哈爾濱工程大學計算機實驗教學的改革與探索

摘要：本文從教學理念、教學模式、課程體系、教學內容和教學組織、教學方法與手段等方面全面論述了哈爾濱工程大學計算機實驗教學的改革與探索，并提出了今后實驗教學改革的重點內容和目標。

關鍵詞：計算機實驗教學改革；實驗教學體系與內容；教學方法與手段；實驗教學示范中心

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0049-05

1引言

2004年，哈爾濱工程大學(以下簡稱“我校”)啟動了本科教育教學工作“九大體系”、“十大工程”建設項目，其中對實驗課程、實驗教學組織與管理、實驗室建設等內容給出了執行規范和實施辦法，并加大了對實驗教學和實驗室建設的投資力度。趁此東風，計算機科學與技術學院(以下簡稱“我院”)結合多年來在計算機實驗教學方面的堅實積累，啟動了以“加強實踐實驗教學環節，培養創新能力”為核心目標的實驗教學改革。經過“十五”和“十一五”初期的建設，逐漸形成了以“三化結合、六個并舉”為教學理念，“分層遞進教學、強化個性創新”為教學模式的實驗課程教學體系，取得了寶貴的經驗和可喜的成果。

2實驗教學理念

我院高度重視實驗教學，圍繞“加強實踐實驗教學環節，培養創新能力”這一目標，我院提出了“三化結合、六個并舉”的實驗教學理念，將其作為指導實驗教學建設的指導思想。

“三化結合”是實驗教學體系構建的基本思路。“三化”是指軟硬件實驗環境一體化、實驗平臺綜合化和實驗內容系統化。通過“三化”的結合，使學生在完善的實驗環境下系統地完成計算機專業所要求的軟硬件實驗，提高綜合實踐能力，鍛煉創新思維，培養創新意識。

計算機技術的巨大進步和應用需求的迅速提升推動了系統規模的大型化和功能實現的復雜化，這就要求計算機專業的畢業生具有對復雜大系統的分析能力和設計能力，而傳統的教學模式將計算機實驗分成了硬件和軟件兩個系列獨立進行，各行其道。這種單純的硬件(或軟件)實驗不利于學生軟硬件綜合素質的培養，傳統的硬件設計和軟件設計相分離的設計方法已經成為阻礙設計和實現復雜大規模系統的關鍵因素。基于這一認識，以培養學生軟硬件綜合素質為出發點，我院在2004年啟動了以“三化結合”為基本思路的實驗教學的改革和實踐。“軟硬件一體化的實驗環境”有利于培養學生軟硬件綜合素質；“綜合的實驗平臺”可以進行多課程內容交叉的綜合實驗，有利于培養學生的綜合設計能力；實驗內容的系統化有利于培養學生對復雜大規模系統化的分析、設計和實現能力。

“六個并舉”是實驗教學體系實施的指導原則。“六個并舉”是指：師資建設與實驗教學改革并舉，理論教學與實驗教學并舉，課內實驗教學與課外開放實驗并舉，實驗開放與成績評定改革并舉，學科建設與實驗教學中心建設并舉，通識實驗教學與個性化教育并舉。“六個并舉”勾劃出了教學、師資、學科相互促進、協調發展的藍圖，為計算機實驗教學的可持續發展提供了保障。

3實驗教學體系結構

在“三化結合、六個并舉”教學理念的指導下，我院提出了“分層遞進教學、強化個性創新”的實驗教學模式，形成了特色鮮明的實驗教學體系(如圖1所示)。

圖1 計算機實驗教學體系結構

“分層遞進培養”是指：

(1) 根據難易程度，將實驗內容分為普及層次、中層次和高層次三個有遞進關系的層次，不同的實驗項目分屬于不同層次。在完成下一層次實驗項目的基礎上，學生可以進級到高一層次，采用遞進的方式逐步完成所有實驗項目。

