0 引 言
计算机专业的系统能力是指能够在系统高度考虑和解决计算机应用问题的能力，具有系统层面的认知和设计能力。教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会（以下简称“教指委”）非常重视并开展了大量系统能力培养的研究与推广工作。计算机系统能力培养已成为国内外计算机教学的重点任务之一[1-7]。在稳定性和可靠性要求更高的通信、军事等领域，国产芯片还有较大差距，核心技术受制于人是我们最大的隐患。培养具备计算机系统能力的计算机专业人才有了更高的要求，要求理论与实践兼顾，踏实肯干与自主创新并重。
1 传统实验教学体系难以支持面向计算机系统能力培养要求的原因分析
（1）实验平台不统一。面向计算机系统能力培养涵盖的系列课程应包括数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系机构、汇编语言、编译原理、操作系统等。系列课程开设实验课的实验平台不统一，使得学生在每学一门课程时都需要花精力熟悉新的实验平台，实验平台的差异导致学生只能专注于当前课程的理解，不利于学生将各单元知识联系起来，降低了学生对知识的系统性和全面性的理解。
（2）实验内容缺乏连贯性。计算机系统层次机构从低到高依次为数字逻辑→计算机组成原理→计算机系统结构→汇编语言→操作系统→编译原理→高级语言程序设计。然而，由于课时有限，有的课程没有实验课时，导致学生在实践操作环节存在一定的“脱节”。此外，系列课程的实验内容相对独立，各课程实验项目主要为理解该门课程而设立。学生在完成某一门课程实验时只能专注于该门课程的学习，很难将系列课程的内容联系起来，因而缺失了对计算机系统单元知识关联性、层次性的深入理解，导致部分学生在硬件综合设计时不能整合前后课程的知识来设计完整的计算机系统。
（3）实验项目固定并且缺乏设计性。课程实验要求学生完成相同的实验项目，不利于激发不同能力水平的学生的挑战性和创新性。验证性的实验项目比例较大，很多学生“按部就班”完成实验后就“交差”了，甚至有少部分学生觉得学了没用，产生了“不挂科就行”的消极想法，很难激发学生的学习兴趣和学以致用的潜能，远远背离了计算机系统能力培养目标。
（4）学时不够，辅导不充分。由于本科学分压缩，理论及实验学时不足。计算机系统知识面广，现有的实验学时数很难让学生充分掌握全面的系统知识。硬件课程实验过程相对比较枯燥，学生遇到包括硬件设备、开发工具、程序编写等问题比较多，经常有部分学生的问题不能及时得到解决，导致学生的动手兴趣减弱。
2 面向计算机系统能力培养的开放式实验教学体系建设基本措施
2.1 面向系统能力培养的实验框架设计
确定面向计算机系统能力培养的统一目标：复杂系统的设计与开发，设计和实现完整的计算机系统，包括流水线作业的CPU、I/O总线、MIPS 32指令集架构。课程之间特别是实验环节进行协同，系列课程均围绕统一目标安排实验。面向系统能力培养的实验框架设计如图1所示，以数字逻辑、计算机组成与结构和硬件综合设计3门课程为面向计算机系统能力培养的实验载体，学生在大二年级上学期通过数字逻辑课程的理论与实验环节，培养学生硬件编程及FPGA应用开发能力，能完成各种部件级电路设计，为后续课程的学习打下坚实的基础。在大二年级下学期计算机组成与结构课程的理论和实验环节有机融合计算机组成原理、计算机体系结构、汇编语言等课程知识点，安排相关实验项目，培养学生计算机系统设计能力，能自主设计简单完整的CPU系统。在大三年级下学期硬件综合设计课程的理论和实验环节融入操作系统及编译原理知识点和相关实验项目，培养学生计算机高级体系结构设计能力，能自主设计具有流水线作业的CPU系统。
2.2 面向系统能力培养的实验内容设计
