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以培养创新型人才为目标的计算机硬件实验教学的相关探究论文
计算机硬件实验系列教学活动是推动计算机专业创新型人才培养的基础力量。早在2003 年，哈尔滨工程大学计算机实验教学中心就提出了“软硬件实验环境一体化、实验平台综合化、实验内容系统化”的硬件实验课程建设指导思想，即“三化结合”的计算机硬件实验教学理念。构建软硬件一体化实验环境有利于培养学生软硬件综合素质。综合的实验平台可以进行多课程内容交叉的综合实验，有利于培养学生的综合设计能力，实验内容的系统化有利于培养学生的系统化设计的思想。
1 现有硬件实验课程体系现状和存在的问题
当前，计算机硬件实验教学课程体系主要包括“数字逻辑实验”、“计算机部件实验”、“计算机组成实验”、“微机接口实验”、“单片机课程设计”，共计4 门实验课和1 门课程设计。实验采取循序渐进的方式，分布在大学本科四年阶段性进行。由于实验设备数量和整体环境条件的限制，多数实验项目都是基于硬件逻辑设计的。例如，数字逻辑实验最终结合实验芯片，实现单一的加法器、半加器等基本功能，功能扩展性差，而且只能开设数量有限、技术含量较低的实验项目，现有硬件实验课程体系存在的问题。
1. 1 学生缺乏系统设计的概念
随着，嵌入式集成技术的快速发展，特别是ARM 系统的稳定升级，使得硬件系统的规模变得越来越大，功能实现也越来越复杂。在大学的实验室里，传统的硬件设计和软件仿真相分离的实践模式早已被淘汰。构建系统平台、实现软硬件协同设计和验证，强调软硬件功能模块的可重用性成为现今市场的技术研究热点。因此，在学习阶段就按照硬件从业者标准，重点培养学生系统设计的思想和能力成为当务之急。
1. 2 学生缺乏可编程芯片设计能力
目前，实验中心虽然已开设了GAL 编程方面的实验项目，但是还达不到嵌入式系统设计的要求层次，因此，培养学生可编程芯片设计能力也是市场对从业人员的需求之一。
1. 3 缺乏对学生进行EDA 技术的培养
有关EDA 技术培训较少，基于大量的嵌入式FPGA 实验箱，很多实验项目都是基本的单元级验证型实验，难有扩展和创新实验项目，这是目前的教学弊端之一。
1. 4 学生的创新能力发挥受限
规定的计算机硬件实验项目都是具有固定器件类型和实验箱的模式，因此，设备数量有限，器件种类单一是实际问题，学生想进行扩展设计，或者自主的综合性实验项目，也无法正常进行。
2 分层次、个性化培养的教学体系创新
分层次培养实验教学模式是指: 根据实验项目的难易度，将实验内容分为三类: 即普及类、进阶类和创新设计类，分别对应基础实验( 通识教育) 、综合设计实验及自主创新实验( 创新教育) 。通过分层次的教学体系建设，既可以满足不同层次学生对实验内容的需求，使其尽情发挥实践动手能力和学习能力; 同时又可以对硬件系列的各门课程内容进行整合，按照从业人员标准，最大限度地提高学生的创新实践能力。
“个性化”教育是创新人才培养的重要组成部分，中心始终注重对创新能力的培养和教育，教师在授课过程中，会留心选拔能力突出、学有余力的学生，对其开展“个性化”培养，设专职教师对其理论学习及实践能力等多方面进行综合指导; 同时，实验中心在创新经费、实验场地、仪器器件等方面给予支持，以此推动“个性化”学生的能力培养，使教师能够在有限的时间内挖掘出他们的最大潜能经过3 年多的实践检验，上述做法已获得了显著的效果，一些“个性化”较强、创新能力突出的学生已经脱颖而出，在各类创新赛事中获得可喜成绩。实验教材能够为学生实验提供参考指导的作用，有助于自学和进一步地科技创新需要。目前，中心独立撰写多部实验教材和实验讲义，这些教材能够涵盖所有已开设的实验项目和科技创新课题，从实验内容、实验技术、实验过程和设备使用等多方面为学生提供参考知识，为学生顺利完成实验提供有力保证。计算机部件和计算机组成实验采用了EDA 技术，引进杭州康芯电子有限公司的GW48 系列FPGA 开发平台; 微机接口课程采用了新型的博创ARM12 系列开发平台; 数字逻辑实验采用了新型的达艾思逻辑操作平台，同时配备数字逻辑虚拟实验教学软件。与之相对应的是，实验室与清华大学出版社等多家单位联合出版了多部具有指导性的计算机硬件实验系列教材，这些教材已投入到多所大学的硬件实验教学中。
3 实验教学研究方法与理念创新
3. 1 嵌入式系统为主线的实验课程体系
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，已受到欧美等发达国家的广泛关注。针对当今国际电子设计业界对人才培养能力的普遍认同标准，应集中强化学生嵌入式开发技术技能的培养。新的课程体系是: 从本科生第四学期到第七学期硬件实验不断线，层次逐步提高，实验内容衔接连贯; 通过重组实验教学环境，构建反映当今计算机科学技术水平和加强培养学生工程实践能力的系列实验课程; 强调各门课程明确分工、分层次培养学生的独立组织硬件实验的能力，软件仿真验证能力，测量仪器使用能力; 为提高教学效果，教师都认真准备，精心设计实验范例，还收到明显成效。
3. 2 多角度的新型实验成绩考核方式
