实 践 求 真 育 英 才——谈计算机工程实践能力的培养

周兴铭

(国防科学技术大学计算机学院， 湖南 长沙 410072)

0 引言

我国高等院校承担着培养高级专门人才、发展科学技术文化、促进社会主义现代化建设的重大任务。提高人才培养质量是高等教育发展的核心任务，也是建设高等教育强国的基本要求。

常言道，“实践中出真知，实践中长才干”。实践教学作为人才培养的重要环节，起着融会贯通所学知识、促进理论与实践相结合的重要作用，是培养学生动手能力和创新精神的重要过程，也是培养高水平创新型人才的重要手段。当今中国，实践环节在培养创新型、实用型、复合型人才方面具有不可替代的重要作用获得了广泛共识。2012年，教育部4号文件中明确指出：要“强化实践育人环节。制定加强高校实践育人工作的办法。结合专业特点和人才培养要求，分类制订实践教学标准。增加实践教学比重，确保各类专业实践教学必要的学分(学时)。配齐配强实验室人员，提升实验教学水平。加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设。”本文结合国防科技大学计算机工程实践教学建设与发展就此问题作一探讨。

1 计算机实践教育理念的形成与传承

国防科技大学的计算机事业起步于上个世纪50年代，人才培养随着科研型号项目的推进而逐渐形成规模和体系。当时计算机还是个稀罕物，计算机人才极为紧缺。老一辈银河擎旗人慈云桂先生高瞻远瞩，在科研工作十分忙碌的情况下，组成了一支精干力量的教学团队，自编教材，边干科研边搞教学。教学的舞台甚至就在科研实验室，科研仪器设备经过加工改造成为最合适的实验器材。我国第一代电子管计算机(鱼雷指挥仪)研制成功不久就安装到教学实验室，开创全国用整机开设计算机实验课的先河，在人才培养方面发挥了重要作用，这一优良传统一直得到了继承和发扬。斗转星移，一代又一代的栋梁之才培养出来了，人才培养体系逐渐建立和完善并凝聚成了“坚持教学、科研、生产三结合，促进计算机学科建设”教学成果。1989年，该项成果获得了国家教学成果特等奖。纵观半个世纪的银河事业，毫不夸张地说，正是国家的需要具体化为学院一项项重大科研工程，正是科研工程的需要牵引教学与人才培养体系的建设和发展，正是科研和教学的紧密结合形成了具有丰富内涵的实践教学体系和教学相长的人才培养模式。一方面，寓人才的培养于科研一线，通过解决实际问题不断磨砺和提升教师的能力；另一方面，不断选拔在工程研制中涌现出的经验丰富的优秀骨干充实到教学第一线，以解决理论脱离实际的问题。

在数十年的奋斗历程中，崇尚实践，崇尚创新成为一代又一代银河人的共同信念。面向计算机、微电子、软件工程、网络与信息安全技术的飞速发展与交叉融合的局面，实践教学的理念与手段亦需有创新。可喜的是，计算机实践教学团队也在不断进步，围绕教书育人、实践育人又有了新的贡献和创造(图1)。

图1 本科生参加“天河一号”超级计算机系统装机任务

近些年来，在国家和军队重点建设计划的支持下，我校计算机实践教学条件有了长足的进步。计算机教学实验室在用房、设备、人员等方面获得了很大的补充，持续推进的实践教学改革成果丰硕：建成了国家级计算机实践教学示范中心，先后有7门课程进入国家级精品课程行列；研发和推广了一批实验教学系统和实验平台工具；与全国同行一道，编撰《高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范》等指导性文件，以教育部计算机教学指导委员会的名义出版，在全国高校推广，产生了广泛的影响。

2 计算机实践教学的特色与发展

2.1 创建新的计算机实践教学体系

着眼未来国家和国防建设的需要，我校在制定人才培养方案中始终强调“坚持把重实践作为推进人才培养科学发展的重要理念，作为提高人才培养质量的重要着力点，作为统筹人才培养工作的重要抓手”，着力塑造厚基础、重实践、强能力、实践贯穿全程的教学特色。与之相呼应，计算机学院提出并实践了“4433”计算机专业实践教学体系：将计算机实践教学与能力培养贯穿于课程实验、实习/实训、课外实践和毕业设计等四个环节；进一步将课程实验分为基础验证性实验、课内综合性实验、综合课程设计和自主科研创新活动四个层次；全方位培养学生计算机硬件、软件、网络与安全三个方面的工程实践能力；并通过不断建设和完善教学团队、实践教学环境和实践教学管理三个支撑条件使整个实践教学体系得以有效运转。

