服务地方经济的计科专业工程实践型人才培养模式研究

郭瑞波，郭川军，侯菡萏

（哈尔滨金融学院 计算机系，哈尔滨 150030）

复旦共识、天大行动、北京指南，一系列高等工程教育发展战略使新工科成为教育改革中最醒目的关键词。“新工科”的提出不仅为工程教育的理论和实践探索提供了一个全新的视角，也是对国际工程教育改革发展做出的中国本土化的回应。计算机科学与技术专业需要培养大批新型工程科技人才，要求所培养学生具有工程思维与动手能力，所以课程中的工程实践体系构建尤为重要。数字逻辑课程是计算机科学与技术专业的一门重要专业基础课程，有较强的理论性、系统性，同时又与工程实际中的问题密切相关。要求学生能熟练掌握数字系统的分析与设计方法，为后续的计算机组成原理等课程奠定硬件设计基础。在新工科的指导思想下，如何构建实践课程体系，提高学生对计算机硬件课程的学习兴趣，解决困惑学生的“我很想做硬件实验，但是复杂的连线总是让人烦恼！”“学习这门课程可以做哪方面的创新实验？”“学习这门课程对我今后的工作有什么帮助？”等问题，使新工科的教育思想与实际教学融合，完成计算机技术快速发展中工程专业人才服务地方经济的培养目标，需要对现有实践课程进行整体规划与改革。

一、计科专业工程实践人才培养模式现状分析

计算机科学与技术专业的工程入门课程为数字逻辑。以该课程为例，实践部分要求学生掌握基本逻辑门的电路结构与工作原理，掌握常用的小规模与中规模集成电路的原理与应用，了解可编程逻辑器件的分类与结构，学生需掌握对数字系统进行分析与设计的能力。而目前的实践教学环节存在一些问题，影响了教学目标的实现。

（一）使用传统的实践教学模式

实验课程内容的安排基于传统的实验箱，学生使用74系列标准芯片进行常规验证性和基础性的实验，在实验箱上手工连线来完成电路功能。但是传统的逻辑器件连线实验在完成较复杂的实验项目中，如果出现一处引脚设计错误或连线错误将导致整个实验的失败，查错代价大，花费时间多。实验箱使用年限较长，经常进行导线插拔操作也会有引脚接触不良的现象，使电路整体可靠性降低。久而久之，使学生从刚接触硬件实验的新奇感转变为单调、枯燥感，这种实验环境不利于学生充分利用实验器材开展创新实验与综合实验；而模块化的实验内容也很难让学生理解项目设计的完整流程，容易失去学习目标与学习兴趣。

由于新设备与新技术的不断涌现，传统的基本逻辑器件实验已不能满足教师教学与学生成长的需要。现有的理论教学方法以教师讲授为主，在作业中引导学生根据现有基本逻辑器件进行分析设计；实验教学方法以模块功能验证型实验为主，辅以简单的综合实验，在一定程度上制约了学生兴趣的培养与自主创新能力的发展。

（二）实验资源分配固定

由于数字逻辑课程的课时逐年压缩，实验课时有限，学生只能在课程安排的有限时间内练习相关内容，没有大块完整的时间进行复杂的综合设计实验，影响了学生对各种芯片与实验器材熟悉程度与综合应用能力提升。此外，目前的实验器材是由教师申请采购的常用标准元器件，学生综合设计中的部分元器件由于欠缺，导致部分功能无法实现，损害了学生的学习积极性。

（三）实践能力考核方案不完善

课程考试成绩是学生最为关注的环节。传统考核方式以平时成绩和期末考试成绩构成综合成绩，平时成绩占30%，由作业与实验报告构成，部分学习松懈的学生为了取得较高的平时成绩会用抄袭的方式应付作业与实验报告，教师无法根据这些资料分析出学生的真实学习状态与效果；期末成绩占70%，由一次卷面考试来确定，部分学习松懈的学生想利用靠前一周进行突击复习才发现知识点无法融会贯通，导致最终成绩不佳。这种考核模式忽视了平时各个教学环节的考核，学生处于被动学习的环境中，不利于调动学生及时发现问题解决问题的主观能动性，以至于不懂的内容、不会的题目越积越多。考核成绩主要由笔试成绩构成，导致学生往往不重视实验内容的设计，知识停留在表面，无法促进实践综合应用能力的提高。

