軟硬協同、虛實兼顧的本科生自主創新實踐能力培養

蘇小紅，劉宏偉，張彥航，史先俊，曲明成，翟建宏

（哈爾濱工業大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力和創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。大學期間，學生的學習時間和知識內容是有限的，但是各種新技術、新問題的出現卻會伴隨著人的一生，因此，在“互聯網+”和新工科背景下，培養學生的自主學習和創新實踐能力至關重要。

實踐教學是培養學生創新能力、實踐動手能力和綜合素質的一個重要環節，然而傳統的實踐教學由于自身的局限性已不能滿足現代社會發展和高等教育的需求，為此，在計算機技術、網絡技術等基礎上發展起來的虛擬實驗室（virtual laboratory）開始走入高校課堂。虛擬實驗室的概念是由美國的William Wolf教授在1989年最早提出的。長期以來，歐美等國家對虛擬實驗室的研究與開發始終非常重視。目前歐美國家在該領域的研究和應用已處于領先地位[1-2]，虛擬實驗室在國外高等院校的普及程度非常廣泛。虛擬仿真實驗可以提供無限的實驗環境、任意擴充實驗內容，一方面，學生可以大膽進行個性化、綜合型、創新型、研究型的實驗項目[3-5]；另一方面，教師可以隨時抽查了解學生實驗的全過程，檢查實驗進展情況、復雜問題協同完成情況等。因此，虛擬仿真實驗室對培養學生的自主學習能力、提高學生的自主創新意識、挖掘學生的自主創新潛力具有重要的作用[6-8]。

自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，國內各高校紛紛結合自身情況開始推進虛擬實驗室建設[9-13]，從而使我國高校實驗教學示范中心內涵建設的提升和可持續發展得到極大推動。十九大提出基于“物聯網、大數據、云計算和人工智能”的國家創新驅動發展戰略，如何有效利用網絡技術、信息技術、虛擬仿真技術等現代化手段，培養學生的自主創新實踐能力是新時期高校人才培養的一個重要任務。

1 本科生自主創新實踐能力培養需要解決的問題

1）實現軟硬件實驗自主性、開放性和協同性，幫助學生樹立增強軟、硬件設計的自信心。

軟件設計能力的提高不是僅靠啃書本就可以實現的，還在于實踐和練習。傳統實踐教學方式已無法滿足學生自主訓練、教師隨時監測學生學習過程和檢驗學生訓練效果的需求。與軟件設計實踐類課程相比，硬件設計實踐類課程受實驗時間和空間的限制更多，問題也更加嚴重。硬件設計能力差是大部分計算機專業本科學生的軟肋，因此，實現軟、硬件實驗自主性、開放性和協同性，幫助學生樹立增強軟、硬件設計能力的自信心是亟待解決的一個主要問題。

2）需要滿足并及時響應“互聯網+”和新工科背景下的新需求。

目前，計算機本科實踐教學主要存在的突出問題是：一方面，軟、硬件平臺無法滿足學生的自主學習需求和差異化、個性化的自主訓練需求。硬件實驗教學靈活性不足，無法突破固定時間、固定地點做固定實驗的局限。硬件實驗臺缺少模塊擴展能力，不支持學生自主創新實驗，維護費用高。另一方面，網絡安全實驗因存在不可逆的安全風險無法在真實環境下實現，而物聯網實驗必須先開發硬件然后才能開發軟件，不僅實驗成本高，而且開發效率低，無法按需組板，無法滿足學生個性化、多樣化的自主創新實踐需求，無法滿足人工智能、大數據、物聯網等應用，相關底層硬件快速發展以及“互聯網+”和新工科對人才培養提出的新需求。

“互聯網+”和新工科背景下，提高學生的系統設計能力及創新實踐能力不僅需要對計算機類課程進行大范圍的貫通，還要進一步加強各門課程的教學資源整合和共享，同時利用虛擬實驗補充真實實驗不具備或難以完成的實驗，用于高成本、高消耗、大型或綜合性的實踐訓練，虛實兼顧，以實驗虛，將虛擬仿真與實物驗證相結合，滿足學生對實驗資源及實驗方式多樣化的不同需求，使實驗過程可監控，真正做到提升實踐教學效果、理論與實踐緊密結合。

2 解決措施

針對本科生自主創新實踐能力培養面臨的問題，以布魯姆的教育目標分類法為理論指導，我們提出“以學生為中心，以學生學習和發展成效為驅動，厚基礎、重內涵、強實踐、敢創新”的教育理念，面向學生自主創新需求，打破傳統觀念，對實驗教學模式進行多項改革，使其不再受限于時間、地點等客觀因素，貫通課內實驗和課外訓練，有效提升學生的自主創新實踐能力；采取“軟硬協同、以實驗虛、虛實兼顧”的方式，通過打造靈活可變、安全可控的網絡實踐環境，不斷提升“互聯網+”背景下學生的自主創新實踐能力。

