劉書勇　張國印　武俊鵬

文章編號：1672-5913(2009)08-0014-03

摘要：本文通過對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實踐，論述了大學生創(chuàng)新體系的構建，包括創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的指導思想，創(chuàng)新實驗室軟硬件環(huán)境建設，系統(tǒng)化的實驗內容，因材施教的教學方法，以提高學生綜合素質為目的的管理制度，并介紹了在這種大學生創(chuàng)新體系下產生的創(chuàng)新成果。

關鍵詞：創(chuàng)新型人才；“三化”結合；體系；階梯式因材施教

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

美國工程院提出了2020年工程師必須具備的關鍵素質是：分析能力、實踐經驗、創(chuàng)造力、溝通能力、商務與管理能力、倫理道德、終身學習能力等。這也為如何培養(yǎng)具有競爭力的創(chuàng)新型人才提供了思路。

在國家提倡創(chuàng)新的大環(huán)境下和在我校大力舉辦研究型大學的背景下，計算機科學與技術學院在“十五”規(guī)劃中成立了計算機技術創(chuàng)新實驗室，購置了先進的實驗設備。在此基礎上，我們研究和實踐了計算機類大學生創(chuàng)新活動體系的建設。經過兩年多的教學探索與實踐，逐漸形成了一套有效的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系，并取得了眾多的教學成果。

2 “三化”結合指導創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

“三化”結合是我院計算機硬件實驗教學改革的總體指導思想，也是我們進行創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的指導思想。

“三化”結合是指軟硬件實驗環(huán)境一體化、實驗平臺綜合化、實驗內容系統(tǒng)化相結合，是建立新實驗課程體系的基本思路。單純的軟件實驗和單純的硬件實驗都不利于學生軟硬件綜合素質的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的硬件設計和軟件設計相分離的設計方法已經成為阻礙設計和實現(xiàn)復雜大規(guī)模系統(tǒng)的關鍵因素，構建軟硬件一體化實驗環(huán)境有利于培養(yǎng)學生軟硬件綜合素質；綜合的實驗平臺可以進行多課程內容交叉的綜合實驗，有利于培養(yǎng)學生的綜合設計能力；技術的進步以及應用需求的迅速提升推動系統(tǒng)規(guī)模變得越來越大，功能實現(xiàn)也越來越復雜，這些都要求學生具有系統(tǒng)化設計能力，實驗內容的系統(tǒng)化有利于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)化設計思想和能力。

3一體化創(chuàng)新實驗環(huán)境建設和綜合化實驗平臺配置

良好的實驗環(huán)境是先進硬件實驗教學的必要條件。學校為計算機相關的實驗室全部配備多媒體教學設備，并配置先進的微機、局域網和性能優(yōu)越的服務器，我們在此基礎上，全面更新實驗軟件環(huán)境。

由于FPGA的出現(xiàn)，使得過去的硬件設計現(xiàn)在可以通過軟件設計來實現(xiàn)，如通過VHDL或Verilog等硬件描述語言來描述硬件結構，并在此基礎上完成上層的軟件設計，使得軟硬件渾然一體，因此我們引進了FPGA實驗平臺，實現(xiàn)了軟硬件一體化設計的實驗開發(fā)環(huán)境。

“十五”二期本科建設，學校為我院投入50套基于ARM7和50套基于FPGA的實驗設備，后續(xù)又投入資金，為實驗室購置了10套高檔的嵌入式開發(fā)設備，并專門為創(chuàng)新實驗室配置了40臺高檔微機，進口的數(shù)字示波器一臺，刻板系統(tǒng)一臺。計算機技術創(chuàng)新實驗室目前可用微機40臺，配套的實驗開發(fā)設備有：單片機、ARM7、ARM9、XScale255、XScale270、國產CPU C*Core等一系列微控制器和微處理器實驗開發(fā)平臺及配套的軟件開發(fā)環(huán)境，可以進行跨專業(yè)綜合化的應用系統(tǒng)開發(fā)；另外還有EDA、DSP、SoC、美國Xilinx公司贈送的世界先進的FPGA芯片等一系列以FPGA技術為基礎的實驗開發(fā)平臺，可以設計豐富的電路和高集成度的片上系統(tǒng)；每個實驗室還配備了先進服務器，加上先進的微機和豐富的軟件環(huán)境，可以提供基于網絡和大型軟件的應用軟件開發(fā)和運行平臺。創(chuàng)新實驗室實驗環(huán)境和實驗平臺為學生提供三個創(chuàng)新方向，參見圖1。

