计算机专业实验教学体系探索

文章编号：1672-5913(2008)10-0019-02

摘要：本文根据我院的教学实践，从基础实验、硬件实验、软件实验和课外实践等四个方面对计算机专业实验教学体系进行了探索。

关键词：实验教学体系；计算机专业；课外实践

中图分类号：G642

文献标识码：B

计算机专业实验教学质量的高低直接影响到人才培养的质量。实验课时紧张表面上是学时安排的问题，但是实际上与实验教学的体系密切相关。高质量的实验设计，综合性和创新的实现，都需要对实验体系加以梳理。本文试图从教学实际出发，对计算机专业实验教学体系进行探索。

浙江大学计算机学院根据学校的人才培养目标，结合学院实际，改革、探索实验教学的新体系。以系统论的观点，按照培养基础、训练技能、研究创新三层次，以专业人才培养计划、实验课程的教学目的为依据，按学科、专业大类进行实验教学内容整体优化。

1目前计算机专业实验教学存在的问题

国内各重点大学的计算机学院和软件学院的多门课程虽然较早就选用了国外的原版教材，课程体系也基本使用CC2001，但这些不同课程的教材来自国外不同的大学，各教材之间内容往往衔接不好。随着课时的压缩，各门课程在教学内容的覆盖面与深度要求上的矛盾更为突出，课程间更需要合理安排教学内容，注意内容和进度的合理衔接。一方面，每门课都觉得要讲的内容很多而因学时关系只能放弃一些原本应该涵盖的内容；另一方面又因为多门实验课程各自为政、内容重叠而占用了有限的学时。因此从培养计算机高级设计人才的目标出发，按教学系统性、先进性、强调技能培养的要求，进行实验教学体系教学改革也是迫在眉睫。

传统的计算机实验教学体系从属于理论教学，开设的实验教学完全是验证理论性的实验，学生往往不能深入了解实验的机理；对应用平台、硬件器件的变化无所适从，起不到培养学生综合运用所学知识和解决问题的能力，达不到开发学生创新能力和培养应用开发能力的目的。因此我们需要知识和能力并重的实验教学体系。集成电路技术和计算机辅助电路设计(EDA)技术的发展，尤其是计算机电路在逻辑层的设计和FPGA上的实现，借助于辅助软件工具，已经比较方便。这样的技术条件和实现背景，为硬件设计科研和教学提供了坚实的底层支持。

2计算机实验教学体系的改革和探索

计算机实验教学体系分四个环节：基础实验教学、硬件实验教学、软件实验教学、课外实践活动。

2.1基础实验教学

基础实验教学主要包括三门核心课程，“C程序设计基础及实验”、“数据结构与算法”、“面向对象技术”。这三门课是计算机课程体系中最基本、但也是分量最重的课程。主要强化基本能力的训练。通过计算机自动考试系统和大作业训练，强化学生程序设计的基本功。

强化“实践”是提高大学生程序设计能力的必要手段。在基础实验教学中，通过多层次的编程训练和编程上机考试，并将日常教学过程与考核相结合，强化实践，促进自主学习。设计“2类训练/3种作业”供学生练习编程，即基本训练(涉及自测作业、主题作业)和综合训练(即大型作业)，规定基本要求，鼓励多学多练，尤其鼓励优秀学生分组合作完成大型作业。在大型作业中，学生自己选题，围绕要解决的问题，查阅、自学相关资料，进行分析、研究和设计，组内分工合作完成，最后分组公开答辩评分。这些类型的编程训练系统地帮助学生从知识点、内容主线和应用面3个层次上逐步提高编程能力。

对于以编程为基础的实验环境，开发和使用一系列网络化辅助教学平台，包括课程学习平台，作业平台和考试平台，辅以配套的教学资源，构建了良好的网络教学环境。使用作业平台，完成自测作业和部分主题作业的发布、提交、自动批改和统计分析。我们还采用了能自动组卷和评分的考试平台。自1997级起，已有10届近4万名学生使用该系统考试。通过自动化流程减少机械性的简单编程判断工作，实验教师可以把更多的精力放在和教师配合出题以及教学效果的分析方面。

在基本训练类作业中，需要提供丰富的编程习题，并提供网上自动评判系统，供学生随时对学习效果进行及时科学的评价。不同水平的学生在这样的氛围中均有自己的发展空间，并逐渐成长为能用科学的方法主动探求知识、充分发展个性的学习的主人。同时我们还为学生提供丰富的网上学习资源，学生根据自身水平和兴趣，自主安排学习活动。例如，大型作业往往涉及许多课堂教学未讲授的内容，学生就通过教师提供的参考资料自学掌握

2.2硬件实验教学

硬件实验教学主要包括三门核心课程“逻辑与计算机设计基础”、“计算机组成”、“计算机体系结构”以及两门专业课程“汇编程序设计与接口原理”和“嵌入式系统”，着重培养学生硬件系统设计和实现能力。

从“逻辑与计算机设计基础”课程实验开始，首先学习分立元件和小规模集成电路的使用，同时配套学习各种实际仪器的使用，目的是让学生将数字逻辑与实际电路联系起来。在完成相应动手实验后，再学习硬件描述语言Verilog，让学生将实际实际电路和硬件描述语言对应联系起来。同时配套学习各种软件调试工具，掌握各种虚拟仪器的使用。这时教学和实验重点放在器件设计这一级，要求学生能够用Verilog设计组合电路(译码器、编码器、多选一多路转换器、运算器、ALU电路等)、时序电路设计(触发器、锁存器、各类寄存器、时钟和定时等)以及半导体存储器等。实验设计完成的基本器件可以直接为后续《计算机组成》课程实验所用。

