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軟件工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探究論文
1背景
軟件工程專業(yè)已經(jīng)是信息領(lǐng)域發(fā)展最快的學(xué)科分支之一，具有交叉度高，涉及面廣及行業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)。2011年，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)確定將軟件工程學(xué)科增設(shè)為一級(jí)學(xué)科(080835)，標(biāo)志著軟件工程學(xué)科進(jìn)入了一個(gè)規(guī)范發(fā)展的嶄新階段。眾所周知，任何軟件都是以硬件作為工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。具備必要的硬件知識(shí)，有助于開發(fā)高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品，尤其是高質(zhì)量的系統(tǒng)級(jí)軟件。國(guó)內(nèi)外幾乎所有高校的軟件工程專業(yè)都開設(shè)有硬件類課程。
作為硬件課程有力的支撐，硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不但能加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的深刻理解，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和初步的科研能力，是教學(xué)中不容忽視的重要方面，但目前本專業(yè)的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往停留在照搬傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式層面，還存在以下不足。
1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂講授內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不一致，學(xué)生實(shí)驗(yàn)具有一定的盲目性。以計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程為例，從課程體系上，硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)是軟件工程專業(yè)的專業(yè)主干課，但不再定位于培養(yǎng)學(xué)生未來(lái)從事硬件開發(fā)的能力，而是要求學(xué)生能從系統(tǒng)角度來(lái)理解計(jì)算機(jī)的整體實(shí)現(xiàn)以及已有架構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的分析及應(yīng)用能力。由于在理論知識(shí)講授上重整機(jī)略細(xì)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)課上只采用傳統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，也就是利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行傳統(tǒng)模型機(jī)及其各個(gè)部件的功能驗(yàn)證及一些初步的設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置和課堂所教授的內(nèi)容聯(lián)系不緊密，學(xué)生不理解具體的硬件細(xì)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)存在一定的盲目性，應(yīng)付敷衍情況嚴(yán)重。
2)各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容之間沒有統(tǒng)一規(guī)劃，缺乏合理的體系結(jié)構(gòu)。硬件課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的交叉性和相關(guān)性，但目前在教學(xué)中普遍采用的做法是針對(duì)每門課程單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)并提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)課之間相互獨(dú)立，缺少有效的銜接貫通，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也沒有進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃。這樣各門課程老師在設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，往往只考慮本門課的課程要求，忽視與其先修實(shí)驗(yàn)課程以及后續(xù)課程的聯(lián)系，使學(xué)生只能看到一個(gè)個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)硬件，對(duì)實(shí)驗(yàn)課也往往存在“做一門結(jié)一門”的態(tài)度，不能使其從系統(tǒng)角度上認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的協(xié)同工作。
3)硬件實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核評(píng)價(jià)方法落后，嚴(yán)重影響學(xué)生的主動(dòng)性。目前實(shí)驗(yàn)采用的是傳統(tǒng)的考核辦法，即教師根據(jù)學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)、筆試成績(jī)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)綜合評(píng)定學(xué)生的總成績(jī)。雖然該辦法比較合理，但項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中使用的知識(shí)面廣，并且需要學(xué)習(xí)大量的新知識(shí)，因而傳統(tǒng)答卷考查方式不能滿足需求，學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)各方面強(qiáng)弱不同，教師往往憑感覺，帶有較大的隨意性。有的學(xué)生干的多說(shuō)的少，有的學(xué)生干的少說(shuō)的多，最終老師給出的成績(jī)并不一定能準(zhǔn)確反映學(xué)生的實(shí)際能力。
2針對(duì)本專業(yè)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索
