创新型人才培养体系研究与实践

2009-05-11刘书勇张国印武俊鹏

计算机教育 2009年8期

刘书勇　张国印　武俊鹏

文章编号：1672-5913(2009)08-0014-03

摘要：本文通过对创新型人才培养的探索与实践，论述了大学生创新体系的构建，包括创新型人才培养的指导思想，创新实验室软硬件环境建设，系统化的实验内容，因材施教的教学方法，以提高学生综合素质为目的的管理制度，并介绍了在这种大学生创新体系下产生的创新成果。

关键词：创新型人才；“三化”结合；体系；阶梯式因材施教

中图分类号：G642

文献标识码：B

1引言

美国工程院提出了2020年工程师必须具备的关键素质是：分析能力、实践经验、创造力、沟通能力、商务与管理能力、伦理道德、终身学习能力等。这也为如何培养具有竞争力的创新型人才提供了思路。

在国家提倡创新的大环境下和在我校大力举办研究型大学的背景下，计算机科学与技术学院在“十五”规划中成立了计算机技术创新实验室，购置了先进的实验设备。在此基础上，我们研究和实践了计算机类大学生创新活动体系的建设。经过两年多的教学探索与实践，逐渐形成了一套有效的创新型人才培养体系，并取得了众多的教学成果。

2 “三化”结合指导创新型人才培养

“三化”结合是我院计算机硬件实验教学改革的总体指导思想，也是我们进行创新型人才培养的指导思想。

“三化”结合是指软硬件实验环境一体化、实验平台综合化、实验内容系统化相结合，是建立新实验课程体系的基本思路。单纯的软件实验和单纯的硬件实验都不利于学生软硬件综合素质的培养，传统的硬件设计和软件设计相分离的设计方法已经成为阻碍设计和实现复杂大规模系统的关键因素，构建软硬件一体化实验环境有利于培养学生软硬件综合素质；综合的实验平台可以进行多课程内容交叉的综合实验，有利于培养学生的综合设计能力；技术的进步以及应用需求的迅速提升推动系统规模变得越来越大，功能实现也越来越复杂，这些都要求学生具有系统化设计能力，实验内容的系统化有利于培养学生的系统化设计思想和能力。

3一体化创新实验环境建设和综合化实验平台配置

良好的实验环境是先进硬件实验教学的必要条件。学校为计算机相关的实验室全部配备多媒体教学设备，并配置先进的微机、局域网和性能优越的服务器，我们在此基础上，全面更新实验软件环境。

由于FPGA的出现，使得过去的硬件设计现在可以通过软件设计来实现，如通过VHDL或Verilog等硬件描述语言来描述硬件结构，并在此基础上完成上层的软件设计，使得软硬件浑然一体，因此我们引进了FPGA实验平台，实现了软硬件一体化设计的实验开发环境。

“十五”二期本科建设，学校为我院投入50套基于ARM7和50套基于FPGA的实验设备，后续又投入资金，为实验室购置了10套高档的嵌入式开发设备，并专门为创新实验室配置了40台高档微机，进口的数字示波器一台，刻板系统一台。计算机技术创新实验室目前可用微机40台，配套的实验开发设备有：单片机、ARM7、ARM9、XScale255、XScale270、国产CPU C*Core等一系列微控制器和微处理器实验开发平台及配套的软件开发环境，可以进行跨专业综合化的应用系统开发；另外还有EDA、DSP、SoC、美国Xilinx公司赠送的世界先进的FPGA芯片等一系列以FPGA技术为基础的实验开发平台，可以设计丰富的电路和高集成度的片上系统；每个实验室还配备了先进服务器，加上先进的微机和丰富的软件环境，可以提供基于网络和大型软件的应用软件开发和运行平台。创新实验室实验环境和实验平台为学生提供三个创新方向，参见图1。

图1 三个创新方向

软硬件一体化的实验环境和综合化的实验开发平台为我们进行创新型人才培养奠定了坚实的基础。

4多学科交叉的系统化实验内容

创新性实验具有技术综合性强，跨学科技术交叉的特点，对学生基础要求较高，一般面向大学高年级和研究生设置。创新性实验内容不拘一格，可根据指导教师的科研情况设定，或学生进行市场调查进行需求分析经过指导教师修改和认定自立创新项目。另外，为了激发学生的积极性，我们将创新性实验内容与国内外大学生科技竞赛和科研立项相结合，大大增强了学生进行科技创新的热情。

基于以上原则，我们创建了百余项创新型实验项目，以下简单介绍具有代表性的几个实验项目内容：

(1) 小区智能监护系统(Intelligent Supervise System for Districts)

