新工科数字系统实验教改与实践

摘要：本文结合新工科交叉融合建设、思政与劳动教育培养要求，构建了“计算控制通信”融合计算机系统基础工程实践体系，并围绕数字系统实验开展体验式学习网络教学方式、思政实践和过程考核，切实培养了学生的工程实践思维，持续提高了学生解决问题和创新能力。

关键词：计算机系统；劳动教育；工程思维；体验式学习

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）20-0000-05

引言

在新一轮科技革命与产业变革中，新工科经历了早期项目群加强交流合作，持续关注新的工科专业和工科的新要求之后进入深化建设阶段，开始对现有工科专业进行全要素改造升级，融入学科专业发展前沿成果和最新要求，交叉融合再出新。[1-3]

2020年教育部颁布的指导纲要[4-5]指出专业实验实践课程强调学思结合、知行统一，培养学生创新和实践能力，强调劳动实践与动手能力，提高学生问题解决能力。因此，笔者所在学校在开设创新创业的项目与训练系列和创新学分课外，从2021年起开设了“劳动教育与素养”通识教育必修课，各学院也制订了课程实践教学细则。

根据以上新工科建设和指导纲要的要求，同时结合计算机专业培养具备创新意识、扎实计算机基础理论和应用技能的高素质人才以满足行业和区域经济发展需求的教学目标，笔者认为，有必要结合计算机科学教学计划中数字系统实验EDA工具与平台建设要求，构建实验教学新模式。

实验教学改革思路

CPS与物联网、工业互联网、智慧城市以及机器人和系统工程等现代技术领域紧密相连。所以笔者提出，在现有数字系统实验平台上，融合计算机CPS教育构建数字系统EDA工具与平台的教学模式，进一步建设混合的阶梯式和体验式自主学习项目，引导问题思考与解决的教学方式，完善全学习周期双向反馈式机制，健全公平规范评价方式，达到课程知识、技能与素养目标要求。具体思路如下：

第一，树立工程教育新理念，结合创新创业教育，注重培养工程思维。本实验理念是全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”先进理念，树立创新型、综合化、全周期工程教育理念，着力提升学生解决复杂工程问题能力，并注重工程伦理意识与职业道德培养。

第二，面向计算机工程领域应用需求，硬件基础实验平台化，接力服务劳动教育周期。笔者所在学院本科从大一到大三的实践课主要是实验课程、短学期1和短学期2实训，学生往往到大三第二学期才参加创新性劳动训练。因此，在大二开设数字系统实验正处于对学生劳动教育的关键阶段，其作为计算机硬件基础实验课程，既要承接好大一“计算思维构造什么样计算机”，又要协同好短学期2实训来着力抓“工程思维如何使用甚至优化计算”，在计算机系统微型化网络化趋势中，在物联网以及人工智能的端边融合工程领域中，让学生想动手敢动手能动手。这一过程强调体验式学习，即通过生活中的点滴体验来激发学生的自主学习，提升个人能力，并从多维度多角度丰富其认知。

实验教学改革方案与实践

本实验利用基本物理装置和系统，实现“仿真实验”与“实体系统实验”映射，从掌握常用电子仪器使用开始，理解并掌握电路与电子学基本物理量测试与分析，强化相应课程书本知识理解与运用能力，提升解决复杂工程问题的技能。

1.实践内容设计

本实验的设计，分析了不同课程产出和电子测试教学的目标边界，并以工程问题为基础关联技能教学，帮助学生适应智能物联网的复杂计算系统并展开学习。

（1）不同课程中电子测试教学偏重不同

大学物理实验是科学理论和工程知识的源泉，也包含了误差理论，搭配现有物理设备和系统完成测量，并采用Origin实验数据处理，能够为复杂的工程测量奠定基础。电路分析、数字逻辑、电路与电子学的课程实验，由于电路系统和数字系统的复杂性带来多种模块测试和多种测量组合，往往采用计算机辅助计算仿真软件为主的工具。因此，本实验支撑的计算机科学专业毕业要求是使用现代工具（如图1）。

（2）工程思维的“结构、约束、取舍”工具

本实验所处控制层的设计充分体现了培养学生复杂工程问题的工程思维，包含对工程问题预测结构、现实约束理解和方案决断能力。

（3）问题关联技能的数字IC应用案例

不同于理论课程教学沿着本学科专业知识结构顺序教学，本课程以问题引入案例模块和实验任务，联合多种技能训练，如上页图2所示。

（4）面向测试与思维培养的FPGA开发案例

借助高性能和低时延、可重构和可升级、低功耗和低成本等优势，FPGA可以快速开发灵活的智能边缘应用和嵌入式应用，帮助用户应对数据采集质量、多源数据融合、复杂事件处理、云边端融合、安全及隐私保护等工程问题。因此，可以通过案例学习掌握FPGA开发流程，搭建数字系统原型，培养解决问题思维，为复杂的工程实现奠定基础（如图3）。

