一體兩翼計算機實驗室的構建與實踐

摘要：“一體兩翼”的計算機實驗室構建體系，是指以扎實學科基礎知識培養的課內實驗為“一個主體”，以增設提高學生創新創業能力的實訓平臺和結合產學研合作的特色教學實驗室為“兩翼支撐”的實驗室設置模式。該體系以培養學生的實踐能力為根本目標，通過構建8個大類課內實驗室、4個應用創新平臺、1個特色產學研合作實驗室，將培養扎實功底的課內實驗實訓、與培養創新實踐能力的創新創業教育緊密結合，為學生開展課內外實驗實訓提供場所和環境，對學院學科建設、人才培養起到了積極作用。

關鍵詞：高校實驗室；實踐教學；創新創業

一、引言

高校實驗室是人才培育、科學研究、實驗實踐等活動的重要基地，是創建一流大學和一流學科的必要條件[1]。實驗室是高校開展教學和科研的重要場所[2]。新工科背景對各大高校的辦學理念、人才培養機制等方面的綜合改革事項提出了非常迫切的要求，并且為改革與發展帶來了新的時代機遇和改革方案。為了滿足社會需求并培養創新型應用人才。高校計算機實驗室集中了大量高端儀器設備[3-4]，為高校開展創新創業、學科競賽、實驗教學、課程設計和畢業設計，以及計算機類考試提供了良好的軟硬件環境。不少高校都開展了新工科背景下的實驗室建設與改革[5-6]，建設了獨具特色的實驗室[7-8]。在計算機相關專業課程設置中，專業課是重要的課程內容，技術基礎實驗課是基本實驗內容，根據不同的課程和專業，制定不同的實訓內容，才可以做到針對性的實驗訓練。

本文結合太原科技大學計算機科學與技術學院的做法和經驗，介紹了高校實驗室的設置思路，為今后高校實驗室的發展和創新提供了一種借鑒模式。

二、“一體兩翼”計算機實驗構建體系

“一體兩翼”式教學模式實驗室設置，是指以扎實學科基礎培養的課內實驗為主體，以增設創新創業平臺、特色教學實驗室為支撐，建立的以培養實踐能力為核心的實驗室構建體系。“一體兩翼”計算機實驗室項目設置如圖1所示。

根據學院人才培養方案目標，作為實驗室“主體”設置的課內實驗，包含以下幾類基礎實驗室：大學計算機基礎實驗室、高級語言程序設計實驗室、數據庫技術實驗室、數據結構與算法實驗室、軟件分析與建模實驗室、計算機輔助設計實驗室等課內實驗室。同時，依托計算機科學與技術專業、物聯網技術專業、智能科學與技術專業等專業方向，結合大學生創新創業項目開展，實驗室的“第一翼”為以數字化、網絡化、智能化為發展導向，按照山西省裝備制造大省的發展目標與學校助力裝備制造行業的定位，打造了人工智能實訓平臺、工業軟件實訓平臺、軟件技能實訓平臺、工業互聯網實訓平臺等四個平臺。實驗室的“第二翼”為特色實驗室，主要是以“計算機原理”等硬件課程為特色，設立了以指導教師趙繼澤老師命名的專業產學研合作人才實習實訓工作室——繼澤工作室。“一體兩翼”計算機實驗室構建體系如圖2所示。

三、扎實學科功底，打牢培養地基

學科結合理論需求和實際開發特點，構建了理論、應用和實踐三位一體的學科系統化的課程體系。理論部分的課程包括組合數學、形式語言與自動機、軟件需求工程與理論、現代軟件開發方法與技術等課程。應用部分課程包括高級數據庫技術、機器學習和智能計算系統等課程，通過這些課程使學生能夠掌握堅實的軟件工程基礎理論和系統的專門知識。結合學科特點構建了實踐類課程的案例庫，為學生進行項目實踐打下基礎，同時注重學科綜合項目，以使學生具備較全面的研發能力與實踐經驗。以下為八個典型課內實驗室配置：

（一）計算機軟件技術實驗室

計算機軟件技術實驗室是一個面向全校相關專業師生操作學習的開放性實驗室，其主要任務是搭建一個全新的面向現代軟件開發技術、科研與教學的數字化平臺，更好地為軟件開發創新教學和科研服務。

實驗規劃設計了高速校園網通道，安裝了Linux、Windows Server、Windows等操作系統下各種大型研發軟件平臺，并且能夠進行移動端的WindowsMoblie、Symbian、iOS、Android、BlackBerry、Linux等系統開發。學生可以在不同的系統環境下完成各項實踐操作任務和軟件研發項目。其為教師、學生第二課堂和畢業設計相關課題的軟件開發提供了一個良好的研發平臺。