该项目致力于设计新一代小区监护服务系统，集嵌入式系统软硬件设计技术、无线网络技术(802.11、GSM网络和数传电台)、视频监控技术、家居智能安全技术、GIS等技术于一身，并精心进行了作品的工艺设计。系统以GENE-8310为核心，结合Windows XP Embedded操作系统，实现了小区的无线视频监控、遥控巡逻，远程实时看护，车辆定位防盗报警以及家居安全监控功能。该系统充分挖掘了嵌入式系统的特性，形成了一套综合全面的监护服务系统。系统分为5个模块，分别为中央控制平台、住户居家信息终端、远程监控装置、车辆防盗报警装置、遥控巡逻车。该系统可以应用于现代化小区、政府机关、高校、工厂、公司等大中型群体机构，系统模块化的设计结构可以针对不同的应用需求而进行量体定做。该项目在06年团委大学生科研创新立项中获一等奖，并在教育部和信息产业部主办的2006年“英特尔杯大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题邀请赛”中获得了三等奖。

(2) 多功能无线安防监控手持式设备(Multifunctional Wireless Security and Supervise Portable Device)

该作品集嵌入式系统软硬件设计技术、802.11无线网络、GSM网络、调频无线网络、传感器技术、流媒体技术、多媒体播放、游戏制作等技术于一身，可实现无线安防报警、无线监控、移动电话通信、联网、娱乐等功能，可应用于大型商场、超市、公司、学校等集中管理，对安防要求严格及需要视频监控的公共场所。该项目在中国软件行业协会主办的“第二届博创杯全国大学生嵌入式系统应用设计优秀作品评选活动”中获得了特等奖。

(3) 基于无线通信及智能导航技术的多功能水域探测器(Multifunctional Waters-detector Based on Wireless Communications and Smart Navigation Technology)

本系统基于EC5-1719CLDNA嵌入式工控板和Microsoft Windows XP Embedded 操作系统，辅以STC89C52RC，GPS等模块，将太阳能电源管理、无线数据传输技术、视频监控技术、自动导航和自动避障等技术结合起来，致力于解决湖泊、湿地等静态水域环境监测问题，实现实时数据采集、水样采集、视频监控、自动巡航、特殊点定位等功能。该系统集嵌入式技术、计算机技术、自动导航技术、无线通信技术、机电一体化技术于一身，具有较高的实用价值和推广价值。系统中使用的EC5-1719CLDNA嵌入式工控板充分利用了Intel Core-Due T2300双核CPU在低功耗下拥有强大运算能力的特点，使探测器能在太阳能板提供的有限电能下长时间工作。该项目在由教育部和信息产业部主办的2008年“英特尔杯大学生电子设计竞赛——嵌入式系统专题邀请赛”中获得了三等奖

除了参加国内外各种大学生科技竞赛外，我们还为学生设置了众多的科研立项，其中，有8项教务处组织的大学生科研训练计划，具体项目如：基于FPGA技术的可重构安全远程控制系统；基于ARM平台的嵌入式入侵监测系统；人脸识别门禁系统；图像采集、压缩与传输系统的设计与实现；智能窗帘等。另外还有6项实验室与资产管理处组织的实验技术研究项目，具体项目如：基于ARM微处理器的嵌入式系统软硬件协同设计、微机接口综合性实验教学内容研究、仿真条件下数字逻辑实验教学研究、虚拟实验教学中心等。除此之外，实验室还成功申请了1项发明专利。

5 阶梯式因材施教教学方法

创新型人才培养需要因材施教、循序渐进、有计划有明确目的性的培养方案。不同的学生有不同的特点，如果千篇一律，对每一个学生都使用同样的内容和方法来培养，学生很难充分发挥自身的特点，也就不会具备创新精神。

鉴于初期学生的基础薄弱，我们首先为这些学生设立一些验证性的实验内容，供其入门；等到有了一定的技术基础之后，我们再提供一些设计性实验内容，以加强学生的实践能力，并初步培养他们的创新精神；最后，经过了大概两个月的培训时间，学生已经基本掌握了必要的系统设计方法，具备了一定的领域知识和较强的自学能力，师生再一起讨论确定最终的创新题目，并初步完成系统需求分析，根据每个学生的特点进行系统设计分工，开始投入系统实现和测试阶段。这就形成了阶梯式因材施教方法，参见图2。

图2 阶梯式因材施教方法

在学生进行综合性较强的创新题目设计与实现的过程中，每一个阶段都需要指导教师按照精心设计的培养方案来引导学生。在学生的创新活动中，教师应该协调一个小组中的3名同学，使他们能够配合默契，使整个实验课题协调进展，潜移默化，逐渐培养了学生的团队精神。在学生遇到技术难题的时候，科学的做法不应该是直接告诉学生答案，而是告诉他们可能解决的多种途径，引导他们去自行解决问题，长此以往，学生不仅实践能力大大提高，创新精神也会大大加强。