(2) 設置通識教育、專業教育和創新教育三個實驗平臺，用以開展這三個層次的實驗教學內容。通識教育平臺對應于計算機基礎實驗，學生科技社團的基本培訓，嵌入式系統、軟件程序設計等普及性講座。專業教育平臺對應專業基礎實驗，課程設計，畢業設計，學生科技社團活動，大學生科研訓練計劃，我校五四杯科技競賽。創新教育平臺對應國家級(國際級)嵌入式系統競賽、ACM/ICPC程序設計大賽及其他國家級(國際級)競賽，自主研發和創新類項目，實際科研項目。

“強化個性創新”是指：

(1) 在各層次實驗項目的教學中，逐步強化學生創新能力的培養，要求每個學生在完成通識教育平臺下的實驗項目基礎上，必須進行與其能力匹配的科技創新實驗項目。

(2) 充分尊重每個學生的個性特點，為有突出能力的學生定制“因材施教”的實驗教學項目。

(3) 對“拔尖”學生實行跟蹤培養，直接參與實際科研項目的研究工作，這些學生畢業后可直接“保研”到科研研究室，繼續他們的科學研究工作。

這種實驗教學體系既保證了培養方案要求的基本實驗項目的完成，又滿足了不同層次學生的需求，培養了學生對各門課程內容綜合應用的能力。更為重要的是，這種實驗教學體系可以極大地增強學生創新意識的培養，特別有助與個性化人才創新實踐能力的激發和培養。實踐表明，這一嘗試已獲得了顯著的效果。經過幾年的努力，培養了一大批具有較強科研與工程實踐能力的學生。近兩年先后有20余名“個性化”培養的學生被保送到國內知名院校攻讀碩士研究生。并有一大批學生獲國家級或省級計算機、信息類大賽獎，為國家及國防工業輸送了一大批高質量人才。

4實驗教學內容與實驗教學組織

計算機實驗教學按課程性質可分為基礎課實驗、計算機專業基礎課實驗和計算機專業課實驗。實驗類型可分為演示型實驗、驗證型實驗、設計型實驗和綜合型實驗。

為達到“加強實踐實驗教學環節，培養創新能力”這一目標，并與“分層遞進教學、強化個性創新”的教學模式相吻合，我院規定實驗內容的選擇要以“減少驗證型實驗，增加設計型、綜合型實驗項目，注重科研和工程實踐能力培養”為原則。

現在，我院面向計算機專業和全校非計算機專業開設36門實驗課程，實驗項目近232項，設計性、綜合性項目占實驗項目總數的95%以上。實驗選題綜合性強，貼近工程實際，有實用價值。

為了培養學生的科研和工程實踐能力，除了教學大綱要求的實驗項目以外，我院還開設了嵌入式“進階”實驗和計算機技術創新實驗，這些實驗的選題和內容選擇均同實際科研、計算機競賽緊密結合。同時，我院通過實施“個性化”培養、計算機技術創新實驗室的開放、支持學生科技活動等一系列措施，使實驗教學的范疇不單純拘泥于教師設定的選題，而是鼓勵“自主學習、獨立創新”，這種學研結合的模式在極大程度上激發了學生的科研攻關和自我創新的意識。此外，中心鼓勵并積極爭取機會使同學們接觸到實際工程中的具體問題，利用課程設計、畢業設計、畢業實習等機會提供非常具有代表性的廣泛的實驗課題與攻關點供學生進行研發。

作為一個特色成果，我院已經形成了以嵌入式技術為主線的一體化的硬件實驗體系。其基本思想是：從第四學期到第七學期，從實驗課程的設置上，保證硬件實驗不斷線并保持遞進關系，從實驗項目的制定上，保證實驗內容的銜接連貫性和一致性。學生通過遞進的方式逐步完成“數字邏輯實驗”、“計算機部件實驗”、“計算機組成實驗”、“微機接口實驗”等一系列的硬件實驗課程，就能夠系統地掌握計算機硬件知識，這無論對其直接就業，還是升入研究生從事科學研究工作都十分有益。通過在多屆學生中的實踐，此體系已經成熟，并顯示出很好的效果。通過這一體系培養的本科生已經在由中國電子學會嵌入式專業委員會主辦的全國“博創杯嵌入式系統大賽”中連續兩年獲得唯一的特等獎，并在全國“英特爾”杯嵌入式系統大賽、我校“五四杯”大賽中取得優異成績。

