基于大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系研究

吳 磊，張永梅

（北方工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100144）

1 問題的提出

IC行業(yè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)重要特點(diǎn)，試錯(cuò)成本高和排錯(cuò)難度大。試錯(cuò)周期長需要邏輯嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作態(tài)度，排錯(cuò)難度大需要一套科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，對IC人員的素質(zhì)要求極高。這兩方面恰恰是我國計(jì)算機(jī)高等教育的軟肋——過分重視知識(shí)的傳授，對復(fù)雜工程規(guī)模的實(shí)驗(yàn)重視不夠，暴露了我國高校計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系存在的認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)思想問題，存在著急功近利的理念，表現(xiàn)在：①學(xué)生實(shí)驗(yàn)只看結(jié)果，對調(diào)試、仿真、測試驗(yàn)證過程不重視；課程設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)偏簡單和容易，未達(dá)到復(fù)雜工程規(guī)模等級。②雖然部分頂尖高校開展了基于遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)體系的實(shí)驗(yàn)，但是沒有融入大數(shù)據(jù)，因此，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的分析尚不個(gè)性化和科學(xué)化。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系這兩方面的差距，必然導(dǎo)致培養(yǎng)結(jié)果的差距。其實(shí)國內(nèi)高校一直試圖進(jìn)行改革，只是我國重視的程度和改革的步伐沒能跟上當(dāng)今計(jì)算機(jī)科技快速發(fā)展的步伐，沒有太大改進(jìn)[1]。

2 基于遠(yuǎn)程云端的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系架構(gòu)

目前美國、英國、德國、西班牙、法國等國，國內(nèi)國防科大、清華、北航、浙大、哈工大、東南大學(xué)等的數(shù)字邏輯、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)大部分是基于FPGA的硬件試驗(yàn)箱（板，卡）進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 用戶端 —硬件試驗(yàn)箱（板，卡）—云端（服務(wù)器）

首先，用戶需在計(jì)算機(jī)（iPad、智能手機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)）上安裝系統(tǒng)的客戶端軟件。學(xué)生既可以在學(xué)生試驗(yàn)區(qū)，又可以在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)區(qū)；用硬件描述語言編寫設(shè)計(jì)數(shù)字電路的程序，在自己的本地計(jì)算機(jī)上的集成軟件環(huán)境下調(diào)試、仿真、測試。通過遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成基于FPGA平臺(tái)的絕大部分計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)。

仿真和測試通過后，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)區(qū)的學(xué)生以及學(xué)生試驗(yàn)區(qū)的學(xué)生都是通過交換機(jī)，將測試通過的設(shè)計(jì)電路程序下載到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)區(qū)中的FPGA上。

硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備根據(jù)學(xué)生終端的命令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)操作，運(yùn)行設(shè)計(jì)電路的程序，在FPGA上進(jìn)行真實(shí)的硬件環(huán)境下的測試和驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后，通過交換機(jī)將相關(guān)信息發(fā)回給學(xué)生，從而完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過動(dòng)畫畫面可以看到設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)的電路功能，可身臨其境地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。所有的實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源通過遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)區(qū)存放在云端（服務(wù)器）上，借助云端（服務(wù)器）的高性能服務(wù)，保障平臺(tái)平穩(wěn)高效地運(yùn)行。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致，學(xué)生能夠獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，不必去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，這樣不僅方便學(xué)生，還能夠節(jié)約學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室資源，使學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。

教師通過教學(xué)演示區(qū)，借助交換機(jī)接入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)區(qū)后，可以有效管理、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，從而可以有針對性地對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。學(xué)生試驗(yàn)區(qū)、遠(yuǎn)程試驗(yàn)區(qū)和教學(xué)演示區(qū)中的用戶可以互相交互。學(xué)生可以在學(xué)生試驗(yàn)區(qū)與遠(yuǎn)程試驗(yàn)區(qū)中的學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1架構(gòu)不足的是未能將大數(shù)據(jù)融入基于遠(yuǎn)程云端的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系中[2-5]。用大數(shù)據(jù)對學(xué)生在遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)行為進(jìn)行研究，需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析并可視化地表達(dá)經(jīng)過信息處理后所得出的數(shù)據(jù)圖表。學(xué)生在終端發(fā)送的命令表征著學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為和實(shí)驗(yàn)過程，對學(xué)生在終端發(fā)送的命令進(jìn)行適時(shí)、完整的搜集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，建立數(shù)學(xué)模型，分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)成效，力圖完善和充實(shí)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系，以便形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)鏈。

大數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)，這是國內(nèi)外教育發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求和未來趨勢。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系對大數(shù)據(jù)具有旺盛的應(yīng)用需求和廣闊的應(yīng)用前景。

3 實(shí)驗(yàn)全過程以大數(shù)據(jù)分析為中心

以大數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系的模式如圖2所示。這種模式以大數(shù)據(jù)為中心，大數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)鏈中的8個(gè)部分始終處于信息交互的過程中，同時(shí)大數(shù)據(jù)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行適時(shí)數(shù)據(jù)匯集和分析。

