计算机一体化实验教学改革与探索

全成斌+++郑宁汉+++杨士强

摘 要：信息化社会需要高素质的系统化人才，这对计算机实验教学提出了一体化要求。近年来，清华大学国家级计算机实验教学示范中心积极探索一体化实验教学体系的构建，建设了适用于网络环境的一体化实验教学平台，从计算机系统设计到系统化创新性实践训练，形成了一套行之有效的一体化实验教学体系。

关键词：计算机实验；教学体系；人才培养；一体化

计算机学科具有技术发展快、知识更新快的特点，专业人才培养只有适应技术发展的需要才能有市场竞争力。具有计算机领域完备的软硬件专业知识，在理论研究和工程应用中，能以全局的观念完成整体架构设计，并对系统架构内软硬件之间的关联和协调做出合理安排的人才，我们称之为系统设计人才。这种“既懂软件又懂硬件”的系统分析与设计能力，是计算机专业毕业生区别于信息学科类其他专业毕业生核心竞争力的集中体现。在软件无所不在，可编程、可重构、软互联等思想渗透到系统设计各个层面的时代，如何调动计算机专业学生学习硬件的积极性，并通过实验教学体系和实验平台切实提高学生系统设计能力，是目前各个高校计算机实验教学面临的重要问题。

一、高校计算机实验教学发展历程

20世纪50年代，我国高校开始设立计算机学科[1]。此后，高校计算机实验教学发展大体分为三个阶段。

第一阶段，以计算机组成为主的硬件类课程是本学科核心课程。在当时技术背景下，硬件课的实验都采用分立元器件完成，实验以电子管、晶体管为基础[2]。清华大学计算机系60年代的911电子管计算机和112、724晶体管计算机，70年代DJS-100系列小型机都为人才培养做出过贡献。但是由于纸带输入、磁带存储等外围接口限制，软件技术的发展速度受到严重制约，系统设计和实现主要围绕硬件展开。

高考恢复后，伴随着晶体管技术的发展和微处理器的普及，计算机教学进入了第二个阶段。软件技术开始蓬勃发展，各种系统和外围接口出现。随着计算机科学技术研究水平提高，实验教学也越来越受到重视。清华大学编《数据结构》等教材（包括实验教材）和TEC等系列实验装置在全国高校推广应用。我校在70年代就开设面向全校的“计算机程序设计”等计算机应用课程，《Basic语言程序设计》、《C语言程序设计》等教材和相关实验影响了全国几代人。1998年，清华大学计算机系整合各个教研组的实验室成立了面向计算机专业教育的计算机系教学实验室，为实验中心的建立和发展奠定了基础。这个阶段软件、硬件的实验教学比较均衡，系统类实验教学则处于萌芽状态。

随着“985工程”在高校的实施，计算机实验教学进入了第三个阶段。2004年，清华大学将隶属于计算中心的基础课教学老师合并到计算机系，成立计算机基础教学部，明确了依托学科加强基础课教学的理念，并且重新规划了计算机基础课体系和实验教学体系。在实验平台上，2006年设计出“开放式CPU设计及测试系统”，用于“计算机组成原理”和“计算机系统结构”课程的实验教学，进一步改进了TEC实验装置，推动了学生硬件实践能力和CPU设计能力培养。近几年，高度集成化芯片开始得到大量应用，集群计算、并行计算、云计算等计算技术开始得到广泛应用，这些技术正逐步被应用到实验教学中。信息技术的快速发展，对我国系统软件设计和硬件系统设计人才的需要更加迫切。如何培养软件和硬件两手都过硬的系统类人才，如何构建以硬件为基础的系统化实验教学体系是目前亟需解决的问题。

二、一体化是实验教学改革的钥匙

要建立一套行之有效的计算机系统化教学体系[3]，首先需要调整理论教学的内容，增强理论的系统性，将计算机硬件基础课程与计算机组成与系统结构等硬件核心课程有机结合，将编译原理和操作系统等软件核心课程与硬件类课程紧密绑定到一起，用嵌入式系统将所有核心理论课程综合运用。这样，学生很容易把握各门课程之间紧密的关系，从系统的层面认识所学的各方面知识，硬件理论课之间不再泾渭分明，软件、硬件不再各自为政。

