軟件工程專業的實驗教學模式探究論文

1背景

軟件工程專業已經是信息領域發展最快的學科分支之一，具有交叉度高，涉及面廣及行業性強的特點。2011年，國務院學位委員會確定將軟件工程學科增設爲一級學科(080835)，標誌着軟件工程學科進入了一個規範發展的嶄新階段。衆所周知，任何軟件都是以硬件作爲工作的物質基礎。具備必要的硬件知識，有助於開發高質量的軟件產品，尤其是高質量的系統級軟件。國內外幾乎所有高校的軟件工程專業都開設有硬件類課程。

作爲硬件課程有力的支撐，硬件實驗環節不但能加強對理論知識的深刻理解，而且還能培養學生的動手能力和初步的科研能力，是教學中不容忽視的重要方面，但目前本專業的硬件實驗教學往往停留在照搬傳統計算機專業實驗教學模式層面，還存在以下不足。

1)實驗內容與課堂講授內容側重點不一致，學生實驗具有一定的盲目性。以計算機組成與結構課程爲例，從課程體系上，硬件實驗教學是軟件工程專業的專業主幹課，但不再定位於培養學生未來從事硬件開發的能力，而是要求學生能從系統角度來理解計算機的整體實現以及已有架構，培養學生對硬件系統的分析及應用能力。由於在理論知識講授上重整機略細節，而實驗課上只採用傳統的組成與結構實驗，也就是利用實驗平臺進行傳統模型機及其各個部件的功能驗證及一些初步的設計。由於實驗內容設置和課堂所教授的內容聯繫不緊密，學生不理解具體的硬件細節，在實驗時存在一定的盲目性，應付敷衍情況嚴重。

2)各個實驗課程內容之間沒有統一規劃，缺乏合理的體系結構。硬件課程內容具有很強的交叉性和相關性，但目前在教學中普遍採用的做法是針對每門課程單獨設置實驗並提供實驗環境，實驗課之間相互獨立，缺少有效的銜接貫通，對實驗內容也沒有進行統一的規劃。這樣各門課程老師在設置實驗內容時，往往只考慮本門課的課程要求，忽視與其先修實驗課程以及後續課程的聯繫，使學生只能看到一個個獨立的計算機硬件，對實驗課也往往存在“做一門結一門”的態度，不能使其從系統角度上認識和理解計算機內部的協同工作。

3)硬件實驗成績考覈評價方法落後，嚴重影響學生的主動性。目前實驗採用的是傳統的考覈辦法，即教師根據學生的平時表現、筆試成績及實驗報告成績綜合評定學生的總成績。雖然該辦法比較合理，但項目實踐過程中使用的知識面廣，並且需要學習大量的新知識，因而傳統答卷考查方式不能滿足需求，學生的平時表現各方面強弱不同，教師往往憑感覺，帶有較大的隨意性。有的學生乾的多說的少，有的學生乾的少說的多，最終老師給出的成績並不一定能準確反映學生的實際能力。

2針對本專業硬件實驗教學模式的探索

西安交通大學軟件學院結合專業特點，提出緊耦合層進式的硬件實驗教學體系，對實驗教學做出了一些有益的嘗試和探索。

2.1構建新的硬件實驗教學體系，開展層次化的實驗教學

軟件工程專業和傳統的計算機專業以培養計算機軟硬件設計與開發的研發人員的培養目標有所不同，所以在硬件課程以及硬件實驗課程體系上，兩個專業的定位應有所區別。西安交大軟件學院根據培養目標的要求，本着硬件爲軟件所用的宗旨，開設的硬件課程有數字邏輯與系統設計、彙編與接口技術、計算機組織與結構、嵌入式系統與軟件開發等。

