软硬协同、虚实兼顾的本科生自主创新实践能力培养

苏小红，刘宏伟，张彦航，史先俊，曲明成，翟建宏

（哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引 言

相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力和创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。大学期间，学生的学习时间和知识内容是有限的，但是各种新技术、新问题的出现却会伴随着人的一生，因此，在“互联网+”和新工科背景下，培养学生的自主学习和创新实践能力至关重要。

实践教学是培养学生创新能力、实践动手能力和综合素质的一个重要环节，然而传统的实践教学由于自身的局限性已不能满足现代社会发展和高等教育的需求，为此，在计算机技术、网络技术等基础上发展起来的虚拟实验室（virtual laboratory）开始走入高校课堂。虚拟实验室的概念是由美国的William Wolf教授在1989年最早提出的。长期以来，欧美等国家对虚拟实验室的研究与开发始终非常重视。目前欧美国家在该领域的研究和应用已处于领先地位[1-2]，虚拟实验室在国外高等院校的普及程度非常广泛。虚拟仿真实验可以提供无限的实验环境、任意扩充实验内容，一方面，学生可以大胆进行个性化、综合型、创新型、研究型的实验项目[3-5]；另一方面，教师可以随时抽查了解学生实验的全过程，检查实验进展情况、复杂问题协同完成情况等。因此，虚拟仿真实验室对培养学生的自主学习能力、提高学生的自主创新意识、挖掘学生的自主创新潜力具有重要的作用[6-8]。

自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，国内各高校纷纷结合自身情况开始推进虚拟实验室建设[9-13]，从而使我国高校实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展得到极大推动。十九大提出基于“物联网、大数据、云计算和人工智能”的国家创新驱动发展战略，如何有效利用网络技术、信息技术、虚拟仿真技术等现代化手段，培养学生的自主创新实践能力是新时期高校人才培养的一个重要任务。

1 本科生自主创新实践能力培养需要解决的问题

1）实现软硬件实验自主性、开放性和协同性，帮助学生树立增强软、硬件设计的自信心。

软件设计能力的提高不是仅靠啃书本就可以实现的，还在于实践和练习。传统实践教学方式已无法满足学生自主训练、教师随时监测学生学习过程和检验学生训练效果的需求。与软件设计实践类课程相比，硬件设计实践类课程受实验时间和空间的限制更多，问题也更加严重。硬件设计能力差是大部分计算机专业本科学生的软肋，因此，实现软、硬件实验自主性、开放性和协同性，帮助学生树立增强软、硬件设计能力的自信心是亟待解决的一个主要问题。

2）需要满足并及时响应“互联网+”和新工科背景下的新需求。

目前，计算机本科实践教学主要存在的突出问题是：一方面，软、硬件平台无法满足学生的自主学习需求和差异化、个性化的自主训练需求。硬件实验教学灵活性不足，无法突破固定时间、固定地点做固定实验的局限。硬件实验台缺少模块扩展能力，不支持学生自主创新实验，维护费用高。另一方面，网络安全实验因存在不可逆的安全风险无法在真实环境下实现，而物联网实验必须先开发硬件然后才能开发软件，不仅实验成本高，而且开发效率低，无法按需组板，无法满足学生个性化、多样化的自主创新实践需求，无法满足人工智能、大数据、物联网等应用，相关底层硬件快速发展以及“互联网+”和新工科对人才培养提出的新需求。

“互联网+”和新工科背景下，提高学生的系统设计能力及创新实践能力不仅需要对计算机类课程进行大范围的贯通，还要进一步加强各门课程的教学资源整合和共享，同时利用虚拟实验补充真实实验不具备或难以完成的实验，用于高成本、高消耗、大型或综合性的实践训练，虚实兼顾，以实验虚，将虚拟仿真与实物验证相结合，满足学生对实验资源及实验方式多样化的不同需求，使实验过程可监控，真正做到提升实践教学效果、理论与实践紧密结合。

2 解决措施

针对本科生自主创新实践能力培养面临的问题，以布鲁姆的教育目标分类法为理论指导，我们提出“以学生为中心，以学生学习和发展成效为驱动，厚基础、重内涵、强实践、敢创新”的教育理念，面向学生自主创新需求，打破传统观念，对实验教学模式进行多项改革，使其不再受限于时间、地点等客观因素，贯通课内实验和课外训练，有效提升学生的自主创新实践能力；采取“软硬协同、以实验虚、虚实兼顾”的方式，通过打造灵活可变、安全可控的网络实践环境，不断提升“互联网+”背景下学生的自主创新实践能力。