西安交通大學(xué)軟件學(xué)院結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，提出緊耦合層進(jìn)式的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)做出了一些有益的嘗試和探索。
2.1構(gòu)建新的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開展層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)
軟件工程專業(yè)和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)以培養(yǎng)計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)的研發(fā)人員的培養(yǎng)目標(biāo)有所不同，所以在硬件課程以及硬件實(shí)驗(yàn)課程體系上，兩個(gè)專業(yè)的定位應(yīng)有所區(qū)別。西安交大軟件學(xué)院根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，本著硬件為軟件所用的宗旨，開設(shè)的硬件課程有數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、匯編與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)與軟件開發(fā)等。
經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全依附于課堂教學(xué)，而應(yīng)該在緊密聯(lián)系課堂教學(xué)的前提下，有目的地開設(shè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，才能更好地配合理論課教學(xué)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)踐過(guò)程中，我們烙守“掌握基礎(chǔ)是重點(diǎn)、研究創(chuàng)新是升華”理念。首先必須保證絕大多數(shù)人能接受基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，不盲目跟風(fēng)式開展開放性實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明初始階段就進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)往往會(huì)讓學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的學(xué)生不知從何下手，失去了研究實(shí)驗(yàn)的興趣，從而背離了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷。我們的思路是穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步推進(jìn)。我們勾畫了以數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以嵌入式及SOPC( System on a Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng))實(shí)驗(yàn)為終結(jié)，包含時(shí)序組合邏輯實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)部件實(shí)驗(yàn)以及整機(jī)實(shí)驗(yàn)為一體的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程群。要求本科生從大學(xué)二年級(jí)到四年級(jí)硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷線、銜接連貫，并按學(xué)生興趣和能力有層次的提高;強(qiáng)調(diào)各門課程相互聯(lián)系緊密結(jié)合，分層次培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立組織硬件實(shí)驗(yàn)的能力、軟硬件綜合調(diào)試能力和綜合設(shè)計(jì)能力。在此基礎(chǔ)上，我們提出了一種緊耦合層進(jìn)式的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。
在這種緊耦合層進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系下，根據(jù)教學(xué)的不同要求，將實(shí)驗(yàn)劃分為3個(gè)不同層次，即基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要指相關(guān)硬件課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，通常為8-16學(xué)時(shí)的必修性實(shí)驗(yàn)課，通過(guò)這類實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步掌握本門課程中基本實(shí)驗(yàn)技能以及基本模塊的實(shí)現(xiàn)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要是面向所有本科生開設(shè)的選修性實(shí)驗(yàn)，一般為32學(xué)時(shí)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生整合各個(gè)基本模塊，進(jìn)而能設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能的電路或系統(tǒng)。按照學(xué)院學(xué)分設(shè)置及學(xué)分要求，基本上每個(gè)學(xué)生都會(huì)選擇2~3門硬件實(shí)驗(yàn)課程，這樣學(xué)生都能對(duì)硬件底層具有一定的了解，對(duì)于普通的高級(jí)軟件應(yīng)用開發(fā)基本夠用。最高層次的研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，我們安排為開放性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)少數(shù)有余力且感興趣的學(xué)生，要求其能夠獨(dú)立地設(shè)計(jì)一些較為復(fù)雜且具有應(yīng)用背景的課題，旨在對(duì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展并培養(yǎng)自身的創(chuàng)新能力，這類課程要求必須選修過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生，方能進(jìn)行選修。
2.2緊密聯(lián)系理論課教學(xué)，采用以EDA技術(shù)為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境
