，整合軟、硬件開發(fā)能力訓(xùn)練。例如，批量采購Lego、NAO等多款智能機(jī)器人，引入Android智能終端、無人機(jī)等平臺(tái)，更新和優(yōu)化“程序設(shè)計(jì)”、“人工智能”、“嵌入式系統(tǒng)”等課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)大量設(shè)置創(chuàng)新實(shí)踐題目，鼓勵(lì)由學(xué)生自擬題目，自組團(tuán)隊(duì)申請各級創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃。

可以說，實(shí)踐條件的改善，自由競爭氛圍的建立喚起了學(xué)生強(qiáng)烈的探索興趣，對于實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到綜合創(chuàng)新的跨越，突出學(xué)生硬、軟件一體化的實(shí)踐能力的培養(yǎng)起到了重要的作用。

(未完待續(xù))