經過幾年的教學改革實踐，我們認爲實驗教學不能完全依附於課堂教學，而應該在緊密聯繫課堂教學的前提下，有目的地開設獨立的實驗課，才能更好地配合理論課教學，充分發揮實驗教學培養學生獨立工作能力的優勢。在實踐過程中，我們烙守“掌握基礎是重點、研究創新是昇華”理念。首先必須保證絕大多數人能接受基本實驗技能的訓練，不盲目跟風式開展開放性實驗。實踐證明初始階段就進行開放性實驗往往會讓學習能力不強的學生不知從何下手，失去了研究實驗的興趣，從而背離了進行實驗教學的初衷。我們的思路是穩紮穩打，逐步推進。我們勾畫了以數字邏輯實驗爲基礎，以嵌入式及SOPC( System on a Programmable Chip，可編程片上系統)實驗爲終結，包含時序組合邏輯實驗、計算機部件實驗以及整機實驗爲一體的計算機硬件實驗教學課程羣。要求本科生從大學二年級到四年級硬件實驗內容不斷線、銜接連貫，並按學生興趣和能力有層次的提高;強調各門課程相互聯繫緊密結合，分層次培養學生的獨立組織硬件實驗的能力、軟硬件綜合調試能力和綜合設計能力。在此基礎上，我們提出了一種緊耦合層進式的硬件實驗教學體系。

在這種緊耦合層進式的實驗教學體系下，根據教學的不同要求，將實驗劃分爲3個不同層次，即基礎性實驗、綜合設計實驗、研究創新實驗。其中，基礎性實驗主要指相關硬件課程的課內實驗，通常爲8-16學時的必修性實驗課，通過這類實驗使學生初步掌握本門課程中基本實驗技能以及基本模塊的實現。綜合設計實驗主要是面向所有本科生開設的選修性實驗，一般爲32學時，通過這些實驗要求學生整合各個基本模塊，進而能設計並實現簡單功能的電路或系統。按照學院學分設置及學分要求，基本上每個學生都會選擇2~3門硬件實驗課程，這樣學生都能對硬件底層具有一定的瞭解，對於普通的高級軟件應用開發基本夠用。最高層次的研究創新實驗，我們安排爲開放性實驗，針對少數有餘力且感興趣的學生，要求其能夠獨立地設計一些較爲複雜且具有應用背景的課題，旨在對專業知識進行擴展並培養自身的創新能力，這類課程要求必須選修過相關實驗課程的學生，方能進行選修。

2.2緊密聯繫理論課教學，採用以EDA技術爲主的實驗教學環境

本專業的硬件理論課教學的宗旨是着重從系統角度來理解計算機的運作，着重培養學生對硬件系統的分析及應用能力，作爲統一的教學體系，實驗教學也應圍繞這一主導思想。

我們在實施硬件實驗教學時，更關注硬件部件是如何完成其設定功能，部件之間如何進行相互配合、協調運作，而弱化硬件內部具體物理實現。我們採用了EDA爲主的硬件實驗教學方式，利用QUARTUS等功能強大的EDA開發工具、Verilog或VHDL硬件編程語言，配合相應實驗箱進行實驗功能設計、仿真及驗證，使學生基本不用關注硬件的具體實現，進一步簡化了硬件設計、測試等過程。其中數字邏輯與系統設計、計算機組織與結構、SOPC系統設計等實驗課程均利用QUARTUS工具進行開發，基於杭州康芯電子有限公司的KX_DG3B數字系統開發平臺和GW48系列FPGA開發平臺來進行實現，實驗環境上具有順承性，只要在硬件實驗起始課程中進行一次講解，學生就能輕車熟路地使用。這樣就避免每個老師都在EDA軟件的講解上耗費大量時間，其他課程老師則主要把精力放在本門課相關電路及部件的設計實現上，節約了寶貴的實驗內容講解的時間。

EDA教學環境及FPGA平臺的使用，一方面可以提供的是虛擬器件和儀器，且開發平臺可反覆編程，所需硬件連接較少，實驗設備不易損壞，使學生可以放開手腳大膽地進行實驗。另一方面，學生在課堂上完不成的實驗，可以在自己的計算機上裝載相應開發工具，利用課餘時間繼續完成後跟隨下組實驗進行硬件驗證即可，實驗安排上就可以比較靈活。因此，利用EDA技術，學生很方便地開展綜合性、設計性、自主性的實驗，進而可完成大型硬件的原型設計，或進行創新性課題的研究，這將大大激發學生的學習興趣和熱情，提高學生硬件設計能力，從而改變目前學生硬件動手能力差的情況。

