计算机工程实践教学的改革与探索

摘要：本文针对计算机工程实践教学现状，对计算机工程实践教育模式进行改革和探索，提出了自己的教育理念和改革思路，建立了计算机工程实践特有的课程体系。

关键词：计算机；工程实践；课程体系改革

中图分类号：G642　文献标识码：B

最新人力资源调查显示，人才市场急需计算机工程师人才特别是“嵌入式人才”，但是负责人才输出和培养的大专院校近年却出现了重软件轻硬件、重研究轻操作、重理论轻实践的现象，显然无法满足市场对人才的需求。为了解决供需矛盾问题，达到教育部提出的“高等教育要重视培养大学生创新能力、实践能力和创业精神”的要求大专院校除了要培养研究和创新型人才以外，应该注重有大工程观和大系统观，同时具备一定实践能力的高级工程师的培养。

为了提高工程实践教育水平，根据社会和国家建设的需要，清华大学开始建设计算机工程实践教育实验区，以此为契机，我们对计算机工程实践教育模式进行改革和探索。

1 计算机工程实践教育的定位和教育理念

计算机工程实践教育的培养目标是：培养学生接受创新的工程实践意识、严谨的工程实践作风、科学的工程实践素质、优秀的工程实践能力、规范的工程实践标准等方面的教育。依据学校的规划和实施方案，根据教学需要，我们建立了自己的教育理念，内容如下：

(1)面向工程需求的课程体系

计算机的发展推动了计算机学科的进步，计算机的应用提升了各学科的技术水平。实验区面向社会实际工程的不同需求，按照技术基础、工程应用和工程实践，建立多层次的课程体系。

(2)强调理论基础上的实践

计算机教学具有实践性强的特点，实验区给学生提供充足的实践空间，通过实验验证、课程设计、专题训练、专业实践、毕业设计等实践活动，提高学生的实践能力、科学作风，加深对理论知识的理解。数理、电子技术是计算机学科的基础，逻辑思维、抽象思维是计算能力的体现，实验区强调理论指导下实践，实践与理论的结合。

(3)依托科研优势的实践教育

清华大学计算机科学与技术是全国重点学科，拥有高素质的科研队伍和雄厚的科研能力，承担了一系列国家“973”、“863”、“国家自然科学基金”、“国家攻关”等重大和重点项目，取得了多项创新性成果。实验区注意提取科研中的相关知识点，引入到工程实践教学中，以先进的科学问题激励学生的思考。通过实践教学，让学生体验书本与应用、学习与研究、通识与专业、继承与开创的关联。提升工程实践人才的培养水平，努力将实验区建设成为一个科研成果转化和工程实践创新基地。

2　计算机工程实践教育的改革思路

我们深入地分析了国内外院校在计算机教学方面的经验，从教学内容、授课机制、实践教学建设、工程意识与团队精神培养等教学环节和培养目标上看到了我们的不足，并在此基础上明确了近几年内的建设目标。与此同时，我们根据建设和发展的要求，针对人才培养模式提出了如下改革思路：

(1)建设一套完整的工程实践教育体系。计算机学科是实践性、工程性很强的学科，实践环节十分重要。建设技术基础、工程应用和工程实践三个层次的课程体系，自主研制或引进一批与世界一流大学接轨的实践教学装置和仪器，同国内外知名的企业和公司合作建立一批学生工程实践基地。

(2)建立一支优秀的工程实践教师队伍。一堂好的实践课对教师的要求很高，建立一支爱岗敬业、技术精湛、水平高、责任心强的教师队伍十分重要，这是搞好计算机工程实践教育实验区建设、提高实践教学水平的重要保障。工程实践教育实验区在注重培养学校内部教师工程实践能力的同时，将定期邀请一批企业、公司中高素质的工程技术人员讲学、任教。

(3)注意把科研成果引入到工程实践教学中，将计算机工程实践教学区建设成为一个科研转化基地。高水平的科研始终是实践教学的有力支撑和源泉。计算机学科发展很快，必须经常更新工程实践内容，引导学生直接面对科学前沿，应用新技术驾驭新工程，教会学生在实践中学习，在学习中提高。

(4)加强工程实践教育标准化，推出面向工程实践的系列教材。作为工程实践性强的代表学科，计算机学科对工程实践能力的要求非常高，但是近10年对此的要求和教育重视程度有所降低，因此加强工程实践教育尤其是大工程实验方面的教育是我们接下来的重点改革目标，为了更加系统化和规范化，将推出配套的面向工程和实践的系列教材。