（5）应对复杂性的阶梯式开放式综合案例

计算机工程常见的问题是如何进行全面的系统设计和开发。一方面，在实际需求的综合性问题上，除了考虑项目需求、技术选型、资源分配等多方因素，也要结合平台实验前置技能掌握情况，平衡好引导阶梯，控制试错成本。另一方面，案例的开放性带来更好的灵活性，可以满足不断变化的产业需求，也预留出持续性改进空间（如图4）。

2.教学方式

学生要整体联动实践学习网络，构建个人学习体系，进行自主体验式学习，适应社会化学习和计算机工程领域发展需求（如图5）。

（1）借助实验平台资源打造个人学习体系

①明确模块任务与资源。阅读课程相关资料，大致了解各模块实验任务、硬件平台仪器和开发软件工具、线上慕课等。

②参考围绕工程实现，使用导览式学习计划，方便根据个人兴趣和时间灵活安排路径。避免人流量过大带来的时间开销远超预想从而造成体验感不足。

（2）在引导下自主体验式学习

学生只有先体验才能产生对外界的感知，经过批判反思才能获得新的体悟经验，然后再通过主动应用经验迁移学习带来新体验新感知，形成新一轮迭代，让学习经验呈螺旋上升式累积。

（3）以他人为师，同时通过输出丰富社群资源

实验课程的社会化学习以真实世界的工程事物为学习素材，让更多的人参与到教学过程中。学生可以通过课堂现场答疑、线上社群提问或慕课学习等方式，打破学习时空限制。

3.思政点实践

（1）实验室安全和使用——思政点：工程伦理

理解：了解实验室位置功能，电气安全、开关门禁、垃圾卫生等实验开放制度。

体验：在线章节训练，自动评分，如实验室椅子归位、室内垃圾禁止标志、离开“五关”动作排序、开放时段实验室正常使用行为排序。

（2）PCB设计布板——思政点：工匠精神与国产化替代

理解：PCB设计软件开源与国产化替代。

应用：无线RGB彩灯电路板设计。方寸之间，布局合理，布线美观。布局安装孔和灯中心孔与结构图一致且合理；电源和信号线宽合理；敷铜中孤铜、单端细导线突起、层数和热焊盘等；位号粗细、位置与方向摆放合理；生产前检查和加工文件导出。

（3）数模转换与波形（选修）——思政点：强化知识产权保护

理解：知识产权保护与半导体行业的IP上游存储模块IP应用。

体验：HDL编写波形发生器并仿真验证，完成实物硬件与仪表测量验收视情况加分。

（4）电子产品背板（选修）——思政点：传承中国优秀传统文化。

理解：背板生产和标识设计需要遵纪守法，激光加工现场安全合规。

体验：开放式作业设计标识。标识创意由元素和寓意组成，字图糅合，形神兼备。线上学习绘制标识、极简设计、博物展览和激光非金属加工。从传统文化中汲取创作灵感，细微处现匠心。

4.过程考核方式

实验考核，教师要按课时分模块验收各活动的完成度，包含两大模块内容——器件仪表和工具平台，按课时分别占37%和63%。子模块考查一般是采用报告的方式验收，比例为6∶4，具体考查范围结合实际预先设定，不限于线上记录、课堂训练和课后作业，线下实验操作和报告文档等。

实验教改特色

1.独特性

构建的计算机系统基础工程实践体系是三级实践教学体系应用与自主实验教学模式[8]的进一步发展，解决了计算机工程课程的系统性和复杂性问题。同时，融入了思政教育，学生在动手实践中逐步提高了创新精神，并培养了使用现代工具进行硬软件协同的制造意识。

2.实用性

满足计算机工程领域应用信息化工具和现代化工具需求，更多地为学生在大二参与创新训练和赛事提供了条件支持。

3.可行性

问题关联技能、面向测试与思维培养、阶梯式应对复杂性问题、体验式实践学习网络等教学方式，保障了学生和指导者角度灵活转换，综合性实验的开放包容，一平多端联动学习者和指导者创新实践，持续地改进适应了产业的需求。

结语

本文构建了计算机系统基础工程实践体系，创新了问题关联和工程思维培养等教学方法，提高了实践环节质量，支持了计算机系统国家级一流课程建设、计算机专业工程教育专业认证和实训指导教材出版。但其仍存在一定的不足，如硬件技能学习滞后性使得课程影响难以评价。后续，笔者会引导学生从大二开始就真正动手做，处理好内容与时间耦合加大交叉融合，更注重硬碰硬实打实的过程性考核，从应用理科向工科延伸，真实感受计算机控制要素，建立主动学习与工程思维，适应产业数字化转型。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.首批“新工科”研究与实践项目[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

[2]中华人民共和国教育部.卓越工程师教育培养计划2.0意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

[3]中华人民共和国教育部.普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202304/t20230404_1054230.html.

[4]中华人民共和国教育部.高等学校课程思政建设指导纲要[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[5]中华人民共和国教育部.大中小学劳动教育指导纲要（试行）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/jcj_kcjcgh/202007/t20200715_472808.html.

第一作者简介：张洪杰，男，高级实验师，研究方向为嵌入式计算、物联网、计算机实验教育。

基金项目：湖南省级教改项目（HNJG-2021-0350）。