培養計算機類專業學生硬件方向創新能力的研究與實踐

摘要:高等學校是培養創新人才的基地和搖籃，必須將培養大學生的創新能力作為教育改革的核心。本文分析了計算機類專業學生硬件方面創新能力的現狀，從硬件類課程的課程設置與修課序列、界定課程內容、研究創新實驗項目、實踐環節的模式研究，以及客觀評價學生的創新能力等方面總結了學院在培養學生實踐創新能力方面進行的探索，以進一步提高學生的創新能力。

關鍵詞:創新精神;實踐能力;計算機專業;硬件課程

隨著我國高等教育改革的不斷深入，高等教育由原來的畢業教育轉向就業教育，要求畢業生要有創新精神、創業能力，具有一技之長。合格大學生的標準不再是完成學校規定的課程及取得相應的成績，就業成為評價畢業生優劣的標準，也是評價高校辦學水平和教學質量的標準[1]。畢業生就業工作，直接關系到高校的生存與發展。在我國人才培養方面有一種現象值得注意:一方面是大量計算機專業的學生難以找到合適的職位，另一方面卻是相關用人單位難以找到滿意的人才，其中一個重要的原因是學生缺乏必要的創新精神和實踐能力[2]。如何提高學生的創新精神和實踐能力，一直是計算機學科教學的難點問題。幾年來，我們轉變教育觀念，不斷創新人才培養模式，探索出一條培養大學生創新精神和實踐能力的有效途徑。

1現狀分析

從專業的角度，計算機類專業學生具備的創新能力應該從計算機軟、硬件兩個方面體現。我們以培養學生在硬件方面的創新能力出發，推進在計算機硬件環節方面的教育，從課程群設置、教學大綱、實驗設置、課程設計設置、畢業設計訓練等方面，構建硬件類課程教學與實踐體系等，著力培養學生獨立思考問題的能力和創新意識，提高學生的實踐能力。

經過2004年教學評估過程以及近幾年的質量工

程實施，我校在相關專業都增加了綜合設計型實驗項目，從教學大綱、實驗內容上都有所體現，但是實際的執行情況并不樂觀，部分綜合設計型實驗從實驗項目確定、實驗內容以及實驗的開放模式等，還不能成為真正的創新型實驗。以計算機組成原理實驗室提供的綜合設計型實驗項目為例，實驗室開出了時序邏輯電路分析與設計、存儲器設計、運算器設計、總線設計等綜合設計型實驗項目，但是從實驗效果來看，并不十分令人滿意。其中的原因是多方面的，一是實驗內容本身的問題。從學生的角度，實驗內容本身的可實施性較差，學生學到的知識與綜合設計型實驗的內容存在較大的差距，有些實驗雖然是綜合設計型的，但到學生真正操作階段，難于下手，實驗起不到預想的效果;其二，實驗室的管理模式，實驗人員的配備不能滿足綜合設計型實驗的正常高水平開出。實驗室雖然列出了綜合設計型實驗項目，但是這些實驗項目大多是從公司引進的裝置，對實驗項目內容的開發有待進一步深化。

針對上述存在的問題，我們從計算機硬件類課程的角度，建立一套培養學生創新能力的教學及實驗系統，包括培養方案中的課程設置，課程實施機制，從實驗項目的確定、開發，到實驗項目實施過程中的管理，提出一系列具體的管理辦法和措施，以期做好計算機專業硬件類實踐性課程綜合設計型實驗的管理模式，為創新型實驗提供一種可以借鑒的模式。

作者簡介:馬禮(1968-)，男，教授，博士，研究方向為分布式系統、嵌入式系統;張永梅(1967-)，女，教授，博士，研究方向為人工智能、圖像處理;宋麗華(1979-)，女，講師，博士，研究方向為嵌入式系統。

2具體做法

結合目前的狀況和實驗條件，通過調研、分析和比較等研究，從以下幾個方面作了一些工作。

2.1研究課程設置與修課序列

以計算機硬件類課程群相關課程為依托，通過與國內兄弟院校溝通、交流，建立了更趨合理的硬件課程群設置方案。從課程群的內涵出發，以培養學生獨立思考問題和創新意識為出發點，設置相應的課程并調整為合理的先后修課程順序。針對計算機專業的特點，結合當前課時數相對緊張的實際情況，將“數字邏輯電路”、“計算機組成原理”、“匯編語言程序設計”、“計算機系統結構”、“接口技術”、“嵌入式系統”等幾門課程的實踐環節合理有機結合，深入探究課程之間的邏輯關系，設置循序漸進的教學內容和實驗，通過“驗證型—設計型—綜合型”實驗環節，為學生學好硬件類課程奠定一個良好的基礎。

