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计算机软硬件协同贯穿式人才培养的和实践
摘 要：针对社会和技术发展对专业人才培养的新需求,阐述如何在计算机类专业系统能力培养的试点工作中,构建层次化、软硬协同的课程体系,建设软硬贯穿、虚实结合的实验实践体系,探索科教融合、产教结合的多维度协同育人方法,提出计算机软硬件协同贯穿式人才培养的新模式.
关键词：系统能力培养；软硬件协同；课程体系；实践体系；科教融合
1背景
进入21世纪以来,计算技术正在发生深刻变化,从初期的科学计算与信息处理进入以移动互联、物物相联、云计算与大数据计算为主要特征的后PC时代,呈现出“人与信息世界及物理世界融合”的趋势和网络化、服务化、普适化、智能化的鲜明特征.未来的5~10年是中国将工业化与信息化发展阶段结合起来实现两化融合,利用信息技术与装备,提高资源利用率、改造传统产业、优化经济结构、提高技术创新能力与现代管理水平的关键时期,而实现这一目标,要求计算机专业人员必须具有计算机系统能力.
系统能力核心是在掌握计算系统基本原理基础上,进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统.这需要学生更多地掌握计算系统内部各软件/硬件部分的关联关系与逻辑层次,了解计算系统呈现的外部特性以及与人和物理世界的交互模式[1].系统能力培养体现出典型的工程教育特征,系统能力培养的过程整体贯穿了解决复杂工程问题的各要素[2].
然而纵观我国的计算机教育,经过半个多世纪的发展,尽管相应的课程体系基本完善、课程内容日趋成熟,但仍存在一些普遍性问题.例如,原先计算机专业人才培养强调“程序”设计；各课程大多独立设计和实施,知识体系规划缺乏系统性,课程设置“重软轻硬”,使学生不能很好地建立完整的计算机系统观念；实践课程同样“重软轻硬”,实践过程中缺乏足够的工程训练规模与难度.这些问题在相当程度上影响了我国计算机类专业人才培养质量的进一步提高,更无法满足系统级专业人才的迫切需求.
国内多所高校在计算机类专业教指委指导下,开展了卓有成效的探索工作.北京航空航天大学高小鹏介绍了一种工程化综合方法来指导学生开发具有足够规模的系统,提升学生的计算机专业系统能力[3].浙江大学施青松、陈文智通过强化计算机课程贯通教学能有效提高学生的系统能力[4].华中科技大学秦磊华、谭志虎则提出了以系统能力为主线推进信息产业自主可控人才培养的举措[5].还有若干高校面向系统能力培养,进行了专业课程体系改革[6],计算机组成原理、操作系统等课程改革探索[7].
2层次化、软硬协同的创新人才培养课程体系
课程体系的设计考虑实现软硬件之间的交互及融合,以提升学生对计算机系统整体的理解能力和综合应用能力.相应的课程体系如图1所示.
首先从逻辑思维层次实现软硬件概念贯穿,包括计算思维、科学导论以及新技术讲座等课程,以此建立起从真实世界到信息世界的思维转换,从计算理论到软硬件实现（计算自动化）的逻辑关联,为后续建立计算机系统架构奠定基础.
随之的专业素养层面实现软硬件程序贯穿,主要包括系统基础、程序设计、数据结构以及算法分析等课程,以程序的生成、执行和优化为核心,形成计算机系统的层次化结构概念,建立计算机系统整机架构,强调软硬件关联与协同.
这里特别值得提出的是重构的“计算机系统基础”课程,根据国外经典教材“深入理解计算机系统”和国内包括北京大学、南京大学、复旦大学等所开设的同类课程并进一步结合我校学生特点开设的.该课程承上启下,按照“从程序设计视角出发,强调软硬件关联与协同,以程序的生成和执行过程为核心,以提高系统性能为目标”的思路组织教学内容,使学生掌握计算机系统各组成部分的工作原理、组成方法及相互关系,理解计算机系统的层次化结构概念,弄清硬件与软件之间的接口界面,建立计算机系统整机概念,为后续课程（如微机原理与接口技术、操作系统、体系结构等）打下坚实基础.
作为第三层的核心能力层面是系统能力培养的重中之重,主要涵盖4门课程,即组成原理、接口技术、操作系统与编译原理,是实现软硬件系统贯通的根本,这些课程与第二层课程之间贯穿融合,如图2所示.
