郭瑞波，郭川軍，侯菡萏

（哈爾濱金融學院 計算機系，哈爾濱 150030）

復旦共識、天大行動、北京指南，一系列高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略使新工科成為教育改革中最醒目的關鍵詞。“新工科”的提出不僅為工程教育的理論和實踐探索提供了一個全新的視角，也是對國際工程教育改革發(fā)展做出的中國本土化的回應。計算機科學與技術專業(yè)需要培養(yǎng)大批新型工程科技人才，要求所培養(yǎng)學生具有工程思維與動手能力，所以課程中的工程實踐體系構建尤為重要。數字邏輯課程是計算機科學與技術專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程，有較強的理論性、系統(tǒng)性，同時又與工程實際中的問題密切相關。要求學生能熟練掌握數字系統(tǒng)的分析與設計方法，為后續(xù)的計算機組成原理等課程奠定硬件設計基礎。在新工科的指導思想下，如何構建實踐課程體系，提高學生對計算機硬件課程的學習興趣，解決困惑學生的“我很想做硬件實驗，但是復雜的連線總是讓人煩惱！”“學習這門課程可以做哪方面的創(chuàng)新實驗？”“學習這門課程對我今后的工作有什么幫助？”等問題，使新工科的教育思想與實際教學融合，完成計算機技術快速發(fā)展中工程專業(yè)人才服務地方經濟的培養(yǎng)目標，需要對現(xiàn)有實踐課程進行整體規(guī)劃與改革。

一、計科專業(yè)工程實踐人才培養(yǎng)模式現(xiàn)狀分析

計算機科學與技術專業(yè)的工程入門課程為數字邏輯。以該課程為例，實踐部分要求學生掌握基本邏輯門的電路結構與工作原理，掌握常用的小規(guī)模與中規(guī)模集成電路的原理與應用，了解可編程邏輯器件的分類與結構，學生需掌握對數字系統(tǒng)進行分析與設計的能力。而目前的實踐教學環(huán)節(jié)存在一些問題，影響了教學目標的實現(xiàn)。

（一）使用傳統(tǒng)的實踐教學模式

實驗課程內容的安排基于傳統(tǒng)的實驗箱，學生使用74系列標準芯片進行常規(guī)驗證性和基礎性的實驗，在實驗箱上手工連線來完成電路功能。但是傳統(tǒng)的邏輯器件連線實驗在完成較復雜的實驗項目中，如果出現(xiàn)一處引腳設計錯誤或連線錯誤將導致整個實驗的失敗，查錯代價大，花費時間多。實驗箱使用年限較長，經常進行導線插拔操作也會有引腳接觸不良的現(xiàn)象，使電路整體可靠性降低。久而久之，使學生從剛接觸硬件實驗的新奇感轉變?yōu)閱握{、枯燥感，這種實驗環(huán)境不利于學生充分利用實驗器材開展創(chuàng)新實驗與綜合實驗；而模塊化的實驗內容也很難讓學生理解項目設計的完整流程，容易失去學習目標與學習興趣。

由于新設備與新技術的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的基本邏輯器件實驗已不能滿足教師教學與學生成長的需要。現(xiàn)有的理論教學方法以教師講授為主，在作業(yè)中引導學生根據現(xiàn)有基本邏輯器件進行分析設計；實驗教學方法以模塊功能驗證型實驗為主，輔以簡單的綜合實驗，在一定程度上制約了學生興趣的培養(yǎng)與自主創(chuàng)新能力的發(fā)展。

（二）實驗資源分配固定

由于數字邏輯課程的課時逐年壓縮，實驗課時有限，學生只能在課程安排的有限時間內練習相關內容，沒有大塊完整的時間進行復雜的綜合設計實驗，影響了學生對各種芯片與實驗器材熟悉程度與綜合應用能力提升。此外，目前的實驗器材是由教師申請采購的常用標準元器件，學生綜合設計中的部分元器件由于欠缺，導致部分功能無法實現(xiàn)，損害了學生的學習積極性。

（三）實踐能力考核方案不完善

課程考試成績是學生最為關注的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)考核方式以平時成績和期末考試成績構成綜合成績，平時成績占30%，由作業(yè)與實驗報告構成，部分學習松懈的學生為了取得較高的平時成績會用抄襲的方式應付作業(yè)與實驗報告，教師無法根據這些資料分析出學生的真實學習狀態(tài)與效果；期末成績占70%，由一次卷面考試來確定，部分學習松懈的學生想利用靠前一周進行突擊復習才發(fā)現(xiàn)知識點無法融會貫通，導致最終成績不佳。這種考核模式忽視了平時各個教學環(huán)節(jié)的考核，學生處于被動學習的環(huán)境中，不利于調動學生及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題的主觀能動性，以至于不懂的內容、不會的題目越積越多?？己顺煽冎饕晒P試成績構成，導致學生往往不重視實驗內容的設計，知識停留在表面，無法促進實踐綜合應用能力的提高。

