尚鳳軍

摘要：創(chuàng)新是一個國家和一個民族長久保持競爭力的根本，因此建立人才創(chuàng)新能力的課程體系，提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，是高校的重要職責。文章通過調查研究和深入學習，開展宏觀理論研究。設計出研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃總體方案；以解決計算機系統(tǒng)復雜工程問題為目標，以培養(yǎng)能夠深入理解并掌握計算機系統(tǒng)核心、具備引導行業(yè)發(fā)展能力的人才為重點，深化實驗教學改革，加強資源建設和管理，促進教學團隊建設，以適應技術和產業(yè)發(fā)展對計算機產業(yè)人才的需求。

關鍵詞：計算機復雜工程；虛擬仿真；創(chuàng)新能力；課程群；實踐體系

0.引言

計算機科學與技術是一門基礎學科，計算機能力是當代大學生必備的能力之一，建立大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系，完善創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式非常重要…。但由于學校的學科優(yōu)勢、專業(yè)特色、課程設置、管理模式等情況各異，實驗室資源條件也各不相同，計算機教育必須應對網(wǎng)絡化時代的挑戰(zhàn)，無論是技術發(fā)展、管理手段，還是學習模式變化，都使計算機領域的虛擬仿真實驗教學成為必然。因此，引入虛擬仿真技術解決計算機復雜工程問題具有很高的現(xiàn)實意義和推廣價值。

1.教學內容面向解決系統(tǒng)化工程問題

復雜工程問題需要扎實的專業(yè)基礎知識，學校應面向計算機類專業(yè)的就業(yè)領域進行調研，根據(jù)調研的情況修訂培養(yǎng)方案，在修訂過程中把握3條主線，即軟件架構與應用軟件類（包括系統(tǒng)架構、軟件開發(fā)等）、硬件應用設計類（包括嵌入式、組成原理等）、數(shù)據(jù)科學類（包括大數(shù)據(jù)分析、云計算等）始終貫穿培養(yǎng)方案，如圖1所示為改革后的課程群。應用軟件類第一學期開設c語言程序設計課程；第二學期開設c語言實踐課程；第三學期開設數(shù)據(jù)結構課程，奠定軟件開發(fā)基礎；第四學期開設操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等，提升軟件開發(fā)能力；第五學期開設專業(yè)程序設計課程，例如Web程序設計、軟件綜合課程設計等，強化專業(yè)應用軟件設計開發(fā)能力；第六學期開設智能終端軟件開發(fā)和軟件工程等軟件設計課程，提升應用軟件系統(tǒng)創(chuàng)新設計能力；第七學期開設軟件架構與應用開發(fā)課程，全方位提升軟件架構設計開發(fā)能力，使學生從進入校園到離開校園，應用軟件設計能力連續(xù)提高，直至就業(yè)。在此過程中，學校應充分利用校企合作，安排學生到企業(yè)實習、實訓，以提高學生的軟件開發(fā)能力，系統(tǒng)化地培養(yǎng)應用軟件類人才。硬件應用類第一學期開設計算機科學導論課程、第三學期開設數(shù)字電路與邏輯設計課程；第四學期開設計算機組織與結構課程；第五學期開設嵌入式系統(tǒng)設計課程，奠定硬件開發(fā)基礎；第六學期開設硬件綜合課程設計，提升硬件開發(fā)能力。學校要瞄準“互聯(lián)網(wǎng)+”，適應行業(yè)需求，增設數(shù)據(jù)科學方向。第一學期開設高等數(shù)學及計算機科學導論等課程；二學期開設概率論與數(shù)理統(tǒng)計課程；第三學期開設離散數(shù)學及數(shù)學建模/計算方法等課程；第四學期開設算法分析與設計課程等，奠定數(shù)據(jù)分析基礎；第五學期開設數(shù)據(jù)挖掘基礎課程，強化數(shù)據(jù)利用基礎；第六學期開設大數(shù)據(jù)分析與處理、云計算與大數(shù)據(jù)實踐等課程，提升大數(shù)據(jù)平臺搭建和大數(shù)據(jù)分析應用能力，使學生從進入校園到離開校園數(shù)據(jù)分析處理能力連續(xù)提高，直至就業(yè)。實驗室組建課外科技活動小組，包括嵌入式系統(tǒng)興趣小組、智能終端設計開發(fā)小組、網(wǎng)頁制作及組網(wǎng)興趣小組等。

2.課程群建設面向復雜工程設計

我們把數(shù)字電路與邏輯設計、計算機組織與結構、操作系統(tǒng)和編譯原理4門專業(yè)課構造為計算機系統(tǒng)核心課程群，重構了課程群的知識體系與實驗體系，如圖2所示。

軟件架構方向培養(yǎng)學生系統(tǒng)的軟件設計開發(fā)能力。我們將c語言程序設計、數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)庫原理和軟件工程4門計算機專業(yè)課程構造為該方向課程群，如圖3所示。