為使這些實驗教學活動順利開展，我院近年新建、改建、聯建、籌建了一批實驗室，構建了先進的實驗平臺。為便于實驗教學的組織，根據實驗教學的類別，我院將實驗課程分成了7個模塊，分別對應于不同的實驗室(研究室)。模塊的劃分以“同一模塊中的實驗課程可在其對應的一個單獨的實驗室(研究室)中完成”為準則，這樣既便于實驗室的日常管理，也可以提高設備的使用率。各模塊實驗項目與實驗室的對應關系如表1所示。

表1 實驗項目與實驗室（研究室）對應情況

5實驗教學方法與手段

圍繞實驗教學“加強實踐實驗教學環節，培養創新能力”這一目標，經過多年的改革與探索，計算機實驗教學逐漸形成了一些體現新型教育教學理念、行之有效的教學方法與手段。在教學方法上，任課老師選擇切合課程特點、學生特點和自身特點的教學方法，體現了“以學生為主導”的新型的教育教學理念。在教學手段上，我院充分發揮計算機專業在信息技術方面的獨特優勢，大力倡導以現代教育技術、網絡技術、通信技術為基礎的先進教學手段的運用。

(1) 教師指導與學生自主相結合

傳統的實驗教學是以輔導為主，在給定實驗器材，給定實驗電路的前提下，學生搭建電路進行驗證實驗，驗證理論課學習的理論知識。隨著實驗教學改革的不斷深入，特別是為了適應培養創新人才的需要，驗證型實驗已逐漸退出歷史舞臺，綜合設計型實驗已占主體，實驗內容和難度也在逐步提高。學生在設計實驗任務時，會遇到越來越多的問題，特別是理論課程無法交待清楚，甚至沒有相應的理論課支撐的知識。時代的發展和市場的需要求我們改變原來的以輔導為主的實驗教學模式，采取以指導為主的實驗教學模式，指導學生理解相關的理論知識，新的沒有理論課做支撐的知識則采取集中講授以及自我學習的方式，保證學生在實驗理論、實驗方法等方面知識的及時獲取。指導與自主學習相結合的教學方式，加強了教師與學生之間的交流和溝通，使得教與學之間更加融洽，使得學生對相關理論及實驗技能的學習和掌握更加容易，新的符合需要的實驗改革更加便利，實驗教學水平和質量得到提高。

(2) 網絡預約，實驗“三開放”

我院在全校率先實行了實驗室開放，所有實驗室都全天候地對學生全方位的開放，并采取了網上預約選課的開放模式，實現了時間、內容、實驗器材上的“三開放”。為配合實驗室開放，我院組織教師開發了用于實驗室開放的選課系統和門禁系統，學生通過網絡預習實驗內容、預約實驗、刷卡進入實驗室，教師對實驗管理、成績評定、信息發布均通過網絡進行。這一措施的實施對提高實驗室的開放效率起到了至關重要的作用，大大提高了實驗設備的利用率，減輕了由開放而為實驗教師和實驗室管理人員所帶來的負擔，為實驗室的健康有序開放奠定了基礎。

(3) 現代化實驗教學手段的運用

為提高教學質量，各實驗室都配備了多媒體教學系統，所有實驗課程都采用了電子教案授課。同時，為方便實驗室開放、實驗教學管理，我院建立了計算機實驗教學中心網站，開發了實驗室開放教學管理系統，各門實驗課程的CAI課件、電子教案等實驗教學材料均掛在此網站上，學生可以通過網絡下載獲得相應的實驗內容和配套軟件，可以自主的進行實驗的預習和準備。通過此網絡平臺，實驗教師可以與學生開展互動交流、成績管理等教學活動，實驗管理人員也可以實時掌握學生預約及上課情況。