考慮采動(dòng)影響和瓦斯耦合作用的應(yīng)力包裹體煤體的受力情況，結(jié)合煤與瓦斯壓出等動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生后煤體破壞形成的孔洞結(jié)構(gòu)，在獲得含應(yīng)力包裹體煤體應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，分析煤體動(dòng)力發(fā)生現(xiàn)象。采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則來判定含應(yīng)力包裹體瓦斯煤體是否破壞及破裂方向。

圖2 以大數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系模式

（1）完整匯集每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的真實(shí)數(shù)據(jù)，包括做每個(gè)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和花費(fèi)的時(shí)間，調(diào)試和仿真次數(shù)；試錯(cuò)過程，逐步迭代次數(shù)；調(diào)試中出現(xiàn)的錯(cuò)誤類型是程序語句錯(cuò)誤，還是程序語法錯(cuò)誤，是程序的邏輯問題，還是實(shí)驗(yàn)方案的完整性和可行性的問題。利用大數(shù)據(jù)對每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中分析與解決問題的能力進(jìn)行分析，為每個(gè)學(xué)生繪制個(gè)性化學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰D，打破“一個(gè)尺寸適合所有人”的同質(zhì)性。準(zhǔn)確把握每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)軌跡，同時(shí)可追溯每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)軌跡。

（2）當(dāng)某個(gè)學(xué)生做某個(gè)實(shí)驗(yàn)題目踟躕不前時(shí)，可以推測學(xué)生不能夠做什么，系統(tǒng)就應(yīng)及時(shí)推送同一類型不同難度的實(shí)驗(yàn)題目，直到該學(xué)生實(shí)驗(yàn)通過和掌握為止；然后，推出后面的實(shí)驗(yàn)題目，以更加彈性的方式配合學(xué)生個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的要求，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（3）研究計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系的特征，通過大數(shù)據(jù)采集每一名學(xué)生做每一個(gè)實(shí)驗(yàn)情況的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以儀表盤的形式顯示各種數(shù)據(jù)圖表，讓學(xué)生隱性地實(shí)驗(yàn)調(diào)試，仿真及測試，下載測試過程顯性化顯示；可直觀地看到學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和遇到的問題及解決方法，使個(gè)性化實(shí)驗(yàn)成為可能。

（4）通過大數(shù)據(jù)對每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中分析與解決問題的能力進(jìn)行分析，一方面獲取實(shí)驗(yàn)題目的難易程度，另一方面獲取實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜工程規(guī)模的關(guān)系，從而比較科學(xué)地設(shè)置實(shí)驗(yàn)題目及實(shí)驗(yàn)題目之間的梯度，使實(shí)驗(yàn)題目與解決“復(fù)雜工程問題能力”的培養(yǎng)緊密聯(lián)系起來，將學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘糜谝粋€(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境中。

（5）這個(gè)實(shí)驗(yàn)體系具備“閉環(huán)”特征，即通過大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)題目的難易程度以及實(shí)驗(yàn)題目與難易程度的因果關(guān)系，通過調(diào)控功能調(diào)整實(shí)驗(yàn)題目。

（6）這個(gè)實(shí)驗(yàn)體系是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程。它具有持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)如下功能：能夠持續(xù)地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，以保障實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)要求相符合；能夠持續(xù)地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)要求，以保障實(shí)驗(yàn)要求始終與培養(yǎng)目標(biāo)相符合；能夠持續(xù)地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，以保障其始終與畢業(yè)要求相符合。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)體系體現(xiàn)了通過大數(shù)據(jù)適時(shí)全面采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷反饋為驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程的持續(xù)改進(jìn)，以解決“復(fù)雜工程問題能力”為目標(biāo)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)體系并沒有一個(gè)固定的模式，必須經(jīng)由幾輪的實(shí)踐并加以調(diào)節(jié)從而達(dá)到最好的效果[6-7]。

4 確定實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練的關(guān)系

由于計(jì)算機(jī)硬件各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目針對的訓(xùn)練目的不一樣，因此需要把復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分解，以便將實(shí)驗(yàn)逐步深入，使實(shí)驗(yàn)的知識(shí)含量和復(fù)雜程度從一個(gè)水平引導(dǎo)到另一個(gè)新的更高的水平；或者說，根據(jù)不同的層次和目標(biāo)進(jìn)行不同層次和不同目標(biāo)實(shí)踐能力的訓(xùn)練，最終接近和達(dá)到具有一定的復(fù)雜工程規(guī)模。

以大數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系的模式中匯集了細(xì)粒度的過程性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，可以用大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練的關(guān)系，精確量化實(shí)驗(yàn)題目與復(fù)雜工程規(guī)模實(shí)驗(yàn)效果的映射關(guān)系，持續(xù)改進(jìn)基于大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系方案。

為了實(shí)現(xiàn)以大數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系，需要首先建立實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練的體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這個(gè)體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)“基礎(chǔ)、綜合、工程”三維實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，突出培養(yǎng)能力本位的實(shí)驗(yàn)主旨，以解決“復(fù)雜工程問題能力”為目標(biāo)。這個(gè)體系結(jié)構(gòu)各個(gè)層次之間的邏輯關(guān)系與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的映射關(guān)系如下。

