面向复杂工程问题的计算机人才创新能力培养体系研究

尚凤军

摘要：创新是一个国家和一个民族长久保持竞争力的根本，因此建立人才创新能力的课程体系，提高学生的创新能力和实践能力，是高校的重要职责。文章通过调查研究和深入学习，开展宏观理论研究。设计出研究生创新创业训练计划总体方案；以解决计算机系统复杂工程问题为目标，以培养能够深入理解并掌握计算机系统核心、具备引导行业发展能力的人才为重点，深化实验教学改革，加强资源建设和管理，促进教学团队建设，以适应技术和产业发展对计算机产业人才的需求。

关键词：计算机复杂工程；虚拟仿真；创新能力；课程群；实践体系

0.引言

计算机科学与技术是一门基础学科，计算机能力是当代大学生必备的能力之一，建立大学生创新创业教育体系，完善创新型人才培养模式非常重要…。但由于学校的学科优势、专业特色、课程设置、管理模式等情况各异，实验室资源条件也各不相同，计算机教育必须应对网络化时代的挑战，无论是技术发展、管理手段，还是学习模式变化，都使计算机领域的虚拟仿真实验教学成为必然。因此，引入虚拟仿真技术解决计算机复杂工程问题具有很高的现实意义和推广价值。

1.教学内容面向解决系统化工程问题

复杂工程问题需要扎实的专业基础知识，学校应面向计算机类专业的就业领域进行调研，根据调研的情况修订培养方案，在修订过程中把握3条主线，即软件架构与应用软件类（包括系统架构、软件开发等）、硬件应用设计类（包括嵌入式、组成原理等）、数据科学类（包括大数据分析、云计算等）始终贯穿培养方案，如图1所示为改革后的课程群。应用软件类第一学期开设c语言程序设计课程；第二学期开设c语言实践课程；第三学期开设数据结构课程，奠定软件开发基础；第四学期开设操作系统、数据库等，提升软件开发能力；第五学期开设专业程序设计课程，例如Web程序设计、软件综合课程设计等，强化专业应用软件设计开发能力；第六学期开设智能终端软件开发和软件工程等软件设计课程，提升应用软件系统创新设计能力；第七学期开设软件架构与应用开发课程，全方位提升软件架构设计开发能力，使学生从进入校园到离开校园，应用软件设计能力连续提高，直至就业。在此过程中，学校应充分利用校企合作，安排学生到企业实习、实训，以提高学生的软件开发能力，系统化地培养应用软件类人才。硬件应用类第一学期开设计算机科学导论课程、第三学期开设数字电路与逻辑设计课程；第四学期开设计算机组织与结构课程；第五学期开设嵌入式系统设计课程，奠定硬件开发基础；第六学期开设硬件综合课程设计，提升硬件开发能力。学校要瞄准“互联网+”，适应行业需求，增设数据科学方向。第一学期开设高等数学及计算机科学导论等课程；二学期开设概率论与数理统计课程；第三学期开设离散数学及数学建模/计算方法等课程；第四学期开设算法分析与设计课程等，奠定数据分析基础；第五学期开设数据挖掘基础课程，强化数据利用基础；第六学期开设大数据分析与处理、云计算与大数据实践等课程，提升大数据平台搭建和大数据分析应用能力，使学生从进入校园到离开校园数据分析处理能力连续提高，直至就业。实验室组建课外科技活动小组，包括嵌入式系统兴趣小组、智能终端设计开发小组、网页制作及组网兴趣小组等。

2.课程群建设面向复杂工程设计

我们把数字电路与逻辑设计、计算机组织与结构、操作系统和编译原理4门专业课构造为计算机系统核心课程群，重构了课程群的知识体系与实验体系，如图2所示。

软件架构方向培养学生系统的软件设计开发能力。我们将c语言程序设计、数据结构、数据库原理和软件工程4门计算机专业课程构造为该方向课程群，如图3所示。

数据科学方向主要培养大数据科学与工程领域的复合型高级技术人才，毕业生具有信息科学、管理科学和数据科学基础知识与基本技能，掌握大数据科学所需要的计算机、网络、数据编码、数据处理等相关学科的基本理论和基本知识，熟练掌握大数据采集、存储、处理与分析、传输与应用等技术。基于此，我们将概率论与数理统计、离散数学、算法分析与设计和数据挖掘4门计算机专业课程构造为该方向课程群，如图4所示。

