面向復雜工程問題的計算機人才創新能力培養體系研究

尚鳳軍

摘要：創新是一個國家和一個民族長久保持競爭力的根本，因此建立人才創新能力的課程體系，提高學生的創新能力和實踐能力，是高校的重要職責。文章通過調查研究和深入學習，開展宏觀理論研究。設計出研究生創新創業訓練計劃總體方案；以解決計算機系統復雜工程問題為目標，以培養能夠深入理解并掌握計算機系統核心、具備引導行業發展能力的人才為重點，深化實驗教學改革，加強資源建設和管理，促進教學團隊建設，以適應技術和產業發展對計算機產業人才的需求。

關鍵詞：計算機復雜工程；虛擬仿真；創新能力；課程群；實踐體系

0.引言

計算機科學與技術是一門基礎學科，計算機能力是當代大學生必備的能力之一，建立大學生創新創業教育體系，完善創新型人才培養模式非常重要…。但由于學校的學科優勢、專業特色、課程設置、管理模式等情況各異，實驗室資源條件也各不相同，計算機教育必須應對網絡化時代的挑戰，無論是技術發展、管理手段，還是學習模式變化，都使計算機領域的虛擬仿真實驗教學成為必然。因此，引入虛擬仿真技術解決計算機復雜工程問題具有很高的現實意義和推廣價值。

1.教學內容面向解決系統化工程問題

復雜工程問題需要扎實的專業基礎知識，學校應面向計算機類專業的就業領域進行調研，根據調研的情況修訂培養方案，在修訂過程中把握3條主線，即軟件架構與應用軟件類（包括系統架構、軟件開發等）、硬件應用設計類（包括嵌入式、組成原理等）、數據科學類（包括大數據分析、云計算等）始終貫穿培養方案，如圖1所示為改革后的課程群。應用軟件類第一學期開設c語言程序設計課程；第二學期開設c語言實踐課程；第三學期開設數據結構課程，奠定軟件開發基礎；第四學期開設操作系統、數據庫等，提升軟件開發能力；第五學期開設專業程序設計課程，例如Web程序設計、軟件綜合課程設計等，強化專業應用軟件設計開發能力；第六學期開設智能終端軟件開發和軟件工程等軟件設計課程，提升應用軟件系統創新設計能力；第七學期開設軟件架構與應用開發課程，全方位提升軟件架構設計開發能力，使學生從進入校園到離開校園，應用軟件設計能力連續提高，直至就業。在此過程中，學校應充分利用校企合作，安排學生到企業實習、實訓，以提高學生的軟件開發能力，系統化地培養應用軟件類人才。硬件應用類第一學期開設計算機科學導論課程、第三學期開設數字電路與邏輯設計課程；第四學期開設計算機組織與結構課程；第五學期開設嵌入式系統設計課程，奠定硬件開發基礎；第六學期開設硬件綜合課程設計，提升硬件開發能力。學校要瞄準“互聯網+”，適應行業需求，增設數據科學方向。第一學期開設高等數學及計算機科學導論等課程；二學期開設概率論與數理統計課程；第三學期開設離散數學及數學建模/計算方法等課程；第四學期開設算法分析與設計課程等，奠定數據分析基礎；第五學期開設數據挖掘基礎課程，強化數據利用基礎；第六學期開設大數據分析與處理、云計算與大數據實踐等課程，提升大數據平臺搭建和大數據分析應用能力，使學生從進入校園到離開校園數據分析處理能力連續提高，直至就業。實驗室組建課外科技活動小組，包括嵌入式系統興趣小組、智能終端設計開發小組、網頁制作及組網興趣小組等。

2.課程群建設面向復雜工程設計

我們把數字電路與邏輯設計、計算機組織與結構、操作系統和編譯原理4門專業課構造為計算機系統核心課程群，重構了課程群的知識體系與實驗體系，如圖2所示。

軟件架構方向培養學生系統的軟件設計開發能力。我們將c語言程序設計、數據結構、數據庫原理和軟件工程4門計算機專業課程構造為該方向課程群，如圖3所示。

數據科學方向主要培養大數據科學與工程領域的復合型高級技術人才，畢業生具有信息科學、管理科學和數據科學基礎知識與基本技能，掌握大數據科學所需要的計算機、網絡、數據編碼、數據處理等相關學科的基本理論和基本知識，熟練掌握大數據采集、存儲、處理與分析、傳輸與應用等技術。基于此，我們將概率論與數理統計、離散數學、算法分析與設計和數據挖掘4門計算機專業課程構造為該方向課程群，如圖4所示。