圖3 實(shí)驗(yàn)題目與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練的體系結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)置與基礎(chǔ)實(shí)踐能力培養(yǎng)緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)題目，側(cè)重于熟練運(yùn)用復(fù)雜工具軟件和硬件描述語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的能力訓(xùn)練，讓學(xué)生體驗(yàn)軟件開發(fā)方法的內(nèi)涵和應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)調(diào)試、仿真、測試、驗(yàn)證等一整套完整實(shí)驗(yàn)過程的熟練掌握和靈活應(yīng)用，即“磨刀不誤砍柴工”，設(shè)定明確的訓(xùn)練目標(biāo)，往往是成功的一半。

（2）設(shè)置與綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)題目，強(qiáng)化工程化方法設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，掌握完整的工程化設(shè)計(jì)方法和步驟，并應(yīng)用于綜合性程序設(shè)計(jì)的過程中。充分考慮課程間的可融性，滲透多個(gè)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并突出綜合性項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

（3）設(shè)置與工程實(shí)踐能力培養(yǎng)緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)題目，完成具有一定復(fù)雜工程規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，掌握完整的實(shí)驗(yàn)方法和步驟。能夠初步領(lǐng)略采用工程方法針對“復(fù)雜工程問題”進(jìn)行分析、編程、調(diào)試、模擬和下載驗(yàn)證的整個(gè)流程以及解決“復(fù)雜工程問題”的途徑。

（4）運(yùn)用大數(shù)據(jù)，分析并確立實(shí)驗(yàn)題目與復(fù)雜工程規(guī)模的關(guān)系。由此，教師可以不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c策略，分析實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)方法的有效性，及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)題目，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，提高實(shí)驗(yàn)達(dá)成度。

5 具體實(shí)施方案和措施

（1）首先，根據(jù)圖4所示的將大數(shù)據(jù)融入遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系中的實(shí)施措施，研究并設(shè)置實(shí)驗(yàn)實(shí)施框架方案，按照不同的復(fù)雜工程規(guī)模，教師編寫不同類型、不同層次和不同難度的實(shí)驗(yàn)程序，依次進(jìn)行調(diào)試；然后進(jìn)行仿真和測試；最后下載到試驗(yàn)箱中進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，分析實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，確定實(shí)驗(yàn)題目，編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

圖4 將大數(shù)據(jù)融入遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系中的實(shí)施措施

（2）按照實(shí)驗(yàn)題目要求，學(xué)生編寫程序，依次進(jìn)行調(diào)試、仿真和測試，最后下載到試驗(yàn)箱中進(jìn)行驗(yàn)證。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自我反思以培養(yǎng)探究與創(chuàng)新等能力。

（3）全程記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況；運(yùn)用大數(shù)據(jù)，分析、評估并確立實(shí)驗(yàn)題目與復(fù)雜工程規(guī)模的因果關(guān)系，學(xué)生實(shí)驗(yàn)達(dá)成度；持續(xù)調(diào)整復(fù)雜工程規(guī)模，及時(shí)調(diào)整和充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)體系，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量不斷提升。

（4）將復(fù)雜工程規(guī)模控制在大部分學(xué)生可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜工程規(guī)模增加時(shí)，教師應(yīng)加大指導(dǎo)力度和有效引導(dǎo)。貴在引路，妙在開竅。不在全盤授予，而在相機(jī)誘導(dǎo)，逐步提高復(fù)雜工程規(guī)模。

（5）工程化方法是解決復(fù)雜工程規(guī)模的技術(shù)手段，引入工程化方法，利用大數(shù)據(jù)分析并評估：①如何解決由于復(fù)雜工程規(guī)模增大而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)難度增加問題；②探索有效降低復(fù)雜度的工程化方法，即將復(fù)雜工程規(guī)模系統(tǒng)的一次性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，分解為重復(fù)性的但難度有所降低的子系統(tǒng)，從而將全系統(tǒng)復(fù)雜度較好地控制在子系統(tǒng)復(fù)雜程度上[8-10]。

6 結(jié)語

通過全程完整匯集學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)，用大數(shù)據(jù)分析學(xué)生做每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的情況，進(jìn)而分析與研究實(shí)驗(yàn)題目與復(fù)雜工程規(guī)模的關(guān)系。將大數(shù)據(jù)融入遠(yuǎn)程云端計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)體系中，可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)發(fā)生以下幾方面的重要轉(zhuǎn)變。

（1）實(shí)驗(yàn)過程從“非量化”到“可量化”，實(shí)驗(yàn)的行為信息將精確地被記錄下來。

（2）實(shí)驗(yàn)題目的確定從“經(jīng)驗(yàn)化”到“科學(xué)化”，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)題目的確定將科學(xué)化。

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綇摹按蟊娀钡健皞€(gè)性化”，大數(shù)據(jù)賦予教師認(rèn)識(shí)每個(gè)“真實(shí)”學(xué)生的能力，從而實(shí)現(xiàn)因材施教。

（4）實(shí)驗(yàn)管理從“不可見”到“可視化”，通過可視化技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更直觀、更準(zhǔn)確、更高效的教育資源與業(yè)務(wù)管理。