計算機軟件技術實驗室承擔高級語言類程序設計相關課程與實踐類課程的實驗教學工作，如Python語言程序設計、C語言程序設計、Java程序設計、高級語言程序設計等。同時承擔各類高級語言課程設計的實驗教學工作。

（二） 數據結構與算法實驗室

主要承擔數據結構及算法課程群實驗教學工作，包含數據結構課程、算法語言、算法分析等課程。同時，因為本實驗室具備完整的算法分析和設計工具，還承擔全國各級算法類競賽組織與考評工作，如計算機博弈大賽、CSP認證考試等。可開設的主要實驗課程和項目有：算法與數據結構、操作系統、編譯原理、數據庫系統原理、Oracle數據庫編程、數據通信原理、算法設計與分析、工業組態軟件設計、工程項目管理、軟件構造、軟件需求工程、人機交互的軟件工程方法、軟件質量保證與測試等。同時，可為高年級學生提供大型數據庫、管理信息系統與開發工具、多媒體技術等實驗。

（三）嵌入式系統實驗室

嵌入式系統實驗室主要以40套ARM9嵌入式系統實驗箱為基礎，開設嵌入式相關方向的專業實驗。通過實驗教學，培養學生的硬件設計和系統綜合開發能力。其也可以支持相關課程設計、畢業設計與電子競賽等內容的實踐教學。

主要基礎性實驗項目包括：I/O接口實驗、中斷實驗、串口通信實驗、實時時鐘實驗、數碼管顯示實驗、液晶顯示實驗、觸摸屏控制實驗、IIC串行通信實驗、以太網通信實驗、音頻接口IIS實驗、USB接口實驗、A/D轉換實驗、紅外模塊控制實驗、PWM步進電機控制實驗、GPRS模塊控制實驗、μC/OS-II應用實驗、Linux內核基礎實驗、Linux應用程序基礎實驗、Linux程序設計實驗等基本實驗。

設計性實驗項目包括：嵌入式Linux軟件開發、驅動程序開發、圖形用戶界面開發、看門狗、SD/CF卡、攝像頭驅動、無線上網、GPS、QT圖形界面、IDE硬盤讀寫、GSM/GPRS模塊通訊、嵌入式電流表設計開發、嵌入式電壓表設計開發、嵌入式電子秤設計開發、嵌入式流量計設計開發、家居遠程安防監控系統設計、基于CAN總線的嵌入式車載儀表系統設計等。

（四）計算機網絡與IPV6實驗室

網絡實驗室主要服務于計算機科學與技術專業、軟件工程專業、網絡工程專業和物聯網工程專業的計算機網絡、Internet網絡等相關網絡課程的教學實踐環節。實驗室系統提供10類技術方向實驗內容，包括：交換技術、路由技術、廣域網技術、安全技術、NAT技術、QoS技術、組播技術、存儲技術、無線技術、網絡設備管理技術等。實驗室同時提供網絡綜合性實驗。實驗中心可以實現IPv6協議原理、IPv6網絡基本組建、IPv6和IPv4互通等基于IPv6的實驗環境。

（五）計算機組織與結構實驗室

計算機組織與結構實驗室可通過多種操作方式和手段，靈活全面地支持計算機組成原理、系統結構、微機原理與接口課程的實驗教學。實驗室能夠完成運算器實驗、存儲器實驗、微控器實驗、基本模型機設計與實現實驗、帶移位運算的模型機的設計與實現實驗等。

主要設備有：實驗室微機、計算機組成原理實驗箱、微機接口實驗箱、仿真器、示波器等。承擔計算機組成原理及微機接口課程等實驗。

（六）物聯網傳感技術實驗室

物聯網傳感技術實驗室以物聯網傳感層技術為核心，兼顧當前流行技術的發展趨勢，注重各種技術之間的融合與靈活應用，通過理論聯系實驗、實驗聯系工程項目，既可滿足日常教學要求，同時也可進行創新實驗和項目實踐。主要設備包括：傳感器節點、傳感器網絡監控軟件、傳感器無線基礎節點、傳感器擴展節點、網關節點、節點工作監視終端和展示軟件、空中接口監視器等。該實驗室主要滿足物聯網專業無線傳感器網絡、傳感器原理及應用、物聯網工程設計與實施等課程的實驗，同時滿足課程設計、研究開發和創新實驗等方面的需求。