3.引入虛擬仿真模式，建立多位一體的學生實踐能力培養體系

在信息技術網絡化、服務化的演變歷程中，信息服務日益豐富，使計算機軟硬件系統規模不斷增大，復雜性不斷提高，信息安全的形式也日益嚴峻。傳統的基于單機和實物的實驗教學條件難以呈現異構、復雜的網絡環境，難以觸及計算機體系結構（例如cPu設計、多核設計等），難以分析實時、潛在的安全威脅，導致學生理論與實際相脫節，對所學知識缺少系統性認識，在能力上無法適應產業發展對計算機人才的需求。因此，必須引入虛擬仿真實驗技術，解決計算機各學科中的實驗教學問題，完善現有計算機各學科實驗教學體系。應重點開展與網絡、計算機體系結構和信息安全相關的基礎訓練、綜合設計和創新拓展3層次虛擬仿真實驗，并通過隨課實驗、課程設計、專業實踐、畢業設計等環節實施，實驗體系如圖5所示。

4.統一規劃教學內容和教學方法

學生應將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于設計CPU，并能夠在設計環節中體現創新意識。在理順教學內容的基礎上，各課程以完成基本計算機系統設計和實現為教學目標，改進教學方法；在加強原理性知識講解的同時，強化工程化實現方法的訓練，力求學生在系統原理和工程實現方法兩方面均有收獲。

5.統一規劃課程實驗體系

計算機系統能力培養中，實踐占有很大的比重，是學生運用所學知識解決實際計算機系統設計問題的過程，更是檢驗教學效果的重要手段。然而，計算機系統是一個復雜的系統，要讓學生在有限的時間內完成教學和實踐內容，需要我們精心設計教學實驗體系，圍繞教學改革目標設置各課程的階段子目標和相應的實驗內容；完成模塊設計和實現后，再通過綜合實驗來最終集成，形成一個完整的計算機系統設計和實現。在計算機組成原理課程中，我們安排了8個教學實驗，通過精心安排和組織，8個實驗由基礎到全面，由運算器、控制器到CPU設計，構成了一個基本完整的CPU系統。

（1）實驗1（海明碼）和實驗2（乘法器）的目的在于了解和熟悉計算機系統的容錯技術和海明碼原理以及計算機系統的補碼booth乘法器的原理。

（2）實驗3（算數邏輯運算單元）的目的是掌握簡單運算器的數據傳送通路和驗證4位ALU運算器的組合功能。

（3）實驗4（時序部件）的目的是理解計算機控制器中時序控制部件的基本組成和工作原理，掌握啟停邏輯電路、節拍脈沖發生器的工作原理及設計方法，了解啟停邏輯電路、節拍脈沖發生器等電路的結構特點。（4）實驗5（硬布線控制器）的目的是理解指令譯碼器的作用和重要性，學習設計組合邏輯控制器。硬布線控制器的控制信號直接由各種類型的邏輯門和觸發器構成。

（5）實驗6（微程序控制器）的目的是理解微程序控制器的控制原理，進一步掌握指令流程和功能，了解掌握微程序控制器的設計思路和方法。

（6）實驗7和實驗8（CPU設計）要求學生利用已有的計算機組成原理知識以及對計算機系統結構的初步學習，設計一個完整的CPU體系結構（包括指令系統、尋址方式、數據表示、寄存器結構、存儲系統和流水線結構等）。

6.結語

面向系統培養計算機人才的創新能力，設計出適合學生的課程體系和實驗內容是重要的抓手。由于計算機技術涉及面廣，教學和管理團隊的配備應是動態的。應在專業方向、課程群等不同層次的教學團隊中，鼓勵和吸引更多科研水平高、工程能力強的教師深入教學，引入企業資深工程師參與實踐教學，這是提高學生工程實踐能力的重要途徑。