二、構建工程實踐型人才培養(yǎng)方案

（一）重構實踐培養(yǎng)方案

數字邏輯實驗課程要讓學生理解計算機底層硬件的工作原理。為完成這一目標，要減少中小規(guī)模集成電路模塊化的實驗內容，構建新的實驗模式：硬件模塊化實驗+PSoC片上編程綜合實驗，保留部分硬件模塊化實驗。實驗內容連線簡單、易懂，便于學生初步熟悉硬件的概念，形成邏輯圖形符號與實際元件的映射關聯(lián)，熟悉硬件設備的使用方法及故障調試方法，養(yǎng)成規(guī)范的布線風格。因此，該部分實驗有利于學生養(yǎng)成嚴謹、耐心的工作態(tài)度。

增加PSoC片上編程綜合實驗。PSoC（Programmable System on Chip）是美國Cypress半導體公司推出的集微處理器、可編程數字陣列和可編程模擬陣列或模擬器件于一體的可編程片上系統(tǒng)。這種芯片能夠完全自由、靈活地設計出集模擬電路、數字電路與微處理器于一身的電子系統(tǒng)，改變以往由分立器件或單一集成電路組成的電子系統(tǒng)的設計思路，而站在系統(tǒng)級的高度看待數字電路，使學生能夠從更高角度上來學習數字邏輯課程。同時，PSoC具有易操作性和易學性的特點，使得少量的課時便可達到事半功倍的效果。PSoC系統(tǒng)集數字可編程陣列、模擬可編程陣列、單片機為一體，解決了數字電路與模擬電路的接口問題，內部資源較單片機豐富，PSoC平臺提供USB下載接口、音頻輸入輸出接口、溫度傳感器、紅外熱釋傳感器等資源，功能強大，幾乎不需外部資源即可構成電子系統(tǒng)。學生先通過基礎實驗熟悉如何用原理圖輸入與設計電路，然后通過擴展實驗掌握各個模塊綜合應用的方法。

PSoC Creator軟件平臺自動配置時鐘和布線I/O到所選擇的引腳，并且為給定的應用產生應用程序接口函數API對硬件進行控制。只要具有數字邏輯和C語言基礎知識即可使用該平臺進行實驗，簡化了學生的編程語言學習內容，降低了學習難度，有利于學生將更多的精力用于設計新思想、新方法，并將其付諸于實踐，建立自己的IP核，從而提升學生綜合設計實踐能力與創(chuàng)新應用能力。

（二）靈活配置實驗資源

為了打破實驗室時間與地點的束縛，對實驗室與實驗設備進行靈活配置。一是在課余時間開放實驗室的使用，既能讓課上沒有完成實驗的學生利用空閑時間來完成實驗，又能讓學有余力的學生組成興趣小組一起探討完成有一定難度的設計方案。二是部分開發(fā)板允許學生外借，讓學生靈活利用時間調試設計結果、開發(fā)創(chuàng)新項目、參加電子大賽。多方位靈活的實驗資源可以讓學生更好地將理論知識與電路設計相結合，提高學生學習的興趣、設計能力、協(xié)作能力與實踐動手能力。

（三）提升工程實踐與科研能力

二者融合有利于培養(yǎng)學生對創(chuàng)新的熱情、使命感和價值感，提升學生的思維能力與技術能力，使學生更關注課堂知識的掌握與應用。實驗綜合設計與科研活動結合可以有多種形式，一是讓學生參與到教師的科研項目中；二是讓學生以實驗小組為整體申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目；三是鼓勵學生參加各類電子設計大賽。多種形式的應用可以激發(fā)學生的學習積極性，建立系統(tǒng)觀念，鍛煉團隊合作精神與專業(yè)技能。

（四）優(yōu)化人才培養(yǎng)考核方案

考核不僅要體現(xiàn)成績的客觀性，還要重視學習過程的知識考核。為了提高學生實踐應用能力需要通過多種渠道來考查學生的學習效果。課程綜合成績由平時成績50%+期末考試成績50%構成。其中，平時成績中作業(yè)占5%、課程實驗占30%（考查每次實驗原理、設計方案、電路圖、結果驗證、實驗報告），期末綜合實驗設計占15%（考查設計選題、軟件模擬仿真、實驗結果、設計報告）。通過合理有效的考評制度，以考促學，使學生重視實踐動手能力的重要性，提升課程的教學效果。

結語

以服務地方經濟發(fā)展為目標、以新工科培養(yǎng)學生工程實踐能力為導向，用PSoC平臺作支撐，構建“學習→實踐→比賽→畢業(yè)設計”的工程實踐方式，培養(yǎng)學生數字電路的設計能力，并將該能力應用在后續(xù)的大學學習周期中。為此，我們應與時俱進、不斷完善教學體系，提升學生的綜合能力以適應地方經濟發(fā)展對人才的需要。