本專業(yè)的硬件理論課教學(xué)的宗旨是著重從系統(tǒng)角度來(lái)理解計(jì)算機(jī)的運(yùn)作，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的分析及應(yīng)用能力，作為統(tǒng)一的教學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)圍繞這一主導(dǎo)思想。
我們?cè)趯?shí)施硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，更關(guān)注硬件部件是如何完成其設(shè)定功能，部件之間如何進(jìn)行相互配合、協(xié)調(diào)運(yùn)作，而弱化硬件內(nèi)部具體物理實(shí)現(xiàn)。我們采用了EDA為主的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，利用QUARTUS等功能強(qiáng)大的EDA開發(fā)工具、Verilog或VHDL硬件編程語(yǔ)言，配合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)、仿真及驗(yàn)證，使學(xué)生基本不用關(guān)注硬件的具體實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試等過(guò)程。其中數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)、SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)課程均利用QUARTUS工具進(jìn)行開發(fā)，基于杭州康芯電子有限公司的KX_DG3B數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)和GW48系列FPGA開發(fā)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境上具有順承性，只要在硬件實(shí)驗(yàn)起始課程中進(jìn)行一次講解，學(xué)生就能輕車熟路地使用。這樣就避免每個(gè)老師都在EDA軟件的講解上耗費(fèi)大量時(shí)間，其他課程老師則主要把精力放在本門課相關(guān)電路及部件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，節(jié)約了寶貴的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解的時(shí)間。
EDA教學(xué)環(huán)境及FPGA平臺(tái)的使用，一方面可以提供的是虛擬器件和儀器，且開發(fā)平臺(tái)可反復(fù)編程，所需硬件連接較少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不易損壞，使學(xué)生可以放開手腳大膽地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另一方面，學(xué)生在課堂上完不成的實(shí)驗(yàn)，可以在自己的計(jì)算機(jī)上裝載相應(yīng)開發(fā)工具，利用課余時(shí)間繼續(xù)完成后跟隨下組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行硬件驗(yàn)證即可，實(shí)驗(yàn)安排上就可以比較靈活。因此，利用EDA技術(shù)，學(xué)生很方便地開展綜合性、設(shè)計(jì)性、自主性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而可完成大型硬件的原型設(shè)計(jì)，或進(jìn)行創(chuàng)新性課題的研究，這將大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力，從而改變目前學(xué)生硬件動(dòng)手能力差的情況。
2.3強(qiáng)調(diào)各課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的耦合銜接與貫通，注重軟硬件之間的協(xié)同
構(gòu)建緊耦合層進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，離不開各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)和貫通。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程作為一個(gè)系統(tǒng)，其組成部分是每門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在選取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，為避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的孤立，既注重課程間知識(shí)的交叉滲透，又盡量體現(xiàn)知識(shí)體系的整體性和邏輯性。以“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題實(shí)驗(yàn)”開放實(shí)驗(yàn)為例，很多學(xué)生選擇用硬連線方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本模型機(jī)，而同時(shí)在“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)專題實(shí)驗(yàn)”中則要求學(xué)生基于微程序的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)同樣功能的模型機(jī)，通過(guò)這兩者的實(shí)現(xiàn)比較，學(xué)生能直觀地映證出理論課上所講述的兩種方法實(shí)現(xiàn)CU時(shí)各自優(yōu)缺點(diǎn)，透徹理解并牢固掌握該知識(shí)點(diǎn)。
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)課程的主要任務(wù)是驗(yàn)證計(jì)算機(jī)的工作原理，以配合對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件理論課程，忽略了各實(shí)驗(yàn)課程間的融合性，而技術(shù)的發(fā)展需要軟硬結(jié)合、軟件硬化或交融。單純的軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)都不利于學(xué)生軟硬件綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)相分離的設(shè)計(jì)方法已成為阻礙設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大規(guī)模系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。在“嵌入式系統(tǒng)與軟件開發(fā)專題實(shí)驗(yàn)”以及“SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題實(shí)驗(yàn)”中，我們要求學(xué)生完成一個(gè)總的計(jì)算機(jī)軟硬件綜合設(shè)計(jì)的項(xiàng)目。以接近于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，完成高質(zhì)量綜合設(shè)計(jì)為訓(xùn)練手段，使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念與工程的概念。這樣一方面可以使學(xué)生從根本上了解計(jì)算機(jī)的整個(gè)硬件系統(tǒng)、軟件控制之間的協(xié)調(diào)機(jī)制，徹底打通軟件實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)之間的壁壘，另一方面，這樣既有硬件也有軟件的題目也更能激發(fā)起軟件專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮其編程方面的特長(zhǎng)，提高學(xué)生的主動(dòng)性及創(chuàng)新熱情。