3.引入虚拟仿真模式，建立多位一体的学生实践能力培养体系

在信息技术网络化、服务化的演变历程中，信息服务日益丰富，使计算机软硬件系统规模不断增大，复杂性不断提高，信息安全的形式也日益严峻。传统的基于单机和实物的实验教学条件难以呈现异构、复杂的网络环境，难以触及计算机体系结构（例如cPu设计、多核设计等），难以分析实时、潜在的安全威胁，导致学生理论与实际相脱节，对所学知识缺少系统性认识，在能力上无法适应产业发展对计算机人才的需求。因此，必须引入虚拟仿真实验技术，解决计算机各学科中的实验教学问题，完善现有计算机各学科实验教学体系。应重点开展与网络、计算机体系结构和信息安全相关的基础训练、综合设计和创新拓展3层次虚拟仿真实验，并通过随课实验、课程设计、专业实践、毕业设计等环节实施，实验体系如图5所示。

4.统一规划教学内容和教学方法

学生应将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于设计CPU，并能够在设计环节中体现创新意识。在理顺教学内容的基础上，各课程以完成基本计算机系统设计和实现为教学目标，改进教学方法；在加强原理性知识讲解的同时，强化工程化实现方法的训练，力求学生在系统原理和工程实现方法两方面均有收获。

5.统一规划课程实验体系

计算机系统能力培养中，实践占有很大的比重，是学生运用所学知识解决实际计算机系统设计问题的过程，更是检验教学效果的重要手段。然而，计算机系统是一个复杂的系统，要让学生在有限的时间内完成教学和实践内容，需要我们精心设计教学实验体系，围绕教学改革目标设置各课程的阶段子目标和相应的实验内容；完成模块设计和实现后，再通过综合实验来最终集成，形成一个完整的计算机系统设计和实现。在计算机组成原理课程中，我们安排了8个教学实验，通过精心安排和组织，8个实验由基础到全面，由运算器、控制器到CPU设计，构成了一个基本完整的CPU系统。

（1）实验1（海明码）和实验2（乘法器）的目的在于了解和熟悉计算机系统的容错技术和海明码原理以及计算机系统的补码booth乘法器的原理。

（2）实验3（算数逻辑运算单元）的目的是掌握简单运算器的数据传送通路和验证4位ALU运算器的组合功能。

（3）实验4（时序部件）的目的是理解计算机控制器中时序控制部件的基本组成和工作原理，掌握启停逻辑电路、节拍脉冲发生器的工作原理及设计方法，了解启停逻辑电路、节拍脉冲发生器等电路的结构特点。（4）实验5（硬布线控制器）的目的是理解指令译码器的作用和重要性，学习设计组合逻辑控制器。硬布线控制器的控制信号直接由各种类型的逻辑门和触发器构成。

（5）实验6（微程序控制器）的目的是理解微程序控制器的控制原理，进一步掌握指令流程和功能，了解掌握微程序控制器的设计思路和方法。

（6）实验7和实验8（CPU设计）要求学生利用已有的计算机组成原理知识以及对计算机系统结构的初步学习，设计一个完整的CPU体系结构（包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器结构、存储系统和流水线结构等）。

6.结语

面向系统培养计算机人才的创新能力，设计出适合学生的课程体系和实验内容是重要的抓手。由于计算机技术涉及面广，教学和管理团队的配备应是动态的。应在专业方向、课程群等不同层次的教学团队中，鼓励和吸引更多科研水平高、工程能力强的教师深入教学，引入企业资深工程师参与实践教学，这是提高学生工程实践能力的重要途径。