特别是通过学生自己组织的“银河之光”文化节开展系列科技创新实践活动，在培养学生创新思维的同时，锻炼学生的组织协调能力；通过与地方单位和部队建立实习和实训基地，使学生在实践中发现和解决应用问题；通过开展学科和军事特色浓厚的专题式毕业设计组训方式改革，90%的毕业设计选题与科研课题、工程项目或者部队实际系统有关，强化了学生工程实践能力培养与服务部队意识的养成。

2.2 拓展计算机实践教学内涵改革

进入新世纪，特别是近年来，信息技术仍处在高速发展的态势，学科间的交叉与融合更加丰富，如何因应发展态势，优化学科特色，拓展为军服务能力成为我校计算机实践教学内涵改革的重要内容。

2.2.1突出系统级训练，形成以硬件能力见长的特色与优势

长期以来，国内计算机人才培养普遍都存在重软件轻硬件的现象。一方面，由于软件人才需求量相对较大，在资金投入、技术积累、实践条件要求等多方面相对较低；另一方面，随着EDA设计技术的发展，计算机硬件系统设计的软件化现象越来越普遍，导致很多高校轻视学生硬件实践能力培养。长此以往，将会造成宏观上人才结构不合理，微观上人才的发展空间受限。随着社会对复合型、创新型人才的需求不断提升，系统级(软、硬结合)实践能力的缺失将带来严重的负面影响。

以“银河”、“天河”系列超级计算机、“银河玉衡”核心路由器、“银河飞腾”系列芯片为代表的一系列大型科研课题不断扩展，使得计算机教学实验室在硬件以及系统级能力训练上提供了国内一流的实践条件，教师团队有意识强化学生的硬件实践能力培养并形成了独特的优势。

在制定人才培养方案时，充分考虑硬件系列课程在课程体系框架中的独特地位，开出了一组高水平的硬件系列课程及相应的配套实验课。以“计算机原理课程设计”实验课程为例，20多年的教学历程总结起来大致可划分为三个阶段。

第一个阶段，(上世纪90年代初)，学生在面包板实验箱上以VLSI芯片(74LS181、74LS138、74LS00等)，配以成组的导线设计并实现各种类型的CPU。多轮实践下来，学生普遍反映对CPU基本工作原理与特点有了深刻的理解。

第二个阶段(上世纪90年代后期)，学生使用可编程逻辑器件在实验箱上实现CPU。

第三个阶段(2000年以后)，我们依靠多年技术积累和技术革新，先后研发了“六合一”计算机系统实验平台(图2)、“天河阳光”硬件综合实验平台(图3)。该平台采用“ARM+FPGA”架构，可开展从元件、部件

到系统各层面的实践教学，针对不同的课程可以采用原理图输入、提供构件设计以及基于HDL语言的设计方法，实现了硬件课程实验平台的统一，使得硬件课程实验内容可以一体化设计。同时，学生可以通过先进的实验平台设计验证CPU多级流水、Cache、多核等功能，并在此基础上开展创新实践。更进一步，通过升级可以将操作系统、编译环境移植到该平台上，实现一个软硬皆可实验的综合实验平台，有效地锻炼学生全系统设计实践能力。

图2 学员小组在实验平台上进行调试

图3 “天河阳光”硬件综合实验平台

此外，当今的硬件设备呈现微型化、智能化、网络化发展趋势，以Google眼镜、iWatch、3D打印机、智能机器人、无人机等新设备与新装置层出不穷。针对发展趋势，实验室积极引进新设备，更新实践教学计划，整合软、硬件开发能力训练。例如，批量采购Lego、NAO等多款智能机器人，引入Android智能终端、无人机等平台，更新和优化“程序设计”、“人工智能”、“嵌入式系统”等课程实验内容，同时大量设置创新实践题目，鼓励由学生自拟题目，自组团队申请各级创新实践计划。

可以说，实践条件的改善，自由竞争氛围的建立唤起了学生强烈的探索兴趣，对于实现从实验验证到综合创新的跨越，突出学生硬、软件一体化的实践能力的培养起到了重要的作用。

(未完待续)