理论教学核心内容融合到一起的同时，需要重新设计和构建新的实验教学体系[4]，以打破原有课程间的界限，实现每个学生都能在改革后的教学过程中做出一套计算机系统。系统的核心CPU由学生自己设计，里面运行着他设计的操作系统和可以评测的软件。

为了打开系统化实验教学体系改革的大门，需要重新构建一体化的计算机实验教学体系，这是直接开启该大门的钥匙。以此为基础，才能培养学生计算机系统创新思维、专业计算机硬件能力、系统设计能力、团队合作能力，才能加强计算机专业学生的计算机软件、硬件理论和训练，使学生能够从系统的角度，深入理解和认识计算机。

三、一体化实验教学体系的构建与实施

计算机学科兼具理论和实践的双重性，也是其学科先进性的支点之一。构建计算机一体化实验教学体系，提升学生的计算机系统实践能力是核心。为了探索网络环境下学生计算机系统能力培养模式，我们从实验设备开发、课程实验设计与考核等多个层面入手，采取了一系列措施，在提高学生动手能力与创新能力方面下工夫，构建了一体化的实验教学体系。

1.一体化实验教学体系

我们首先以系统化为导向，优化计算机硬件课程内容，以计算机硬件为基础，兼顾学生接受知识由浅入深的学习要求，构建了系统化的教学体系。教学体系分为三个层次：计算机基础、计算机原理和计算机系统应用。在计算机硬件核心课程中，硬件基础课为“数字逻辑设计”，计算机原理课程细分为“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程，计算机系统应用课程以“嵌入式系统”为核心课程。与计算机硬件类三个层次相对应，计算机系统软件以数据结构为基础，以编译原理和操作系统为原理核心，在嵌入式系统中将理论知识变成实用的系统。计算机硬件和软件两个维度合成一体，就形成了计算机系统化的教学体系。

为了加强学生系统化能力培养，系统课程方面的教师共同成立了系统教学研究组，将每门理论课程边界清晰化。每门课程都由教学研究小组负责，其中既包含理论课教学教师，也包括实验教学教师。系统教学研究组共同建设实验教学体系，同时发挥个人技术优势，开发一体化实验教学平台，以实现课程之间无缝化，真正达到教学系统化。

我们基于计算机系统化教学体系，采用完全融入式建设方法，构建了一体化的实验教学体系。该体系以一体化实验平台为基础，与系统化教学体系的实施完全同步，伴随着每门课的进行，由基础实验到原理实验，最后落脚在系统实验上。每个层次的实验又细分成基础、综合和创新实验三个细分层次，做到细分层次之间有跨越，总体课程之间无缝隙。学生从基本逻辑门等单元电路开始学习，在有了用分立器件设计简单数字逻辑部件能力后，基于可编程逻辑阵列（FPGA）学习设计大规模集成电路；在计算机原理课程中掌握计算机特定指令集下计算机的组成与设计和多种流水线设计、高速缓存管理控制设计以及多核技术等。这些课程及实验，支持学生从分立器件到部件再到微处理器的设计，以及最后到一个计算机系统的设计，并在自主研发的系统化远程一体化实验平台上实现。在自己设计的计算机硬件系统上，学生将操作系统等核心软件系统课程的知识融会贯通，并在同一个平台上实验完成系统设计。学生通过多门课程的学习，基于一个实验平台，能够设计出一套运行自己设计的操作系统和程序的、包含了软件和硬件的完整的嵌入式系统，构建了计算机软硬件整个系统的知识结构，实现了实验教学的一体化。

2.远程计算机硬件一体化实验平台

在先进的计算机网络技术支撑下，我们基于数字电子技术和计算机硬件技术，梳理出各计算机硬件系列课程实验的相互关系，优化了各课程的实验内容和实验平台，自主研发了适于系统化计算机实验体系的、能够远程操作的、融合现代技术的计算机硬件一体化实验平台[5]。