在课程设置上跨时一年半,从大二上学期到大三下学期,涵盖了学生专业学习的黄金时间段.以构建一台功能型计算机为目标,通过在组成原理实验中完成CPU设计,到接口技术实验中支持键盘、显示器等用户接口,从而通过两门硬件课程之间的内在关联完成了冯诺依曼体系结构的五大部件；在此基础上,围绕着上述硬件的体系结构（这里我们采用的是精简指令系统代表的MIPS系统）,进一步通过相应的模拟器设计一个C编译器并要求在编译原理实验中完成.操作系统实验则将MIT的XV6教学操作系统移植到MIPS平台上,具体包括内存管理、文件系统以及处理器管理的多任务执行等,如图3所示.这里我们仍旧把系统基础的实验内容作为重要的支撑,以体现其和操作系统之间的密切联系以及对两大硬件体系结构CISC和RISC的重视.
对于图3中最上层的嵌入式应用课程,则以自主研发的嵌入式平台为基础展开,该平台集成了科研项目实际应用中经常遇到的常见接口电路,为我们后续的创新实验奠定了坚实的基础.
通过上述3层的有效训练,学生已初步具备了处理复杂工程问题的能力.在此基础之上,我们设计了学科拓展层,并将学科优势资源辐射到本科教学中,通过将网络空间安全、航空计算以及智能物联等科研上的课题开放,真正实现了软硬件系统设计到现实的贯通,通过上述主题创新实验,实现了学科拓展并提升了创新能力.
3软硬贯穿、虚实结合的实验实践体系
结合人才培养规律,计算机、信息安全、物联网等技术发展及其工程实际需求,构建了专业基础能力培养实验、工程系统能力培养实验和科研创新能力培养虚拟仿真实验3类软硬融合、软硬协同的虚拟实验平台,形成“软硬兼施、能实不虚、以虚达实”的新型实践教学体系,具体参见图4.
第一,专业基础能力培养实验以专业认知、基础类实验为主体,通过观察和操作,理解计算机软硬件协同工作机制,包括计算思维、系统基础、程序设计、数据结构以及算法设计实验系列.
第二,工程系统能力培养实验以CPU指令设计为起点,贯穿到接口技术、操作系统和编译原理等的实验系统与课程设计,实现了一个功能型计算机、一个操作系统以及一个编译器的核心能力培养链.
第三,科研创新能力培养虚拟仿真实验实现从综合设计到创新研究的提升,建设了3类主题创新：航空计算、网络空间安全和智能家居物联网实验平台,既紧贴我校特色,又紧紧结合学科前沿.
4科教融合、产教结合的多维度协同育人
深化科研成果向教学转化,将科研成果与新型教育教学理念、方式和方法融合,新编和更新5部省部级教材,开设计算机科学与计算科学、漫游网络世界等12门新生研讨课和学科拓展课,自主研制了嵌入式实验和无线通信实验等设备.紧密结合学科发展前沿,贯穿软硬件协同思想,提升学生对专业学习和探索的求知欲；优选软硬结合的科研项目,通过分解凝练,转换成为学生课外科技创新活动的项目,提升学生工程实践能力和团队合作能力.每年支撑院、校、省、国家4级科创项目70余项、250余人次,每年本科生发表论文、申请专利和著作权超过50余项.每年获得各类省部级以上竞赛奖励超过200人次.
校企紧密结合,形成校内训练中心、实践基地合作企业、课程合作企业为一体的校企合作模式.建立了1个校企合作国家级工程实践教育中心和2个省部级实验教学示范中心及12个产学研人才培养基地.通过认知实习、专项工程实践能力训练、生产实习不断线的产教结合,实现学生软硬件协同贯穿、系统能力培养效果的全面提升.
5结语
在分析计算机类专业人才培养面临的社会和技术发展需求基础之上,针对传统计算机类专业人才培养模式的不足,以培养计算机系统能力强的创新人才为目标,创建了四层次递进、软硬件融合贯通的课程体系,实现了逻辑思维层的概念贯通、专业素养层的程序贯通、核心能力层的系统贯通以及学科拓展层的应用贯通.
充分利用虚拟仿真优势,构建了学科专业基础能力培养实验、工程系统能力培养实验和科研创新能力培养虚拟仿真实验3类软硬融合的实验平台,涵盖了软硬协同的认知实验、基础实验、综合设计和创新研究,实现了从强调“程序”设计变为强调“系统”设计,从“使用计算机”到“构建计算机”的质变,实现了学生能力与素质的有机集成.
同时,我们充分发挥了校内和校外各种资源优势,创建了以“学科、科研、企业”为输入,“课堂、教材、新课程、科创、实习”为产出的多维度协同育人模式,形成“大鱼前导,小鱼从游”的研究氛围,培养了学生严谨的科学态度,提高了创新能力,育人效果显著.
人才培养论文范文结:
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2、企业人才管理论文