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计算机一体化实验教学改革与探索

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】：^p：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^p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。20__4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，20___年设计出“开放式设计及测试系统”，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