（1）实验内容具有贯穿性，面向系统能力培养的实验内容设计上不仅考虑各单元知识的掌握，更强调各单元知识之间的衔接。数字逻辑实验课是计算机专业学生最先接触的硬件编程实验课。在学习利用Verilog HDL进行硬件编程时，必须强调硬件编程与软件编程的区别，培养良好的硬件编程代码风格及设计能力。数字逻辑实验内容不仅包括传统的逻辑器件如选择器、译码器、编码器、计时/定时器、触发器、寄存器、存储器、有限状态机的设计，还包括I/O接口实验，如7段数码管、键盘输入、VGA显示控制等，还增加了加减法器、寄存器堆、分频器的设计实验，并封装成IP核，可在后续实验中直接调用。在计算机组成与结构实验中有机融合计算机组成原理、汇编语言、计算机体系结构知识点，培养学生设计自己的CPU系统，利用汇编语言编写程序，再利用汇编器生成指令代码在自己的CPU系统上运行。在硬件综合设计实验中有机融合计算机体系结构、操作系统、编译原理知识点能设计实现5级流水线的CPU系统，并能运行Linux内核，用高级语言编写程序，通过编译和汇编生成指令代码在自己的CPU系统上运行。
（2）增加设计型实验项目。验证型实验项目主要为实验平台的熟悉和简单的逻辑单元验证，会给出详细的实验指导书。设计型实验项目不会给出具体实验指导书，而是由学生根据逻辑功能及要求自己设计实现。综合应用型实验项目为具有实用性的功能模块设计。在数字逻辑实验中增加了如节日彩灯、数字钟、交通灯控制器、VGA显示控制器、密码锁、电梯控制器等小型数字系统设计。开放型实验项目则不做任何要求，让学生自拟题目及要求并完成实现，充分发挥学生想象力及学以致用的能力。
（3）增加实验项目数，并将实验项目进行难易度量化区分。学生不再是完成相同的实验项目，而是从一系列难度不同的实验项目中自主选择作为实验考核项目，不同难度对应不同的最高可得成绩。能力强或兴趣更大的学生会选择难度大的实验项目。能力弱或不感兴趣的学生则选择难度小的实验项目作为考核项目。难度大的实验项目最高成绩大于难度小的实验项目，既满足了不同学习能力的学生选择实验项目的自由度，在成绩考核时又做到了公平起见，对不同的学生都具有激励作用。
2.3 面向系统能力培养的开放式实验教学模式
在开放实验室模式下针对面向系统能力培养的系列课程建立的统一的开放实验平台，无缝衔接系列课程的实验教学环节，学生更自主，管理更科学，培养更高效。面向系统能力培养的开放式实验教学模式如图2所示。
2.3.1 开放实验室
传统实验教学模式中，学生只有按理论教学班实验课表进行实验，开放式实验教学已成为高校实验教学研究热点[8-9]。利用开放式实验教学具有时间开放、空间开放、资源开放等优点，面向系统能力培养的系列课程实验采用统一的开放式实验教学模式。根据学生空余时间提前在开放实验管理系统上设置实验室开放时间，开放时间总学时数大于各教学班学时数总和。学生可以在开放实验管理系统上根据自己的进度安排，自主选择预约哪个时段进入实验室做实验，真正体现了“以人为本”的教学原则。
在开放实验室安装带有人脸识别系统的考勤机，真实科学地记录学生进出入实验室的情况。要求学生考勤时长不低于规定的学时数，但不限制学生实验考勤时长的上限。开放实验室打破了教学班的限制和学时数有限的限制，学生可以做实验的时间更多，并且更自主。
2.3.2 采用统一的“口袋”实验平台
基于FPGA技术的Xilinx大学计划Aritix7开发板拥有丰富的逻辑阵列资源、存储资源、DSP资源以及丰富的端口和外设资源。Vivado设计套件是功能强大的可编程逻辑开发环境。利用Aritix7开发板及vivado开发环境能完成小到门电路设计、小型数字系统设计，大到复杂计算机系统设计。开发板具有体积小、功耗低、便于携带、方便使用等特点，学生可以在宿舍、图书馆甚至运动场，利用USB数据线将开发板连上自己安装了vivado开发工具的笔记本电脑就可以做实验，因此被称为“口袋”实验室。将面向计算机系统能力培养的系列课程实验统一安排在同一“口袋”实验开发板上，即学生可以在同一块开发板上完成系列课程实验，不仅提高了学生完成系列课程实验的效率，更利于学生对计算机系统的认识与理解，从而达到系统能力的培养。开学前实验老师将开发板分发到学生手里，系列课程实验结束后再收回，因此，学生拥有绝对充足的实验设备资源和时间完成实验。
2.3.3 配置专职实验老师
设置专职实验岗，聘用计算机相关专业硕士及以上学历人才。专职实验老师参与系列课程的各教学班的实验安排、实验内容设计、实验指导及实验考核工作。每一个教学班的任课教师及助教会在规定学时的实验课表时间进入实验室进行辅导和质量监控。专职实验老师则每一次实验课开放时间都会在实验室为学生解答实验过程中遇到的实验设备、实验环境、实验内容等相关问题。专职实验老师真实地掌握了系列课程、各个教学班的实验教学情况，并与各课程、各教学班任课教师密切沟通、协调改进，不仅有助于缩小各教学班的差距，提高学生整体水平，而且有助于系列课程之间的衔接，在面向系统能力培养的开放实验教学体系中发挥非常重要的作用。