圖1 三個創(chuàng)新方向

軟硬件一體化的實驗環(huán)境和綜合化的實驗開發(fā)平臺為我們進行創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定了堅實的基礎。

4多學科交叉的系統(tǒng)化實驗內容

創(chuàng)新性實驗具有技術綜合性強，跨學科技術交叉的特點，對學生基礎要求較高，一般面向大學高年級和研究生設置。創(chuàng)新性實驗內容不拘一格，可根據(jù)指導教師的科研情況設定，或學生進行市場調查進行需求分析經過指導教師修改和認定自立創(chuàng)新項目。另外，為了激發(fā)學生的積極性，我們將創(chuàng)新性實驗內容與國內外大學生科技競賽和科研立項相結合，大大增強了學生進行科技創(chuàng)新的熱情。

基于以上原則，我們創(chuàng)建了百余項創(chuàng)新型實驗項目，以下簡單介紹具有代表性的幾個實驗項目內容：

(1) 小區(qū)智能監(jiān)護系統(tǒng)(Intelligent Supervise System for Districts)

該項目致力于設計新一代小區(qū)監(jiān)護服務系統(tǒng)，集嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計技術、無線網絡技術(802.11、GSM網絡和數(shù)傳電臺)、視頻監(jiān)控技術、家居智能安全技術、GIS等技術于一身，并精心進行了作品的工藝設計。系統(tǒng)以GENE-8310為核心，結合Windows XP Embedded操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了小區(qū)的無線視頻監(jiān)控、遙控巡邏，遠程實時看護，車輛定位防盜報警以及家居安全監(jiān)控功能。該系統(tǒng)充分挖掘了嵌入式系統(tǒng)的特性，形成了一套綜合全面的監(jiān)護服務系統(tǒng)。系統(tǒng)分為5個模塊，分別為中央控制平臺、住戶居家信息終端、遠程監(jiān)控裝置、車輛防盜報警裝置、遙控巡邏車。該系統(tǒng)可以應用于現(xiàn)代化小區(qū)、政府機關、高校、工廠、公司等大中型群體機構，系統(tǒng)模塊化的設計結構可以針對不同的應用需求而進行量體定做。該項目在06年團委大學生科研創(chuàng)新立項中獲一等獎，并在教育部和信息產業(yè)部主辦的2006年“英特爾杯大學生電子設計競賽——嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中獲得了三等獎。

(2) 多功能無線安防監(jiān)控手持式設備(Multifunctional Wireless Security and Supervise Portable Device)

該作品集嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計技術、802.11無線網絡、GSM網絡、調頻無線網絡、傳感器技術、流媒體技術、多媒體播放、游戲制作等技術于一身，可實現(xiàn)無線安防報警、無線監(jiān)控、移動電話通信、聯(lián)網、娛樂等功能，可應用于大型商場、超市、公司、學校等集中管理，對安防要求嚴格及需要視頻監(jiān)控的公共場所。該項目在中國軟件行業(yè)協(xié)會主辦的“第二屆博創(chuàng)杯全國大學生嵌入式系統(tǒng)應用設計優(yōu)秀作品評選活動”中獲得了特等獎。

(3) 基于無線通信及智能導航技術的多功能水域探測器(Multifunctional Waters-detector Based on Wireless Communications and Smart Navigation Technology)

本系統(tǒng)基于EC5-1719CLDNA嵌入式工控板和Microsoft Windows XP Embedded 操作系統(tǒng)，輔以STC89C52RC，GPS等模塊，將太陽能電源管理、無線數(shù)據(jù)傳輸技術、視頻監(jiān)控技術、自動導航和自動避障等技術結合起來，致力于解決湖泊、濕地等靜態(tài)水域環(huán)境監(jiān)測問題，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、水樣采集、視頻監(jiān)控、自動巡航、特殊點定位等功能。該系統(tǒng)集嵌入式技術、計算機技術、自動導航技術、無線通信技術、機電一體化技術于一身，具有較高的實用價值和推廣價值。系統(tǒng)中使用的EC5-1719CLDNA嵌入式工控板充分利用了Intel Core-Due T2300雙核CPU在低功耗下?lián)碛袕姶筮\算能力的特點，使探測器能在太陽能板提供的有限電能下長時間工作。該項目在由教育部和信息產業(yè)部主辦的2008年“英特爾杯大學生電子設計競賽——嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中獲得了三等獎