（七）物聯網接入技術實驗室

物聯網接入技術實驗室是以構建物聯網的核心技術為基礎，對學生進行以太網技術、WLAN技術、Bluetooth技術、ZigBee技術、UWB技術、NFC技術的實訓，使學生掌握物聯網系統傳輸層的專業知識和技能，并且具備在本領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力，以及較強的創新實踐能力。實驗室主要滿足“傳感網原理及應用”“物聯網通信技術”等課程的實驗需要。實驗項目包括：無線單片機通信接口結構和原理、無線有線收發器結構和原理、通訊結構和原理、嵌入式軟件基礎、短距離無線數據通信基礎和原理、無線自組網技術、ZigBee無線技術和802.15.4無線標準、網絡安全和加密技術、C語言和無線網絡算法高級技術原理等。

（八）智能科學與技術實驗室

智能科學與技術實驗室是根據學校智能科學與技術及其相關專業人才培養方案導向而建設的專業實驗室。能夠滿足院校相關專業領域的教學實踐要求，滿足工程能力培養中對畢業生能力的培養要求；能夠提供相關課程體系建設、師資培養、認證評估等；有助于推動教學與行業應用、實踐場景的緊密結合。智能科學與技術實驗室由三大教學實時系統、人工智能實驗箱和智能機器人等相關資源組成，面向AI主流編譯語言、機器學習、深度學習等提供專項教學實踐環境，內置人工智能相關基礎課程及多項產業實踐案例，有效支撐院校專業人才培養，服務教師完成教學與實踐要求。智能科學與技術實驗室的建立目標是以培養學生的團隊合作能力、探究能力、創新能力為核心。作為一個創新培訓中心，智能科學與技術實驗室可以為學生提供創新創業的實踐平臺。通過創新平臺的建設，實現對教師與學生創新能力的培養。同時，可以進行人工智能創新性課題研究，對于學生的探索創新、實習就業都有幫助。

四、加強平臺建設，強化創新創業教育引導

近年來，高校高度重視對實驗平臺的建設，凸顯實踐創新，強化學生創新創業素質提升[9-11]。學院以組織學生參加“互聯網+大學生創新創業大賽”為契機，積極開展創新創業教育。引導學生將畢業論文設計與創新創業相結合，強化專業學位論文的應用導向。

根據大賽“以賽促學、以賽促教、以賽促創”的指導方針，高度重視對學生創新創業能力的培養。致力于培養培育創新型、復合型和適應特定行業職業需求的應用型高層次專業人才，引導和鼓勵教師積極將課程設計與科技創新相結合。實驗室設置了開放實驗，可為師生參加各種學科競賽做好服務。學院教師在學習通開通了“互聯網+大學生創新創業教育”課程。針對大賽的通知要求，提供大賽的解讀視頻，以及“互聯網+創新創業競賽”參考資料和商業計劃書的寫作實例，有效推廣研究生的創新創業教育，通過創新創業教育，潛移默化學位論文應用導向。以下為四個實驗室典型平臺.

（一）人工智能實訓平臺

學院高度重視對學生創新精神和實踐能力的培養，積極推進實驗室和實習基地建設。經廣泛研究，確立了“穩定規模、提升內涵，優化布局，重點突破”的發展理念。人工智能實訓與智能制造平臺依托學校計算機科學與技術專業、物聯網技術專業、智能科學與技術專業等專業方向，積極開展數字化、網絡化、智能化培訓，結合山西省裝備制造大省的發展目標與我校助力裝備制造行業的定位，為我國智能制造強國計劃的偉大目標培養相關人才。平臺能夠滿足智能制造數字化、網絡化、智能化相關環節的實訓項目的開設與實施，為專業本科人才培養提供了實踐教學基礎。開設的相關實訓項目有：大數據分析Hadoop技術及應用、智能信息處理、人工智能基礎深度學習、增強學習、遷移學習、計算機網絡、計算機網絡課程設計、時間敏感網絡（TSN）等。

平臺自建設完成以來，結合山西地區工業背景，對計算機科學與技術專業學生的工程應用能力的培養起到了良好的支撐作用。

（二）工業軟件實訓平臺

工業軟件在產品設計、成套裝備設計、廠房設計、工業系統設計中起著非常重要的作用，可以極大地提高工業企業的研發、制造、生產管理水平，提升工業管理性能和設計效率，有效節約成本，并實現可視化管理，是現代工業裝備的“大腦”，也是制造業落地工業互聯網、轉型智能制造的有力武器。計算機科學與技術學院結合國內需求與自身特色，根據工業軟件的技術特點，建設了工業軟件實訓平臺。該平臺的實訓內容包含嵌入式系統軟件、工業組態軟件、數據庫軟件、數據分析處理軟件、專業計算軟件、工業設計軟件等模塊。其中，嵌入式系統軟件模塊包含Linux、Android等嵌入式操作系統實訓項目，以及EWARM、ADS嵌入式軟件開發實訓項目等內容。工業組態軟件模塊包含西門子WinCC、三維力控ForceControl等相關組態軟件的實訓項目內容。