首先，依托科研自主開發設計高級語言程序設計能力自主訓練平臺，如圖1所示。該平臺貫通課內外實踐訓練環節，使學生完全自主選擇知識點和訓練難度。通過平臺不僅可以自主設計題目，還能夠進行在線自動評測，給出學習曲線檢測和學習效果預警，便于師生隨時監看學習過程。分階段無紙化上機考試使知識考核清晰化、系統化，另外通過大作業、翻轉實驗等手段進一步加強系統能力和創新能力的培養。

其次，與企業聯合開發集實驗教學、攻防演練、實踐創新為一體的網絡安全仿真實踐云平臺，如圖2所示，采用虛擬化技術對真實網絡環境和實驗設備模擬仿真，通過互聯網服務模式支持學生遠程登錄完成難以在真實環境下實做的網絡安全實驗，在降低安全風險的前提下達到與在真實網絡環境下同樣的訓練效果。

最后，以科研為依托，自主設計物聯網虛擬仿真實踐云平臺，如圖3所示。平臺的組件化和環境可配置功能使學生可以在滿足平臺通用標準架構的前提下自主開發更多類型的仿真設備、仿真處理器核（如MIPS處理器）和外端測試組件，從而實現按需組板、自由加載針對特定物聯網應用需求的硬件配置環境信息，實現模擬計算機硬件系統并在模擬的硬件系統上運行自主開發的嵌入式代碼。

圖1 高級語言程序設計能力自主訓練平臺

圖2 網絡安全仿真實踐云平臺

平臺支持多種主流計算機體系軟件（arm、sparc、powerpc等）的模擬運行，無需相應的硬件即可對嵌入式軟件進行開發和測試。學生可以根據特定的實驗需求配置特定的硬件環境，如SPARC處理器、特定的內存，添加AIC、RS422、CAN、1553B等組件，生成的仿真硬件平臺配置文件保存后可以重復使用。此外，為平臺研制集成開發與調試環境，為學生提供功能豐富的圖形化程序開發與仿真調試功能，通過仿真外部通信端即可輔助學生完成系統的故障注入、分布式閉環虛擬測試、網絡化仿真、覆蓋率分析、系統調試等，有利于學生更高層次的綜合應用能力和創新實踐能力培養。

3 實踐效果

哈爾濱工業大學具有自主知識產權的高級語言程序設計能力自主訓練平臺自建設至今，已有11年之久，支持全校本科生高級語言程序設計課程的編程訓練及上機考試。

網絡安全仿真實踐云平臺目前已應用4年，支持哈爾濱工業大學計算機學院信息安全專業6門課程實驗。該平臺的投入使用讓原來風險較大、難以在真實環境下實做的實驗得以虛擬仿真實現，并達到與真實網絡環境下同樣的訓練效果。

物聯網虛擬仿真實踐云平臺始建于2016年，該平臺除了支持哈爾濱工業大學計算機學院物聯網專業2門課程實驗外，還應用于航天一院、五院、三院、十二院等實際項目的開發測試和驗證。物聯網虛擬仿真實踐云平臺不僅能解決物聯網實驗必須先開發計算機硬件系統然后才能開發軟件系統的問題，使軟硬件開發能夠實現并行和迭代設計，提高系統開發效率，而且還具備開放性和擴展性，新開發的硬件模塊能夠隨時加載到系統中，使學生針對特定的需求按需組板并個性化配置實驗環境，不僅能提高平臺的模擬能力，還能夠快速適應物聯網底層硬件和應用需求的變化。借助上述平臺的訓練，目前學校已有百余人次在全國大學生信息安全競賽和全國大學生物聯網競賽中斬獲各類獎項。

圖3 物聯網虛擬實踐仿真云平臺

4 結 語

以自主創新實踐能力培養為目標，通過科教融合、將科研成果轉化為優質教學資源、與企業聯合開發等方式，基于網絡技術、信息技術、虛擬仿真技術等信息化手段，開發構建的面向學生自主創新實踐能力培養的開放式自主虛擬仿真實踐云平臺經過多年的實踐應用檢驗，在云平臺的建設與有效利用、基于平臺的學生自主創新意識和創新實踐能力培養等方面取得良好的效果，有利于夯實本科生的軟硬件能力基礎，提升學生的自主創新實踐能力，是對“互聯網+”和新工科背景下學生自主創新實踐能力培養新模式的有益探索。