6以提高学生综合素质为目的的管理制度

现代化建设需要综合能力较强的学生，因此我们在组织学生创新活动的过程中有意识培养学生的综合能力，并逐渐形成了创新实验室管理制度。

创新实验室指导教师指导学生进行创新活动，且必须遵循以下规定：

(1) 能够认真负责，全心投入指导学生创新活动，以培养和提高学生综合素质为目标。

(2) 必须具体指导至少一个创新小组，并制定详细的指导计划，督促学生最终形成创新成果。

(3) 每学期至少指导学生32学时。

(4) 应积极组织学生进行科研活动，参加各种大学生竞赛活动。

(5) 所研制作品的知识产权和所有权归创新实验室所有。

想要进入创新实验室的同学可以选择自己感兴趣的技术方向的实验室，向该实验室的指导教师报名，经过创新实验室指导教师商定审批后即可进入创新实验室进行创新活动。进入创新实验室的学生应遵循以下规定：

(1) 学生根据个人兴趣，自主组成创新小组，每组2-4人，由专门的指导教师负责指导。

(2) 学生在教师的指导下进行选题或命题，题目制作过程中，可以灵活调整和完善题目内容，每个创新题目都要有明确的研制计划，可以进行阶段性检查。每个创新小组都要根据研制计划产生阶段性成果，形成书面报告向指导教师汇报。

(3) 学生每学期的创新活动时间至少56学时，进入创新实验室应签到登记，对于无故长期不来的学生，实验室将其从创新实验室除名。

(4) 每个创新小组应定期面向实验室教师和学生作报告，讲述这段时间的主要工作和创新体验。对于表现突出的团队或个人，实验室将予以奖励，并优先组织其参加国内外大赛。

(5) 创新小组最终作品要求能够演示，形成设计报告，并进行答辩。对于出色的作品，创新实验室可以为该创新小组的学生申请学分和奖励。

(6) 创新实验室将根据学生的能力和特点组织参加各种大学生竞赛和大学生科研项目，学生应服从创新实验室的统一安排，一旦参与，必须全力以赴，坚持到底。对于参加大赛获奖的学生，创新实验室将向学校和学院申请奖励，并在某些政策方面予以倾斜。

除了上述制度以外，计算机技术创新实验室还为学生提供全天候的实验室开放，包括晚上、周末以及节假日，在某些创新小组的要求下，还可以根据学生的特殊情况通宵为学生开放，并且有指导教师全程跟踪指导。

7全新大学生创新体系下的实践成果

大学生创新体系是整个计算机硬件实验教学体系的重要组成部份。在全新的学生创新体系下，3年以来，我们培养了数百名创新型计算机专业学生。这些学生积极主动，充分利用节假日和晚上等课余时间，在指导教师的带领下，学习先进前沿的技术，开发出很多综合性作品，并积极参加国内外的学生竞赛项目和大学生科研立项活动。自2006年以来，课题组主要成员指导的参赛队共获国家级奖项12项，省级奖项2项。以下是两年来我们所培养创新团队所获得的主要创新成绩。

2006年，在由教育部和信息产业部主办的“英特尔杯大学生电子设计竞赛—嵌入式系统专题邀请赛”中，获得了三等奖；2006年，在由中国软件行业协会主办的“第二届博创杯全国大学生嵌入式系统应用设计优秀作品评选活动”中分获特等奖和三等奖；2007年，在由微软公司举办的“微软全球学生大赛”中，2个代表队进入全球Top200；2007年，“第三届博创杯全国大学生嵌入式系统应用设计优秀作品评选活动”中，分别获得特等奖，一等奖和三等奖；2007年，在由团中央等主办的“全国挑战杯”中，获三等奖；2007年，在由黑龙江省团省委等举办的2007年“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛中，获2项二等奖；2008年，在由教育部和信息产业部主办的“英特尔杯大学生电子设计竞赛—嵌入式系统专题邀请赛”中，获得了三等奖；2008年，在由微软公司举办的“微软全球学生大赛”中，一个代表队进入全球Top200；2008年，在由中国电子协会主办的Xlinx杯全国硬件开源设计大赛中(该赛事主要面向在校研究生)，我校作为唯一一支全部是本科生的参赛队闯过两轮复赛进入决赛，获得优胜奖。

目前，课题组主要成员正在组织学生参与的赛事还有：教育部和信息产业部主办的网络安全设计大赛；“第四届博创杯全国大学生嵌入式系统应用设计优秀作品评选活动”(已经进入决赛圈)；2008全国电子设计大赛。

8总结

创新实验室成立两年多以来，经过了初始时期的探索阶段和后来的发展阶段，目前已经初步形成了一套大学生

创新体系。实践成果表明，这套创新实验教学体系有较好的的科学性和合理性。随着技术和教学理念的不断发展，在今后的工作中，我们还需要不断调整创新实验教学体系，但这套体系的目标始终不变，即培养创新型人才。

参考文献：

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