經過工業軟件實訓平臺的訓練，學生的實際開發動手能力得到了極大的增強，為拓寬學生的就業途徑、提升學生在相關行業的發展前景打下了堅實的基礎。

（三）軟件技能實訓平臺

計算機軟件技能實訓平臺是針對軟件編程過程中的程序設計、數據結構、算法等基本知識進行專項訓練的平臺。主要關注程序設計、數據結構和算法，以及相關的數學基礎知識，并關注編程技巧的使用、性能的優化，以及對異常情況的正常處理。軟件技能實訓平臺側重于對學生軟件編程中的基本能力與技巧的養成，有針對性地對軟件編程從業者的數據存儲、算法設計，以及構建現實世界在計算機中投影的數學模型的能力。學院軟件技能培訓平臺每年積極組織實訓學生參加各級軟件技能大賽，如“藍橋杯”全國軟件技能大賽、CCF CSP認證考試、軟件技能考試等比賽等，在錘煉學生的基礎知識、提高學生的編程能力、檢驗學生的實訓效果、為企業用人提供更準確的指導意見等方面達到了很好的效果。

（四）工業互聯網實訓平臺

工業互聯網實訓平臺可以為企業培養工業互聯網網絡人才，提升工程師的實操、實踐能力，利用5G、邊緣計算、IPv6、時間敏感網絡等新型網絡技術打造高質量工業互聯網內網，利用5G、SDN、SD-WAN等新型網絡技術打造高質量工業互聯網外網，利用工業互聯網標識解析體系促進產品數據的跨企業流動，加快工業企業的數字化、網絡化、智能化轉型步伐。

通過打造工業互聯網人才“產學研”立體培養模式，培養一批符合市場和企業實際需要的工業互聯網人才，為推進山西省工業領域傳統產業數字化轉型發揮積極作用，有效促進“大工業”加速發展。

五、特色教學

學院注重產學研用的緊密結合，積極對接企業，與行業、企業、社會組織等合作單位共同建立人才培養平臺，積極促進實驗室建設，為學生提供專業實踐場所，同時也成了產學結合的重要載體。

“繼澤工作室”是第一個以教師名字命名的教學科研工作室。工作室與集成電路產業界緊密聯系，通過產學合作，從業界視角評判、篩選、改進教學過程存在的問題，解決“為誰育人”的問題，形成了學校為企業培養合格人才、人才為企業創造價值、企業出資幫助學校提高人才培養質量的良性循環。從2012年至今，工作室已有40多名應屆本科畢業生分別進入北京君正、北京國睿中數等10多家企業的CPU部門，從事處理器的設計與驗證等核心工作，為國家的集成電路戰略產業輸送了急需的優秀人才，取得了較好的社會聲譽。在基礎實驗室的主體上，特色實驗室與創新創業實訓平臺相得益彰，共同承擔起了實驗教學強有力的兩翼支撐。

六、實踐成果

經過多年探索與建設，學院計算機科學與技術專業現為國家級特色專業、國家級一流專業、山西省優勢特色專業、山西省本科品牌專業，并于2022年通過了中國工程教育專業認證。學院軟件工程專業和物聯網工程專業均為山西省一流專業，計算機科學學科入選ESI全球前1%學科。學院實驗教學中心榮獲山西省實驗教學示范中心。這些成績的取得與實驗室“一體兩翼”構建模式不無關系。

七、結束語

本文從提高學生培養質量的需求出發，提出了以扎實學科基礎知識培養的課內實驗為主體，以增設提高學生創新創業能力的實訓平臺和結合產學研合作的特色教學實驗室為兩翼支撐的高校計算機實驗室設置模式。實驗中心探索新的實驗方法，按照“突出創新、注重特色、開放共享”的原則，通過整合現有實驗創新實踐資源，重點建設校內實踐創新實驗室，同時兼顧創新平臺和特色實驗室建設，為廣大學生開展創新性實驗、科學研究、發明創造、學科競賽、社會實踐等活動提供了場所和環境，取得了一定的成效。該模式是對高校計算機實驗室設置方式的有益探索與實踐，為高校實驗室的設置與規劃提供了一種借鑒。

作者單位：王建麗 楊海峰 崔志華 李俊吉 太原科技大學計算機科學與技術學院

劉鵬 晉中信息學院信息工程學院

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