该平台支持计算机专业学生从逻辑门电路开始设计简单逻辑部件，到计算机组成部件，再到各具特色的计算机系统结构设计，形成了学生自己设计的计算机基本系统。通过运行自己设计的操作系统和程序，最终形成自己的嵌入式系统。

这个先进的一体化实验平台引导学生从基础知识到综合应用，再到研究创新知识，逐步深入学习和实践。学生不必再将过多的精力花在如何操作使用多个硬件实验平台上，在一次学习使用平台后就可以将精力完全放到各门课程的知识点上，进而将各知识点综合起来形成一个系统[6]。

该平台可在网络环境中部署，学生可远程使用实验平台，实现实验设备的24小时服务。同时，该平台基于真实硬件，克服了虚拟演示实验不能反映硬件真实结果的缺点。学生通过网络，在远程硬件实验系统上就能完成各种硬件类实验。为了方便学生调试自己的设计，系统提供软件协议分析仪等远程调试工具，为学生提供远程实验室服务和不断创新设计奠定了基础。

3. 系统设计实践能力培养

计算机教学具有实践性强的特点，通过实验验证、课程设计、专题训练、专业实践等实践活动，提高学生的实践能力、科学作风，加深对理论知识的理解。

一体化实验教学体系的建立，将计算机理论知识在一个平台上充分运用，将多门课程实验无缝连接，软件、硬件融为一体，实现了平台一体化、系统一体化和知识一体化，将学生的系统理解和设计能力、系统设计实践能力都提升到一个新的水平。

一体化实验平台整合了计算机组成原理、操作系统以及编译原理课程实验，形成了计算机系统实验。在这个平台上，学生设计出了自己的32位CPU，并将操作系统课程使用的uCore系统移植到了该CPU上，同时也实现了高级语言编译到该系统的应用程序实验。通过一体化实验平台和实验体系建设，反过来又进一步推动了计算机系统课程体系的改革，增强了对学生计算机系统能力的培养，也为即将开展的大规模在线计算机系统实验教学提供了有力的技术探索和保障。

随着一体化实验教学的不断深入，我校学生的系统设计能力培养效果凸显出来。一位学生在完成了系统结构实验后表示：“一个友好的硬件平台使得我们的调试工作更加方便，在经过对一个CPU系统结构的自主设计实现后，我们感觉能够更清晰地认识一个计算机系统，对于要完成的目标也更加明确。”

显然，计算机系统设计能力培养是我国新时期计算机实验教学培养的主要方向。一体化实验教学体系切实提高了学生的学习效率，取得了良好的教学效果。学生通过这类一体化实验体系的培养，能够完成更多先进的实验，掌握更多、更好、更系统的计算机理论和实践相结合的知识，建立了一体化的计算机知识体系和系统化的创新思维。

四、小结

计算机教学的重心需要放在计算机系统上。要在理论融合的基础上，以系统实验为突破点，建立起一套行之有效的计算机系统化实验教学体系。

我们系统地探索出一套适用于计算机科学与技术学科方向的一体化实验教学体系，建设了基于网络的远程计算机硬件实验一体化平台，有效地将计算机硬件系列课程和核心软件课程的实验进行了整合，更利于学生理解和学习计算机整个系统，为计算机系统教学开拓出了一条创新之路。

参考文献

[1]清华大学计算机科学与技术系. 清华大学计算机科学与技术学科本科专业教育培养体系. 清华大学出版，2011.

[2] 中国科学院计算技术研究所.历史沿革. http：//www.ict.cas.cn/jssgk/lsyg/. 2012.

[3]全成斌，李山山. 美国计算机专业课程体系的调研报告[J].计算机教育，2010（15）.

[4]李山山，全成斌. 美国计算机硬件系列课程与实验的调研报告[J].计算机教育，2010（15）.

[5]全成斌，管晓培，李山山，汤志忠. 计算机硬件实验统一平台设计[J]. 计算机教育，2008（18）.

[6]全成斌，杨士强. 互联网环境中计算机教学实验室定位与思考[J]. 实验技术与管理，2012（8）.

[责任编辑 夏鲁惠]