2.3強調各課程實驗內容的耦合銜接與貫通，注重軟硬件之間的協同

構建緊耦合層進式的實驗教學體系，離不開各個實驗課程內容之間的關聯協調和貫通。計算機硬件實驗教學過程作爲一個系統，其組成部分是每門課程的'實驗內容。在選取實驗內容時，爲避免實驗內容的孤立，既注重課程間知識的交叉滲透，又儘量體現知識體系的整體性和邏輯性。以“數字系統設計專題實驗”開放實驗爲例，很多學生選擇用硬連線方式實現一個基本模型機，而同時在“計算機組織與結構專題實驗”中則要求學生基於微程序的思想來實現一個同樣功能的模型機，通過這兩者的實現比較，學生能直觀地映證出理論課上所講述的兩種方法實現CU時各自優缺點，透徹理解並牢固掌握該知識點。

傳統的計算機硬件實驗課程的主要任務是驗證計算機的工作原理，以配合對應的計算機硬件理論課程，忽略了各實驗課程間的融合性，而技術的發展需要軟硬結合、軟件硬化或交融。單純的軟件實驗和硬件實驗都不利於學生軟硬件綜合素質的培養，傳統的軟硬件設計相分離的設計方法已成爲阻礙設計和實現複雜、大規模系統的關鍵因素。在“嵌入式系統與軟件開發專題實驗”以及“SOPC系統設計專題實驗”中，我們要求學生完成一個總的計算機軟硬件綜合設計的項目。以接近於實際應用環境，完成高質量綜合設計爲訓練手段，使學生建立系統的概念與工程的概念。這樣一方面可以使學生從根本上了解計算機的整個硬件系統、軟件控制之間的協調機制，徹底打通軟件實驗與硬件實驗之間的壁壘，另一方面，這樣既有硬件也有軟件的題目也更能激發起軟件專業學生的學習興趣，發揮其編程方面的特長，提高學生的主動性及創新熱情。

2.4建立靈活的考覈機制，滿足不同實驗類型的要求

對於實驗課程的考覈，我們採用針對不同實驗類型實行不同考覈機制的方法。對於課內的基礎性實驗，考覈時堅持沿用傳統的課堂表現和實驗報告相結合的方式，現場表現採用單人單機現場演示，老師提問學生作答的方式，由老師根據學生考勤及現場表現給定分數。實驗報告的成績則細化對問題的分析能力以及文檔寫作能力等方面的要求給定。最終成績由這兩項按權值給定。

對於綜合設計實驗，由於整個實驗內容往往由多個子實驗來組成，而且通常採用兩三個學生分組進行的形式，所以考覈時應更爲細緻，也要由課堂表現和實驗報告兩部分綜合給出，但較之基礎性實驗標準不同。首先，課堂表現由老師評分以及小組成員互評兩項組成，要求在每次實驗中指導教師都認真地記錄學生的考勤及實驗表現，這裏的實驗表現主要考查遵守實驗規則、設計能力，分析、解決問題能力以及對理論設計的實現能力等幾個方面。其次在實驗結束後，還要求學生撰寫實驗報告，實驗報告依據學生的總結能力、分析能力和寫作能力給出。

創新設計型實驗一般也採用分組的形式，但最終成績是由實驗開發中幾個部分的考覈成績綜合給出。選題準備階段的成績由指導教師根據學生提交系統選題報告，按照系統規模、難易程度、創新性及個人分工給出。設計階段的成績由學生提交系統設計報告和現場答辯兩部分給出。答辯類似於工程中的評審，需要通過學生講解、演示，回答在場所有學生及教師的質疑，一方面對項目可行性進行充分的推敲，另一方面使各組成員充分了解其他小組的思路及設計方法，對自己項目實施起到學習借鑑作用。系統實現調試階段成績由學生提交系統實現及測試報告給出。最後驗收階段由現場驗收和項目總結報告兩部分組成。

上述多樣化的考覈標準滿足了層進式課程體系中不同層次的考覈要求，更加客觀地反映了學生的實踐能力和知識運用水平，提高了實驗教學的整體質量，達到了實踐創新的培養目標。

3結語

實踐證明，這種兼顧實驗基本要求與學生興趣的層進式教學模式，以及將軟件滲透到硬件功能中的教學方法，是適應本學科發展並符合培養目標的有益探索，受到了本專業學生極大的好評，也積累了一定經驗。隨着科學技術的不斷髮展，軟件技術更新日新月異，軟件工程的教學也需要不斷更新改革以順應時代的步伐，未來我們結合實踐繼續摸索，使課程改革成爲一個持續不斷的過程，更好地推動高級軟件人才的培養。