首先，依托科研自主开发设计高级语言程序设计能力自主训练平台，如图1所示。该平台贯通课内外实践训练环节，使学生完全自主选择知识点和训练难度。通过平台不仅可以自主设计题目，还能够进行在线自动评测，给出学习曲线检测和学习效果预警，便于师生随时监看学习过程。分阶段无纸化上机考试使知识考核清晰化、系统化，另外通过大作业、翻转实验等手段进一步加强系统能力和创新能力的培养。

其次，与企业联合开发集实验教学、攻防演练、实践创新为一体的网络安全仿真实践云平台，如图2所示，采用虚拟化技术对真实网络环境和实验设备模拟仿真，通过互联网服务模式支持学生远程登录完成难以在真实环境下实做的网络安全实验，在降低安全风险的前提下达到与在真实网络环境下同样的训练效果。

最后，以科研为依托，自主设计物联网虚拟仿真实践云平台，如图3所示。平台的组件化和环境可配置功能使学生可以在满足平台通用标准架构的前提下自主开发更多类型的仿真设备、仿真处理器核（如MIPS处理器）和外端测试组件，从而实现按需组板、自由加载针对特定物联网应用需求的硬件配置环境信息，实现模拟计算机硬件系统并在模拟的硬件系统上运行自主开发的嵌入式代码。

图1 高级语言程序设计能力自主训练平台

图2 网络安全仿真实践云平台

平台支持多种主流计算机体系软件（arm、sparc、powerpc等）的模拟运行，无需相应的硬件即可对嵌入式软件进行开发和测试。学生可以根据特定的实验需求配置特定的硬件环境，如SPARC处理器、特定的内存，添加AIC、RS422、CAN、1553B等组件，生成的仿真硬件平台配置文件保存后可以重复使用。此外，为平台研制集成开发与调试环境，为学生提供功能丰富的图形化程序开发与仿真调试功能，通过仿真外部通信端即可辅助学生完成系统的故障注入、分布式闭环虚拟测试、网络化仿真、覆盖率分析、系统调试等，有利于学生更高层次的综合应用能力和创新实践能力培养。

3 实践效果

哈尔滨工业大学具有自主知识产权的高级语言程序设计能力自主训练平台自建设至今，已有11年之久，支持全校本科生高级语言程序设计课程的编程训练及上机考试。

网络安全仿真实践云平台目前已应用4年，支持哈尔滨工业大学计算机学院信息安全专业6门课程实验。该平台的投入使用让原来风险较大、难以在真实环境下实做的实验得以虚拟仿真实现，并达到与真实网络环境下同样的训练效果。

物联网虚拟仿真实践云平台始建于2016年，该平台除了支持哈尔滨工业大学计算机学院物联网专业2门课程实验外，还应用于航天一院、五院、三院、十二院等实际项目的开发测试和验证。物联网虚拟仿真实践云平台不仅能解决物联网实验必须先开发计算机硬件系统然后才能开发软件系统的问题，使软硬件开发能够实现并行和迭代设计，提高系统开发效率，而且还具备开放性和扩展性，新开发的硬件模块能够随时加载到系统中，使学生针对特定的需求按需组板并个性化配置实验环境，不仅能提高平台的模拟能力，还能够快速适应物联网底层硬件和应用需求的变化。借助上述平台的训练，目前学校已有百余人次在全国大学生信息安全竞赛和全国大学生物联网竞赛中斩获各类奖项。

图3 物联网虚拟实践仿真云平台

4 结 语

以自主创新实践能力培养为目标，通过科教融合、将科研成果转化为优质教学资源、与企业联合开发等方式，基于网络技术、信息技术、虚拟仿真技术等信息化手段，开发构建的面向学生自主创新实践能力培养的开放式自主虚拟仿真实践云平台经过多年的实践应用检验，在云平台的建设与有效利用、基于平台的学生自主创新意识和创新实践能力培养等方面取得良好的效果，有利于夯实本科生的软硬件能力基础，提升学生的自主创新实践能力，是对“互联网+”和新工科背景下学生自主创新实践能力培养新模式的有益探索。