2.4建立靈活的考核機(jī)制，滿足不同實(shí)驗(yàn)類型的要求
對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程的考核，我們采用針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)類型實(shí)行不同考核機(jī)制的方法。對(duì)于課內(nèi)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，考核時(shí)堅(jiān)持沿用傳統(tǒng)的課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的方式，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)采用單人單機(jī)現(xiàn)場(chǎng)演示，老師提問學(xué)生作答的方式，由老師根據(jù)學(xué)生考勤及現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)給定分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)則細(xì)化對(duì)問題的分析能力以及文檔寫作能力等方面的要求給定。最終成績(jī)由這兩項(xiàng)按權(quán)值給定。
對(duì)于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往由多個(gè)子實(shí)驗(yàn)來(lái)組成，而且通常采用兩三個(gè)學(xué)生分組進(jìn)行的形式，所以考核時(shí)應(yīng)更為細(xì)致，也要由課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分綜合給出，但較之基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不同。首先，課堂表現(xiàn)由老師評(píng)分以及小組成員互評(píng)兩項(xiàng)組成，要求在每次實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)教師都認(rèn)真地記錄學(xué)生的考勤及實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，這里的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)主要考查遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則、設(shè)計(jì)能力，分析、解決問題能力以及對(duì)理論設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)能力等幾個(gè)方面。其次在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，還要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告依據(jù)學(xué)生的總結(jié)能力、分析能力和寫作能力給出。
創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)一般也采用分組的形式，但最終成績(jī)是由實(shí)驗(yàn)開發(fā)中幾個(gè)部分的考核成績(jī)綜合給出。選題準(zhǔn)備階段的成績(jī)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生提交系統(tǒng)選題報(bào)告，按照系統(tǒng)規(guī)模、難易程度、創(chuàng)新性及個(gè)人分工給出。設(shè)計(jì)階段的成績(jī)由學(xué)生提交系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)答辯兩部分給出。答辯類似于工程中的評(píng)審，需要通過(guò)學(xué)生講解、演示，回答在場(chǎng)所有學(xué)生及教師的質(zhì)疑，一方面對(duì)項(xiàng)目可行性進(jìn)行充分的推敲，另一方面使各組成員充分了解其他小組的思路及設(shè)計(jì)方法，對(duì)自己項(xiàng)目實(shí)施起到學(xué)習(xí)借鑒作用。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)試階段成績(jī)由學(xué)生提交系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試報(bào)告給出。最后驗(yàn)收階段由現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收和項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告兩部分組成。
上述多樣化的考核標(biāo)準(zhǔn)滿足了層進(jìn)式課程體系中不同層次的考核要求，更加客觀地反映了學(xué)生的實(shí)踐能力和知識(shí)運(yùn)用水平，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體質(zhì)量，達(dá)到了實(shí)踐創(chuàng)新的培養(yǎng)目標(biāo)。
3結(jié)語(yǔ)
實(shí)踐證明，這種兼顧實(shí)驗(yàn)基本要求與學(xué)生興趣的層進(jìn)式教學(xué)模式，以及將軟件滲透到硬件功能中的教學(xué)方法，是適應(yīng)本學(xué)科發(fā)展并符合培養(yǎng)目標(biāo)的有益探索，受到了本專業(yè)學(xué)生極大的好評(píng)，也積累了一定經(jīng)驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件技術(shù)更新日新月異，軟件工程的教學(xué)也需要不斷更新改革以順應(yīng)時(shí)代的步伐，未來(lái)我們結(jié)合實(shí)踐繼續(xù)摸索，使課程改革成為一個(gè)持續(xù)不斷的過(guò)程，更好地推動(dòng)高級(jí)軟件人才的培養(yǎng)。
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