3 计算机工程实践教育的课程体系和培养方式

我们设定的计算机工程实践教学课程体系包括三个层次：技术基础类、工程应用类和工程实践类课程，其中工程应用类又分为软件和硬件两个子类(如图1所示)。

(1)技术基础类课程

从课程设置方面看，这些基础课程都属于计算机专业基础课程，是计算机系学生的必修专业基础课。这类课程为学生打下了坚实的计算机应用技术基础，为工程实践技术的应用做好准备。

(2)工程应用类课程

工程应用类课程分为两大系列：软件工程应用系列和硬件工程应用系列课程。软件工程应用系列以计算机网络技术、软件工程、数据挖掘等课程为主体；硬件工程应用系列以计算机组成原理、微计算机技术、嵌入式系统、FPGA设计等课程为主体。这些课程虽然如此分类，但是有很多课程软件和硬件技术都融合在一起，并非有严格的界限划分，学生在学习和选择上也仅做参考。这些课程直接为学生服务，提高学生利用“人类通用智慧工具”分析和解决问题的能力，将计算机科学与技术在工程应用中充分体现出来，提升学生的综合素质和工程应用能力。

(3)工程实践类课程

计算机工程实践类课程包括必修和选修环节，目的是能够将学生培养成为合格的工程师，有创新的工程实践意识、严谨的工程实践作风、科学的工程实践素质、优秀的工程实践能力。此类课程在内容上每年都进行更新，在质量有充分保证的基础上，每年都争取增加和扩大，以提高学生的选择空间。

在三类课程中，实验区重点突出工程实践类课程，并逐年提高此类课程所占的比例，力图将学生训练成在工程实践上有很强自主性和创新能力的专才。以计算机工程实践必修课“计算机专业实践”为例。该课程要求学生在教师指导下，灵活运用所学到的基础知识和主要专业知识，自己设计、制作、调试完成一个工程性极强的大型教学实践课程，使学生在实际动手能力、创新思维、专业知识、工程实践能力和团队合作精神等方面得到全面的训练。主要内容包括“开放式CPU设计与测试”、“多模态身份验证系统”、“足球机器人及机器人足球赛”、“基于FPGA的微机接口设计”等。以“开放式CPU设计与测试”专题为代表，该实践专题的最大优点是开放式设计，完全由学生自主设计处理机体系结构，并进行全面测试。该实践专题以“数字电路”和硬件设计语言为基础，把“计算机组成原理”和“计算机系统结构”等课程理论与实践融合在一起，是计算机本科硬件课程的汇总。

再例如2007年7月夏季学期推出的“基于大规模集群的海量数据处理技术”课程，该课程是Google公司与实验区合作，在清华大学开设的有关集群分布式编程的课程。通过本课程的学习，学生将深入了解到通过大规模集群的模式处理海量数据的方式与编程方法。来自Google公司的优秀工程师亲自讲述有关使用大规模集群处理海量数据的理论知识以及相应的实际编程方法。通过实践相关的课程内容，使用开源的Apache Lucene Hadoop工具，学生亲身实践Google文件系统以及Google所使用的分布式编程方式MapReduce。学生还需要完成特定的分布式应用程序设计来巩固所学的编程知识，用于处理实际的海量数据问题。课程内容的重点放在实践上面，Google公司为学生提供一个具有20个节点的大规模集群范例，学生可以在这个集群上面完成相应的实践课程以及最后的大项目作业。大项目作业是检验学生是否掌握课程内容的关键，学生可以根据自己的能力以及对课程的理解程度，选择一些项目来实践完成。例如可以利用所学的编程方法完成一个完整独立的搜索引擎，或者在现有的基础之上建立类似于Google的分布式锁机制Chubby以及结构化数据处理系统BigTable。我们主要邀请Google内部的具有实际分布式工作经验的工程师前来授课，包括世界一流大学的教师，授课语言为英语。

长期与清华大学计算机工程实践实验区合作的有微软、GOOGLE、INTEL、IBM等国际知名公司，这些公司除了和我们有长期合作项目以外，还定期派多名工程技术工程师来实验区讲课和培训。作为工程实践课程的一个特色，大量聘请外部教授和工程师来实验区讲学和培训已经成为我们大力推广的一种办学方式，我们将努力把这样的课程推广到总体实践课程的1／4以上。

实践项目创新特别是工程实践类项目创新是清华大学始终坚持的原则，实验区力争每年都有新实践项目开设，有新实践平台提供给学生使用，有新的大型工程创新实践环境提供给学生，使学生能够把握计算机技术发展的新动向，具备对全新工程的驾驭能力。