“计算机组成”课程实验重点放在部件设计这一级。由于先修课程“逻辑与计算机设计基础”的良好基础和连贯性，可以利用前面设计的器件组成部件。最大限度地利用有限的教学和实验学时，不会使学生负担过重，更主要的是可以加深对前面课程的理解，要求学生能够用Verilog设计单周期和多周期实现的简单(十几条指令)的32位RISC CPU，并写一段使有这些指令的测试程序，利用相应的汇编语言及其编译程序，翻译成二进制代码，并能将CPU软核和测试程序代码写入FPGA开发板，进行实际测试和验证。

后面的“计算机体系结构”课程主要完成前面设计的计算机的流水线设计，要求学生能够用Verilog设计流水线实现的简单(十几条指令)的32位RISC CPU，并能写入FPGA做测试验证。以后还可以逐步增加实验内容，如：进一步增加中断处理功能，Cache设计实现等。与原来的教学方案(软件模拟实现流水线)相比，学生可以有更强的硬件设计训练，对于教学内容的理解也更加深刻，实验水平有较大程度的提高。这也是一些国外著名高校的计算机本科学生学习计算机体系结构课程的要求。由于有前两门课程的基础，我们就可以在非常有限的实验学时(16学时)内完成较高的实验要求。

再利用FPGA板卡，学习一些常用的输入输出设备接口设计方法。如：键盘、鼠标、USB口等等，扩展前面设计的计算机的接口。然后在“嵌入式系统”课程里面增加嵌入式系统设计内容，和“操作系统”课程结合，为自己设计的系统装上Linux。

2.3软件实验教学

软件实验教学着重于学生系统设计与分析能力以及软件开发过程训练，分软件技术和软件工程两个环节。

软件技术实验课程主要包括核心课程如“操作系统”、“数据库原理”、“编译原理”等实验。这几门课是计算机软件课程体系中分量最重的课程。

操作系统是计算机最基础的系统软件，与软件、硬件均密切关联，是所有软件中最复杂的。这种高度复杂性给《操作系统》课程的教学带来了高难度。学生只有通过操作系统实验，才能真正掌握操作系统的原理知识，逐步理解和掌握操作系统设计的思想和方法，解决实际问题。

浙江大学计算机学院是国内最早接触Linux的机构之一，也最早将Linux介绍给学生。在操作系统实验教学时，并不拘泥于操作系统原理的书本内容的验证，而是紧紧结合Linux内核，将Linux作为实例来分析，诠释操作系统原理中抽象的概念、算法和理论。以Linux系统为基点，将操作系统的进程、调度、同步、虚拟存储、换页、文件系统、系统调用、设备驱动等等分散、枯燥的知识点，还原为一个整体。这不但加深了本科生对于操作系统原理的理解，而且开始逐步熟悉了Linux技术。

“数据库系统原理”的实验教学要求学生实现一个完整的数据库系统。“编译原理”的实验教学要求学生实现一个完整的计算机语言的编译系统。

软件工程实验课程主要包括“软件工程基础”、“软件文档写作”、“项目管理与案例分析”、“软件过程管理(CMM)”、“系统程序设计”、“软件体系结构”、“软件需求工程”、“软件质量保证与测试”、“统一建模语言”、“J2EE/.NET平台技术”共十门课程。

在软件工程实验课程中将这些涉及软件工程全过程的实验课程前后衔接，强调实验的系统性和连贯性，学会软件开发生命周期管理和组织。

学生要分组合作完成一个从软件需求到设计、管理、实现等包含软件工程方法全过程的实际项目。每个小组模拟组成一个项目组，设一位组长担任项目经理的角色，其他组员按分工分别担任不同的角色，在项目完成过程中起不同的作用。根据项目的进展，在每个环节由指导教师进行分析和评价，给出成绩。最终考核以组为单位进行项目验收，由“项目经理”负责验收时的答辩，对组内不同角色考核时按不同比重给予成绩。这不但培养了学生的学习兴趣、检验了专业知识的掌握运用，同时还培养了学生的组织能力、团队合作精神和领导才能，有效地提高了工程实践教学效果。

2.4课外实践

仅仅靠实验室有限的题目并不能给优秀学生挑战的激情，必须让优秀学生直接面对高手一决高低。学科比赛和科技竞赛是体现学生学习能力和检验知识应用能力的重要手段，许多比赛同时还是培养、展示学生创新意识、创造能力和创业精神的重要平台。各种竞赛激发学生挑战高手的激情，真正培养学生创世界一流的能力。

实施“项目实训”教学，聘请企业专家，组织与指导学生模拟企业环境进行项目开发，给学生带来了真实的企业研发的环境和流程，为学生参加企业实习做好准备。

3总结

理念的创新是推动教学管理创新的先导。一种先进的理念，不仅决定一种思维方式和决策行为，往往还会形成一种先进的工作方式和管理模式。改革传统教学管理观念与模式，构建适应我国高等教育实际、面向创新的实验教学体系是十分必要的。

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