二、构建工程实践型人才培养方案

（一）重构实践培养方案

数字逻辑实验课程要让学生理解计算机底层硬件的工作原理。为完成这一目标，要减少中小规模集成电路模块化的实验内容，构建新的实验模式：硬件模块化实验+PSoC片上编程综合实验，保留部分硬件模块化实验。实验内容连线简单、易懂，便于学生初步熟悉硬件的概念，形成逻辑图形符号与实际元件的映射关联，熟悉硬件设备的使用方法及故障调试方法，养成规范的布线风格。因此，该部分实验有利于学生养成严谨、耐心的工作态度。

增加PSoC片上编程综合实验。PSoC（Programmable System on Chip）是美国Cypress半导体公司推出的集微处理器、可编程数字阵列和可编程模拟阵列或模拟器件于一体的可编程片上系统。这种芯片能够完全自由、灵活地设计出集模拟电路、数字电路与微处理器于一身的电子系统，改变以往由分立器件或单一集成电路组成的电子系统的设计思路，而站在系统级的高度看待数字电路，使学生能够从更高角度上来学习数字逻辑课程。同时，PSoC具有易操作性和易学性的特点，使得少量的课时便可达到事半功倍的效果。PSoC系统集数字可编程阵列、模拟可编程阵列、单片机为一体，解决了数字电路与模拟电路的接口问题，内部资源较单片机丰富，PSoC平台提供USB下载接口、音频输入输出接口、温度传感器、红外热释传感器等资源，功能强大，几乎不需外部资源即可构成电子系统。学生先通过基础实验熟悉如何用原理图输入与设计电路，然后通过扩展实验掌握各个模块综合应用的方法。

PSoC Creator软件平台自动配置时钟和布线I/O到所选择的引脚，并且为给定的应用产生应用程序接口函数API对硬件进行控制。只要具有数字逻辑和C语言基础知识即可使用该平台进行实验，简化了学生的编程语言学习内容，降低了学习难度，有利于学生将更多的精力用于设计新思想、新方法，并将其付诸于实践，建立自己的IP核，从而提升学生综合设计实践能力与创新应用能力。

（二）灵活配置实验资源

为了打破实验室时间与地点的束缚，对实验室与实验设备进行灵活配置。一是在课余时间开放实验室的使用，既能让课上没有完成实验的学生利用空闲时间来完成实验，又能让学有余力的学生组成兴趣小组一起探讨完成有一定难度的设计方案。二是部分开发板允许学生外借，让学生灵活利用时间调试设计结果、开发创新项目、参加电子大赛。多方位灵活的实验资源可以让学生更好地将理论知识与电路设计相结合，提高学生学习的兴趣、设计能力、协作能力与实践动手能力。

（三）提升工程实践与科研能力

二者融合有利于培养学生对创新的热情、使命感和价值感，提升学生的思维能力与技术能力，使学生更关注课堂知识的掌握与应用。实验综合设计与科研活动结合可以有多种形式，一是让学生参与到教师的科研项目中；二是让学生以实验小组为整体申报大学生创新创业训练计划项目；三是鼓励学生参加各类电子设计大赛。多种形式的应用可以激发学生的学习积极性，建立系统观念，锻炼团队合作精神与专业技能。

（四）优化人才培养考核方案

考核不仅要体现成绩的客观性，还要重视学习过程的知识考核。为了提高学生实践应用能力需要通过多种渠道来考查学生的学习效果。课程综合成绩由平时成绩50%+期末考试成绩50%构成。其中，平时成绩中作业占5%、课程实验占30%（考查每次实验原理、设计方案、电路图、结果验证、实验报告），期末综合实验设计占15%（考查设计选题、软件模拟仿真、实验结果、设计报告）。通过合理有效的考评制度，以考促学，使学生重视实践动手能力的重要性，提升课程的教学效果。

结语

以服务地方经济发展为目标、以新工科培养学生工程实践能力为导向，用PSoC平台作支撑，构建“学习→实践→比赛→毕业设计”的工程实践方式，培养学生数字电路的设计能力，并将该能力应用在后续的大学学习周期中。为此，我们应与时俱进、不断完善教学体系，提升学生的综合能力以适应地方经济发展对人才的需要。