2.3.4 建立资源共享机制
引导学生模块化设计思想，倡导学生将特定功能模块封装成IP核，并上传至资源共享服务器，在后续较大规模数字系统设计实验中进行调用，有效衔接系列课程实验。在IP核共享过程中，学生可以相互比较学习，产生“1+1>2”的效应。共享资源服务器上还会及时更新常见问题及解决办法，减少常见问题的答疑时间，提高辅导效率。
2.3.5 实验现场检查
实验成绩不仅由实验报告质量决定，还由实验考勤和现场检查情况决定。实验成绩构成为实验考勤×10%+现场检查×30%+实验报告×60%。实验考勤成绩根据考勤机数据得出。学生完成实验后需进行现场检查，要求学生讲述设计思路，画出电路原理图，查看仿真验证效果，并下载到开发板查看运行效果。检查过程中需对小组成员分别进行具体的提问，包括代码编写、设计原理、结果分析等，然后对小组成员的具体情况分别进行打分。现场检查能真实有效地掌握学生实验情况，分别打分的机制有效杜绝了过去“打酱油”的现象，提高了学生整体实验水平，实验成绩更加真实公平。
3 教学实践效果
1）集体实验时间增加。
统计开放实验室考勤数据，每门课程学生进入实验室的总时长平均为14h28min38s，超出传统模式规定时长（规定实验学时为16学时，即12h）。学生实际到实验室实验时间更多，并且反应出学生的实验兴趣和积极性得到了提高。
2）学生更喜欢开放模式。
随机问卷调查结果统计表明大部分学生喜欢开放式实验教学模式，认为自己安排实验时间更自主灵活，实验室有良好的学习氛围，并且在实验过程中，大部分学生的大部分问题都能及时得到解决（如图3所示）。
3）学生倾向挑战高难度实验项目。
对学生选择完成实验项目难度的统计结果为：难度级别为“***”的题目为传统的验证型实验项目，占比7.92%；难度为“****” 和“*****”的题目为难度更大的设计型实验项目，分别占比13.15%和78.93%。大部分学生选择了完成难度较大的实验项目作为考核项目，充分说明开放实验模式中难易度区分的考核机制能有效提高学生实验积极性和挑战性，学生动手能力的整体水平得到了提高。
4）专业知识获得感增强。
对某教师连续两届学生进行计算机系统知识点掌握情况自我评价结果统计表明，在面向系统能力培养的开放式实验教学体系下，学生对计算机系统知识完全掌握和基本掌握的比例明显增加，部分掌握和完全不了解的情况明显下降（如图4所示）。
5）解决工程问题整体水平增加。
数字逻辑课程实验最终作品有多变化的节日彩灯、交通灯控制器、数字闹钟、显示器上显示姓名、密码锁、电梯控制器、俄罗斯方块游戏等。在系统设计方面，绝大部分学生能够独立设计实现简单指令的计算机CPU系统，部分学生能设计实现五级流水线的复杂指令的CPU系统。连续多年有学生参加“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛，并进入全国总决赛获得优异成绩。
4 结 语
传统实验教学体系难以支持面向计算机系统能力培养的要求，面向计算机系统能力培养的开放式实验教学体系建设，通过建立开放实验平台、配置专职实验老师、面向系统的实验设计和科学的管理考核机制等措施，实现了面向计算机系统能力培养的开放式实验教学体系建设，具有学生更自主、管理更科学、培养更高效的特点，在面向计算机系统能力培养方面取得了良好的实验教学效果。
基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目“全面融入‘三创’的计算机类一流专业教学体系重构与实践”（211004）。
第一作者简介：张海鑫，女，重庆大学实验师，研究方向为计算机专业数字逻辑、计算机组成与结构、硬件综合设计课程实验教学，haixin@cqu.edu.cn。
引文格式：张海鑫，钟将，汪成亮，等.面向系统能力培养的开放实验体系建设[J].计算机教育,2023(12):288-292，297.
转自：“计算机教育”微信公众号
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