由于实验内容和实验方法的多样性，决定了考核方式的多样化，考核方式应能真实地反映学生的理论水平和实验技能水平。为此，中心提出了“3 +5 + 2 新型实验成绩考核方式”，其突出特点在于: 首先，突出预习在实验教学中的作用，通过预习报告反映出的预习成绩，占总成绩的30%，预习报告作为参加实验的必要条件，不做预习报告，不得参加实验，从而使学生重视预习。教师通过预习报告，使实验指导更有针对性，从而提高了实验教学质量。同时，强调实验操作和数据的收集是实验教学的中心环节，占总成绩的50%，不参加此环节的学生，其实验课成绩为不及格。在这个环节中，对学生的动手能力进行全面的考核，包括: 是否遵守实验规则、排布线能力、分析问题解决问题能力、对理论设计的实现能力等。而实验报告则是实验教学成果的总结，反映学生对科学实验的概括总结能力，其占总成绩的20%。
3. 3 自行研究软硬件实验平台
在引进全新的实验设备的同时，中心积极自主研制基于国产CPU C* CORE 的嵌入式系统教学、实验开发平台。该平台以国产CPU 为载体、自由软件Linux 为基础，采用一体化设计技术，把嵌入式实时Linux、集成开发环境、开发板和仿真器结合成一个有机的整体。本系统采用平面内存管理模式解决了Linux 对无MMU 的国产CPU C* CORE 的存储管理; 采用抢占式二阶进程调度算法，增强了Linux处理实时应用的能力; 集成开发环境贯彻以人为本的设计理念，高度集成多种开发工具，体现人性化设计，易学好用; 采用构件化设计技术构造开放式体系结构，便于第三方工具的融入; 仿真器采用高速仿真处理技术，提高调试效率; 开发集成以太网、USB 和扩展总线等接口，拓展应用范围，有利于对学生进行计算机软硬件系统设计的培养。
3. 4 多媒体教学及现代化教学手段建设
计算机虚拟实验教学中心是以虚拟现实为技术基础，结合计算机硬件实验课程建立起来的，以加强师生互动为目的，努力挖掘学生创新潜能，降低实验经费消耗。虚拟实验中心依托于校园网络，可以弥补设备资源的不足、实验室开放与学习任务冲突等问题，可以实现最大负荷情况下的多人数在线虚拟实验。虚拟实验教学中心包括四个硬件虚拟实验室: 数字逻辑及电路虚拟实验室、可编程逻辑及数字系统虚拟实验室、嵌入式系统虚拟实验室、计算机技术创新虚拟实验室。
4 实验教学改革的反馈与效果
中心对全校159 名学生进行了“硬件实验教学效果”调查问卷。从统计结果中看出，有89. 5% 的学生认为通过实验完全理解了相关理论知识，有91. 2% 的学生可以熟练运用有关的科学实验方法，有92. 6%的学生能独立完成或在教师提示下完成应用系统设计，有96. 2%的学生认为实验教学对考研或就业有较大帮助，有94. 3% 的学生通过实验课程的学习，认为教学内容和课程设置合理，能满足需求。
对经过“个性化”培养的学生进行了教学效果意见反馈，这些学生普遍认为经过全新的基于嵌入式技术为核心的硬件实验教学体系的培养，不仅使他们具备了较强的创新意识，团队协作、实践、综合运用知识、语言表达、写作等方面的能力均有了较大提高，在这种体系下所学到知识和锻炼出来的能力使他们受益终身。近两年来，计算机科学与技术学院本科生就业率均超过了95%。经过“个性化”培养的学生，大部分学生考取或被直接保送研究生，就业率达到100%，且就业质量较高。
为了培养学生的科研和工程实践能力，中心开设的嵌入式“进阶”实验、计算机技术创新实验，在选题上均是同实际科研、电子竞赛互相紧密结合。支持学生科技活动等一系列措施，使实验教学的范畴不单纯拘泥于中心本身所开设的选题。“自主学习、独立创新”的结合模式在极大程度上激发了学生的科研攻关和自我创新的意识。中心以“国家大学生创新训练计划”以及学校“大学生创新实践项目”为契机，吸引了大批各专业、各年级的学生进入实验中心开展创新学习和实践锻炼。中心启动了“学生科技创新支持机制”，即通过设立学生创新学分、创新奖学金及科技立项资助等措施，鼓励学生的创新行为，支持学生的创新活动，引导学生的创新思维。建立推荐免试攻读硕士学位研究生制度，优秀学生转专业和个性化学生转专业制度。此外，中心鼓励并积极争取机会使同学们接触到实际工程中的具体问题，利用课程设计、毕业设计、毕业实习等机会提供非常具有代表性的广泛的实验课题与攻关点供同学进行研发。
几年来，中心培养了一大批具有较强科研与工程实践能力的学生，创新实验室共接待和培养了800 余名学生。中心带领学生参加了各类国际、国家类创新竞赛100 余项，先后有50 余名“个性化”培养的学生被保送到国内知名院校攻读硕士研究生; 并有一大批学生获国家级或省级电子、信息类大赛奖，为国家及国防工业输送了一大批高质量人才。
5 结束语
教学改革对于培养高素质人才、创建一流的研究型大学是至关重要的。计算机硬件实验教学改革的出发点是为了提高学生的综合素质，主要体现在培养学生的创新精神，提高实践能力、团队协作能力、语言表达能力等方面。中心完善了自主创新人才的培养模式，建立了以嵌入式技术为核心，“三化”结合和“六个并举”的计算机硬件实验教学体系，并已经进行了三轮的教学实践，效果良好。
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