對于“數字邏輯電路”課程，受總學時和課程實際需求關系制約，我們認為以滿足后續課程學習夠用為止，安排并講述數字電路的核心基礎部分，并在集成電路外圍特性方面重點加強，目的是讓學生能夠應用集成電路芯片完成硬件電路的初步設計。

“計算機組成原理”是計算機科學與技術及相關專業的核心硬件類專業基礎課程，需要“數字邏輯電路”、“計算機導論”、“程序設計”等先修課程支持。該課程是學生接觸計算機硬件核心的第一門主干課程，以講述通用計算機原理為重點，包括計算機硬件各主要組成部分的組成原理，實現方法等。多年來的教學實踐和交流溝通，學生們普遍認為“計算機組成原理”是較為抽象和難于掌握的課程之一。我們從課程的內容入手，結合計算機發展的現狀，進行分析認為:“計算機組成原理”之所以學起來困難，主要原因就是課程內容比較抽象，講述的都是實實在在的計算機原理，但學生學習的過程中卻根本無法進行具體的操作實踐。例如，計算機組成原理中最為核心和重要的知識點是“控制器內部組成原理”，同學們接觸到PC機時，往往看不到，摸不著其心臟。學起來就很枯燥，不易掌握。針對這種情況，我們嘗試在“計算機組成原理”課程中將功能部件的實現部分加強，

具體的做法就是通過采用VHDL(超高速硬件描述語言)描述功能部件，將功能具體化到FPGA(現場可編程邏輯陣列)電路中，學生在掌握各功能部件基本原理的基礎上，通過具體的實驗設計完成控制單元的設計，并調試通過。這樣就把抽象的概念和內容具體化，學生就容易接受，從而也就容易掌握。

在完成課內實驗的基礎上，專門設置了依托“計算機組成原理”的硬件課程設計。利用VHDL技術和FPGA技術，將組成原理的各功能部件進一步綜合和具體化，從而為后續課程的深入學習奠定基礎。

在“計算機組成原理”學習完成之后，設置并逐步學習“匯編語言”、“接口技術”、“嵌入式系統”等課程，并逐漸接觸并學習具體的應用系統設計，完成從理論到實踐的系統訓練。為學生參加電子設計競賽和科技活動提供良好的基礎訓練，為學習計算機應用技術和系統結構奠定良好基礎。

2.2界定課程內容

計算機硬件系列課程教學內容多，技術發展快，而各課程學時數緊張。硬件類相關課程在課程內容上存在著一定的相互交叉和依賴關系[2]，單純考慮某一門課程，從課程的系統性角度，往往力求知識點完備，但結合多門課程綜合考慮，課程之間又具有內容重復設置的實際。在這一課程群中，我們認真研究課程的內涵，合理確立各門課程的授課內容，構建知識內容前后銜接、實驗環節密切配合的一體化教學與實驗體系，寫出合格的教學大綱，為教學實施提供具體合理的依據。硬件課程群各門課程的內容界定以基礎知識在某門課程中體現即可，避免在多門課程中重復出現相同的內容，從而對課程內容進行精煉。通過整合，我們將“數字邏輯”、“計算機組成原理”、“匯編語言”、“接口技術”、“嵌入式技術”等課程的內容進行了界定，具體如下。

(1) “數字邏輯”主要講述數字邏輯的基礎門電路、邏輯表達式與化簡、編碼器/譯碼器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、集成電路基礎等內容。

(2) “計算機組成原理”主要講述通用計算機主要組成部分的組成原理。講述數據表示與編碼，運算方法與運算器實現，一般意義上的指令系統及其設計方法，控制單元構成原理與實現，存儲器基本原理與存儲器構成、存儲系統的構成，輸入輸出部件與輸入輸出系統，總線系統等。特別指出，數據表示中的各種進制數表示與相互轉化，由于已經在計算機導論等課程中已經講過，在本課程中不講，但是要求學生熟練掌握。只提示，不深入講述。

(3) “匯編語言”主要講述Intel x86系列CPU的內部結構與寄存器組織、尋址方式、指令系統、匯編語言的語句格式、匯編語言程序設計方法與技巧等。本課程中不講二進制數及其各種編碼。

(4) “接口技術”以Intel x86系列CPU為原型機核心，講述處理器與存儲器、與IO設備之間的接口方法，具體存儲器的擴展、地址分配等，IO端口及編程方法，串行接口與并行接口，A/D與D/A接口等內容。學生通過學習掌握基本的接口實現方法。

(5) “嵌入式系統”從應用角度出發，直接結合目前廣泛使用的嵌入式系統，講述一般的組成原理，以一種具體的嵌入式系統為例，從其內部結構、操作系統定制、驅動程序編寫、具體的IO接口等部分，實現具體應用系統的設計和實現。

