實 踐 求 真 育 英 才
——談計算機工程實踐能力的培養

周興銘

(國防科學技術大學計算機學院， 湖南 長沙 410072)

0 引言

我國高等院校承擔著培養高級專門人才、發展科學技術文化、促進社會主義現代化建設的重大任務。提高人才培養質量是高等教育發展的核心任務，也是建設高等教育強國的基本要求。

常言道，“實踐中出真知，實踐中長才干”。實踐教學作為人才培養的重要環節，起著融會貫通所學知識、促進理論與實踐相結合的重要作用，是培養學生動手能力和創新精神的重要過程，也是培養高水平創新型人才的重要手段。當今中國，實踐環節在培養創新型、實用型、復合型人才方面具有不可替代的重要作用獲得了廣泛共識。2012年，教育部4號文件中明確指出：要“強化實踐育人環節。制定加強高校實踐育人工作的辦法。結合專業特點和人才培養要求，分類制訂實踐教學標準。增加實踐教學比重，確保各類專業實踐教學必要的學分(學時)。配齊配強實驗室人員，提升實驗教學水平。加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設。”本文結合國防科技大學計算機工程實踐教學建設與發展就此問題作一探討。

1 計算機實踐教育理念的形成與傳承

國防科技大學的計算機事業起步于上個世紀50年代，人才培養隨著科研型號項目的推進而逐漸形成規模和體系。當時計算機還是個稀罕物，計算機人才極為緊缺。老一輩銀河擎旗人慈云桂先生高瞻遠矚，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團隊，自編教材，邊干科研邊搞教學。教學的舞臺甚至就在科研實驗室，科研儀器設備經過加工改造成為最合適的實驗器材。我國第一代電子管計算機(魚雷指揮儀)研制成功不久就安裝到教學實驗室，開創全國用整機開設計算機實驗課的先河，在人才培養方面發揮了重要作用，這一優良傳統一直得到了繼承和發揚。斗轉星移，一代又一代的棟梁之才培養出來了，人才培養體系逐漸建立和完善并凝聚成了“堅持教學、科研、生產三結合，促進計算機學科建設”教學成果。1989年，該項成果獲得了國家教學成果特等獎。縱觀半個世紀的銀河事業，毫不夸張地說，正是國家的需要具體化為學院一項項重大科研工程，正是科研工程的需要牽引教學與人才培養體系的建設和發展，正是科研和教學的緊密結合形成了具有豐富內涵的實踐教學體系和教學相長的人才培養模式。一方面，寓人才的培養于科研一線，通過解決實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出的經驗豐富的優秀骨干充實到教學第一線，以解決理論脫離實際的問題。

在數十年的奮斗歷程中，崇尚實踐，崇尚創新成為一代又一代銀河人的共同信念。面向計算機、微電子、軟件工程、網絡與信息安全技術的飛速發展與交叉融合的局面，實踐教學的理念與手段亦需有創新。可喜的是，計算機實踐教學團隊也在不斷進步，圍繞教書育人、實踐育人又有了新的貢獻和創造(圖1)。

圖1 本科生參加“天河一號”超級計算機系統裝機任務

近些年來，在國家和軍隊重點建設計劃的支持下，我校計算機實踐教學條件有了長足的進步。計算機教學實驗室在用房、設備、人員等方面獲得了很大的補充，持續推進的實踐教學改革成果豐碩：建成了國家級計算機實踐教學示范中心，先后有7門課程進入國家級精品課程行列；研發和推廣了一批實驗教學系統和實驗平臺工具；與全國同行一道，編撰《高等學校計算機科學與技術專業實踐教學體系與規范》等指導性文件，以教育部計算機教學指導委員會的名義出版，在全國高校推廣，產生了廣泛的影響。

2 計算機實踐教學的特色與發展

2.1 創建新的計算機實踐教學體系

著眼未來國家和國防建設的需要，我校在制定人才培養方案中始終強調“堅持把重實踐作為推進人才培養科學發展的重要理念，作為提高人才培養質量的重要著力點，作為統籌人才培養工作的重要抓手”，著力塑造厚基礎、重實踐、強能力、實踐貫穿全程的教學特色。與之相呼應，計算機學院提出并實踐了“4433”計算機專業實踐教學體系：將計算機實踐教學與能力培養貫穿于課程實驗、實習/實訓、課外實踐和畢業設計等四個環節；進一步將課程實驗分為基礎驗證性實驗、課內綜合性實驗、綜合課程設計和自主科研創新活動四個層次；全方位培養學生計算機硬件、軟件、網絡與安全三個方面的工程實踐能力；并通過不斷建設和完善教學團隊、實踐教學環境和實踐教學管理三個支撐條件使整個實踐教學體系得以有效運轉。