(4) “3+5+2”實驗成績考核方式

由于實驗內容和實驗方法的多樣性，決定了考核方式的多樣化，但總的原則都是使考核方式能真實地反映學生的理論水平和實驗技能水平。從2001年，我院開始在“數字邏輯實驗”、“計算機部件實驗”兩門課中嘗試取消期末筆試和期末實驗操作考試，把學生在每一個實驗環節的表現都作為期末考核的一部分，稱之為“3+5+2新型實驗成績考核方式”，取得了良好的效果。其突出特點在于：

① 突出預習在實驗教學中的作用

實驗教學要求理論與實踐結合特別緊密，所以學生充分理解和掌握相關的理論知識對其實驗設計和實驗操作都是至關重要的，因此預習就成為實驗教學中十分重要的環節。教師通過學生的預習報告了解學生理論知識掌握的情況和完成設計任務的情況，教師根據預習報告反映出的問題，對于共性問題教師在實驗前給予提示性講解，使教與學之間及時充分溝通。通過預習報告反映出的預習成績，占總成績的30%，預習報告作為參加實驗的必要條件，不做預習報告，不得參加實驗，從而使學生重視預習，教師通過預習報告，使實驗指導更有針對性，從而提高了實驗教學質量。

② 強調實驗操作和數據的收集是實驗教學的中心環節

實驗操作和實驗數據的收集是實驗教學的中心環節，其占總成績的50%，不參加此環節的學生，其實驗課成績為不及格。在這個環節中，對學生的動手能力進行全面的考核，包括：是否遵守實驗規則、排布線能力、分析問題解決問題能力、對理論設計的實現能力等。

③ 提出實驗報告應作為實驗教學成果的總結

實驗報告作為實驗教學成果的總結，占總成績20%，反映學生對科學實驗的概括總結能力。

“3+5+2”考核方式增強了教師和學生對實驗課程的重視，提高了實驗教學質量，但給實驗教師實施考核帶來很大的工作量。為解決此問題，中心編制了實驗考核成績軟件，只要把預習報告、實驗報告的成績和實驗過程中每項能力的等級輸入微機，該軟件將自動給出綜合成績。該考核方式通過99、00、01、02級本科生的實踐，取得良好的效果，后續課程教師普遍反映學生的實踐能力有了很大的提高。現在我院經已在所有的專業基礎實驗課中采用了這種考核方式。

6總結

下一步，我院將依托“計算機實驗教學中心”鞏固已有的成果，繼續深化教育教學改革，進一步規范實驗室管理，重點在新的網絡與信息安全實驗室建設、計算機硬件實驗系列教材建設、以“程序設計能力培養”為核心的計算機軟件實驗課程體系建設、以“工程”為核心的軟件工程專業實踐體系建設等方面展開工作，為打造國內一流的實驗環境和師資隊伍、實現“國家級計算機實驗教學示范中心”的建設目標而努力奮斗。

參考文獻

[1] 中國計算機科學與技術學科教程2002研究組. 中國計算機科學與技術學科教程2002.[M] 北京:清華大學出版社， 2002， 8.

[2] 顧國昌， 張國印， 武俊鵬. 計算機科學與技術本科專業硬件實驗教學改革與探索[J]. 第七屆全國計算機系系主任論壇論文集. 北京：清華大學出版社， 2004:72-76.

作者簡介：

張國印(1962-)，男(漢族)，山東黃縣人，教授、博士、博士生導師，哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院教學副院長，中國高等學校計算機教育研究會理事、中國電子學會嵌入式專家委員會委員、黑龍江省計算機學會理事，研究方向：嵌入式系統、智能信息安全。

馬春光(1974-)，男(漢族)，黑龍江雙鴨山人，副教授、博士(后)、碩士生導師，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心副主任、哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院網絡與信息安全教研室主任，中國計算機學會高級會員，研究方向：密碼學、網絡與信息安全。

武俊鵬(1962-)，男(漢族)，副教授，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心副主任，研究方向：實驗室管理、計算機系統結構。

武朋(1974-)，女(漢族)，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心實驗師，研究方向：實驗室管理、網絡與信息安全。

聯系人：馬春光，電話：0451-82519605(辦)，13089999802(手機)

通信地址：哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院網絡與信息安全教研室 150001

基金項目：黑龍江省新世紀高等教育教學改革工程項目