數(shù)據(jù)科學方向主要培養(yǎng)大數(shù)據(jù)科學與工程領域的復合型高級技術人才，畢業(yè)生具有信息科學、管理科學和數(shù)據(jù)科學基礎知識與基本技能，掌握大數(shù)據(jù)科學所需要的計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)處理等相關學科的基本理論和基本知識，熟練掌握大數(shù)據(jù)采集、存儲、處理與分析、傳輸與應用等技術?；诖?，我們將概率論與數(shù)理統(tǒng)計、離散數(shù)學、算法分析與設計和數(shù)據(jù)挖掘4門計算機專業(yè)課程構造為該方向課程群，如圖4所示。

3.引入虛擬仿真模式，建立多位一體的學生實踐能力培養(yǎng)體系

在信息技術網(wǎng)絡化、服務化的演變歷程中，信息服務日益豐富，使計算機軟硬件系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，復雜性不斷提高，信息安全的形式也日益嚴峻。傳統(tǒng)的基于單機和實物的實驗教學條件難以呈現(xiàn)異構、復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，難以觸及計算機體系結構（例如cPu設計、多核設計等），難以分析實時、潛在的安全威脅，導致學生理論與實際相脫節(jié)，對所學知識缺少系統(tǒng)性認識，在能力上無法適應產業(yè)發(fā)展對計算機人才的需求。因此，必須引入虛擬仿真實驗技術，解決計算機各學科中的實驗教學問題，完善現(xiàn)有計算機各學科實驗教學體系。應重點開展與網(wǎng)絡、計算機體系結構和信息安全相關的基礎訓練、綜合設計和創(chuàng)新拓展3層次虛擬仿真實驗，并通過隨課實驗、課程設計、專業(yè)實踐、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)實施，實驗體系如圖5所示。

4.統(tǒng)一規(guī)劃教學內容和教學方法

學生應將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于設計CPU，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。在理順教學內容的基礎上，各課程以完成基本計算機系統(tǒng)設計和實現(xiàn)為教學目標，改進教學方法；在加強原理性知識講解的同時，強化工程化實現(xiàn)方法的訓練，力求學生在系統(tǒng)原理和工程實現(xiàn)方法兩方面均有收獲。

5.統(tǒng)一規(guī)劃課程實驗體系

計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)中，實踐占有很大的比重，是學生運用所學知識解決實際計算機系統(tǒng)設計問題的過程，更是檢驗教學效果的重要手段。然而，計算機系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，要讓學生在有限的時間內完成教學和實踐內容，需要我們精心設計教學實驗體系，圍繞教學改革目標設置各課程的階段子目標和相應的實驗內容；完成模塊設計和實現(xiàn)后，再通過綜合實驗來最終集成，形成一個完整的計算機系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。在計算機組成原理課程中，我們安排了8個教學實驗，通過精心安排和組織，8個實驗由基礎到全面，由運算器、控制器到CPU設計，構成了一個基本完整的CPU系統(tǒng)。

（1）實驗1（海明碼）和實驗2（乘法器）的目的在于了解和熟悉計算機系統(tǒng)的容錯技術和海明碼原理以及計算機系統(tǒng)的補碼booth乘法器的原理。

（2）實驗3（算數(shù)邏輯運算單元）的目的是掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路和驗證4位ALU運算器的組合功能。

（3）實驗4（時序部件）的目的是理解計算機控制器中時序控制部件的基本組成和工作原理，掌握啟停邏輯電路、節(jié)拍脈沖發(fā)生器的工作原理及設計方法，了解啟停邏輯電路、節(jié)拍脈沖發(fā)生器等電路的結構特點。（4）實驗5（硬布線控制器）的目的是理解指令譯碼器的作用和重要性，學習設計組合邏輯控制器。硬布線控制器的控制信號直接由各種類型的邏輯門和觸發(fā)器構成。

（5）實驗6（微程序控制器）的目的是理解微程序控制器的控制原理，進一步掌握指令流程和功能，了解掌握微程序控制器的設計思路和方法。

（6）實驗7和實驗8（CPU設計）要求學生利用已有的計算機組成原理知識以及對計算機系統(tǒng)結構的初步學習，設計一個完整的CPU體系結構（包括指令系統(tǒng)、尋址方式、數(shù)據(jù)表示、寄存器結構、存儲系統(tǒng)和流水線結構等）。

6.結語

面向系統(tǒng)培養(yǎng)計算機人才的創(chuàng)新能力，設計出適合學生的課程體系和實驗內容是重要的抓手。由于計算機技術涉及面廣，教學和管理團隊的配備應是動態(tài)的。應在專業(yè)方向、課程群等不同層次的教學團隊中，鼓勵和吸引更多科研水平高、工程能力強的教師深入教學，引入企業(yè)資深工程師參與實踐教學，這是提高學生工程實踐能力的重要途徑。