特別是通過學生自己組織的“銀河之光”文化節開展系列科技創新實踐活動，在培養學生創新思維的同時，鍛煉學生的組織協調能力；通過與地方單位和部隊建立實習和實訓基地，使學生在實踐中發現和解決應用問題；通過開展學科和軍事特色濃厚的專題式畢業設計組訓方式改革，90%的畢業設計選題與科研課題、工程項目或者部隊實際系統有關，強化了學生工程實踐能力培養與服務部隊意識的養成。

2.2 拓展計算機實踐教學內涵改革

進入新世紀，特別是近年來，信息技術仍處在高速發展的態勢，學科間的交叉與融合更加豐富，如何因應發展態勢，優化學科特色，拓展為軍服務能力成為我校計算機實踐教學內涵改革的重要內容。

2.2.1突出系統級訓練，形成以硬件能力見長的特色與優勢

長期以來，國內計算機人才培養普遍都存在重軟件輕硬件的現象。一方面，由于軟件人才需求量相對較大，在資金投入、技術積累、實踐條件要求等多方面相對較低；另一方面，隨著EDA設計技術的發展，計算機硬件系統設計的軟件化現象越來越普遍，導致很多高校輕視學生硬件實踐能力培養。長此以往，將會造成宏觀上人才結構不合理，微觀上人才的發展空間受限。隨著社會對復合型、創新型人才的需求不斷提升，系統級(軟、硬結合)實踐能力的缺失將帶來嚴重的負面影響。

以“銀河”、“天河”系列超級計算機、“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展，使得計算機教學實驗室在硬件以及系統級能力訓練上提供了國內一流的實踐條件，教師團隊有意識強化學生的硬件實踐能力培養并形成了獨特的優勢。

在制定人才培養方案時，充分考慮硬件系列課程在課程體系框架中的獨特地位，開出了一組高水平的硬件系列課程及相應的配套實驗課。以“計算機原理課程設計”實驗課程為例，20多年的教學歷程總結起來大致可劃分為三個階段。

第一個階段，(上世紀90年代初)，學生在面包板實驗箱上以VLSI芯片(74LS181、74LS138、74LS00等)，配以成組的導線設計并實現各種類型的CPU。多輪實踐下來，學生普遍反映對CPU基本工作原理與特點有了深刻的理解。

第二個階段(上世紀90年代后期)，學生使用可編程邏輯器件在實驗箱上實現CPU。

第三個階段(2000年以后)，我們依靠多年技術積累和技術革新，先后研發了“六合一”計算機系統實驗平臺(圖2)、“天河陽光”硬件綜合實驗平臺(圖3)。該平臺采用“ARM+FPGA”架構，可開展從元件、部件

到系統各層面的實踐教學，針對不同的課程可以采用原理圖輸入、提供構件設計以及基于HDL語言的設計方法，實現了硬件課程實驗平臺的統一，使得硬件課程實驗內容可以一體化設計。同時，學生可以通過先進的實驗平臺設計驗證CPU多級流水、Cache、多核等功能，并在此基礎上開展創新實踐。更進一步，通過升級可以將操作系統、編譯環境移植到該平臺上，實現一個軟硬皆可實驗的綜合實驗平臺，有效地鍛煉學生全系統設計實踐能力。

圖2 學員小組在實驗平臺上進行調試

圖3 “天河陽光”硬件綜合實驗平臺

此外，當今的硬件設備呈現微型化、智能化、網絡化發展趨勢，以Google眼鏡、iWatch、3D打印機、智能機器人、無人機等新設備與新裝置層出不窮。針對發展趨勢，實驗室積極引進新設備，更新實踐教學計劃，整合軟、硬件開發能力訓練。例如，批量采購Lego、NAO等多款智能機器人，引入Android智能終端、無人機等平臺，更新和優化“程序設計”、“人工智能”、“嵌入式系統”等課程實驗內容，同時大量設置創新實踐題目，鼓勵由學生自擬題目，自組團隊申請各級創新實踐計劃。

可以說，實踐條件的改善，自由競爭氛圍的建立喚起了學生強烈的探索興趣，對于實現從實驗驗證到綜合創新的跨越，突出學生硬、軟件一體化的實踐能力的培養起到了重要的作用。

(未完待續)