2.3研究創新實驗項目

硬件類課程的后續知識點，可以有很多具體實用的項目。為提高學生創新實踐能力提供保障，我院聘請相關教師作為創新能力培養的指導教師。有針對性地建立適當的管理和激勵機制，以支持實踐教學指導教師持續有效地實施實踐教學環節。在實驗項目的制定上，充分考慮學生的需求。通過學生參與提出實驗項目，教師深入研究設置有意義的、實用的、學生感興趣的實驗項目，通過這些項目逐漸培養學生的創新意識。

開始時，實驗項目主要由教師根據實驗條件和技術發展狀況提供，在學生熟悉實驗環境后，根據自己的興趣提出實驗項目，與實驗室協商配套，完成實驗。這種方式，可以啟發學生積極思維、主動解決問題，最終形成完整的思路和方法。同時，增強學生的責任感和成就感，為創新人才的培養提供了新思路。

2.4研究實踐環節的模式

建立一套適合管理綜合設計型、創新型實驗項目的管理辦法，為實施創新型實驗提供制度上的保證。實踐環節從“課內實驗—單獨實驗課—畢業設計”三個環節貫穿實踐教育的各個環節，從第4～5學期開始，逐漸將實踐環節滲透到教學過程中，從“驗證型

實驗—設計型實驗—綜合創新型實驗”三個層次，循序漸進地設置實驗項目，鍛煉學生的實際動手能力。

(1) 基礎驗證型實驗:依托課程，完成課內的基本實驗，以演示、驗證實驗為主。通過這些實驗使學生建立起基本的科學研究和創新理念。

(2) 設計提高性實驗:通過課內綜合設計型實驗、課程設計、大型實驗周等環節，以設計型、綜合型實驗為主，培養學生對依托課程進一步深入理解，熟練掌握課程核心理論，訓練綜合應用課程知識的技能，具備獨立思考和解決問題的基本能力，培養學生的創新意識。通過該層次的培養，使學生具備獨立思考問題的能力，具備初步的創新意識。

(3) 綜合創新型實驗:第三層次的實驗結合課程群，綜合運用相互關聯的幾門課程內容，獨立完成具有具體應用背景和一定難度的實驗內容，為學生提供一些與科研項目緊密結合的題目，項目可以滲透到課外和畢業設計過程中，使學生在具體項目的設計中，參加實際的科研過程，培養學生的創新意識和實踐能力。

在實踐環節的具體安排上，結合課程，以課內實驗、課程設計、畢業設計的形式具體體現到教學過程的各個環節。在經過這一系列環節的綜合訓練之后，通過參加各級電子設計競賽等形式，將學習到的能力具體運用，增強學生的成就感，從而達到培養初步的創新意識和能力。

2.5綜合、客觀地評價學生的創新能力

一個學生的創新能力體現在許多方面，在對學生評價時，僅考察少數幾個方面是難以做到公平公正的[3]。針對大學生創新能力的評價無法進行量化，而且存在大量的人為因素這種情況，我們給出了各種創新因素，以及各個因素的重要程度，開發了大學生創新能力評價系統。建立學生創新能力的評價體系，確立評價模型，利用模糊數學將定性指標定量化，設計了多級綜合加權評價算法，從評價因素中提取大量數據進行統計、存儲、計算，并給出了考核分數進行量化，采用定性與定量相結合的方式準確地評價學生的創新能力，有效地減少人為因素的干擾。并對比分析改革前后學生的創新能力，以調整改革中出現的弊端。

3結語

在全面推進大學生素質教育的過程中，高等學校的本科教育必須強調學生的實際動手能力和創新精神[4]。實踐性課程的加強和創新能力培養在質量工程

中必將起到十分重要的作用。本文對培養計算機類專業學生硬件方向創新能力進行了探討，希望能夠更好地對本科生進行培養，從而更好地滿足國家和社會的需要。本研究得到北方工業大學2009年教育教學改革項目資助，在此表示感謝!

參考文獻:

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[4] 袁木濤，王孫禺. 日本高等工程教育認證概況及其對我國的啟示[J]. 高等工程教育研究，2006(3):58-65.

Research and Practice on Innovation Ability Training in Hardware of Computer Major Students

MA Li， ZHANG Yong-mei， SONG Li-hua

(College of Information Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China)

Abstract: The colleges and universities are base and cradle to cultivate innovative talents， so we must cultivate the ability to innovate as the core of education reform. The computer hardware field status of computer major students’ ability in innovation is analyzed in this paper. The explore aspects of our college in the training of practice innovation to students are summarized from the hardware curriculum setting and schedule of the courses， definition curriculum content， research and innovation experiment projects， practice session mode of research， and objective evaluation of the innovative abilities of our students， in order to enhance the students ability further of innovation.

Key words: innovation spirit; practical ability; computer major; hardware course

(編輯:彭遠紅)