除了參加國內外各種大學生科技競賽外，我們還為學生設置了眾多的科研立項，其中，有8項教務處組織的大學生科研訓練計劃，具體項目如：基于FPGA技術的可重構安全遠程控制系統(tǒng)；基于ARM平臺的嵌入式入侵監(jiān)測系統(tǒng)；人臉識別門禁系統(tǒng)；圖像采集、壓縮與傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)；智能窗簾等。另外還有6項實驗室與資產管理處組織的實驗技術研究項目，具體項目如：基于ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計、微機接口綜合性實驗教學內容研究、仿真條件下數(shù)字邏輯實驗教學研究、虛擬實驗教學中心等。除此之外，實驗室還成功申請了1項發(fā)明專利。

5 階梯式因材施教教學方法

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需要因材施教、循序漸進、有計劃有明確目的性的培養(yǎng)方案。不同的學生有不同的特點，如果千篇一律，對每一個學生都使用同樣的內容和方法來培養(yǎng)，學生很難充分發(fā)揮自身的特點，也就不會具備創(chuàng)新精神。

鑒于初期學生的基礎薄弱，我們首先為這些學生設立一些驗證性的實驗內容，供其入門；等到有了一定的技術基礎之后，我們再提供一些設計性實驗內容，以加強學生的實踐能力，并初步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神；最后，經過了大概兩個月的培訓時間，學生已經基本掌握了必要的系統(tǒng)設計方法，具備了一定的領域知識和較強的自學能力，師生再一起討論確定最終的創(chuàng)新題目，并初步完成系統(tǒng)需求分析，根據(jù)每個學生的特點進行系統(tǒng)設計分工，開始投入系統(tǒng)實現(xiàn)和測試階段。這就形成了階梯式因材施教方法，參見圖2。

圖2 階梯式因材施教方法

在學生進行綜合性較強的創(chuàng)新題目設計與實現(xiàn)的過程中，每一個階段都需要指導教師按照精心設計的培養(yǎng)方案來引導學生。在學生的創(chuàng)新活動中，教師應該協(xié)調一個小組中的3名同學，使他們能夠配合默契，使整個實驗課題協(xié)調進展，潛移默化，逐漸培養(yǎng)了學生的團隊精神。在學生遇到技術難題的時候，科學的做法不應該是直接告訴學生答案，而是告訴他們可能解決的多種途徑，引導他們去自行解決問題，長此以往，學生不僅實踐能力大大提高，創(chuàng)新精神也會大大加強。

6以提高學生綜合素質為目的的管理制度

現(xiàn)代化建設需要綜合能力較強的學生，因此我們在組織學生創(chuàng)新活動的過程中有意識培養(yǎng)學生的綜合能力，并逐漸形成了創(chuàng)新實驗室管理制度。

創(chuàng)新實驗室指導教師指導學生進行創(chuàng)新活動，且必須遵循以下規(guī)定：

(1) 能夠認真負責，全心投入指導學生創(chuàng)新活動，以培養(yǎng)和提高學生綜合素質為目標。

(2) 必須具體指導至少一個創(chuàng)新小組，并制定詳細的指導計劃，督促學生最終形成創(chuàng)新成果。

(3) 每學期至少指導學生32學時。

(4) 應積極組織學生進行科研活動，參加各種大學生競賽活動。

(5) 所研制作品的知識產權和所有權歸創(chuàng)新實驗室所有。

想要進入創(chuàng)新實驗室的同學可以選擇自己感興趣的技術方向的實驗室，向該實驗室的指導教師報名，經過創(chuàng)新實驗室指導教師商定審批后即可進入創(chuàng)新實驗室進行創(chuàng)新活動。進入創(chuàng)新實驗室的學生應遵循以下規(guī)定：

(1) 學生根據(jù)個人興趣，自主組成創(chuàng)新小組，每組2-4人，由專門的指導教師負責指導。

(2) 學生在教師的指導下進行選題或命題，題目制作過程中，可以靈活調整和完善題目內容，每個創(chuàng)新題目都要有明確的研制計劃，可以進行階段性檢查。每個創(chuàng)新小組都要根據(jù)研制計劃產生階段性成果，形成書面報告向指導教師匯報。

(3) 學生每學期的創(chuàng)新活動時間至少56學時，進入創(chuàng)新實驗室應簽到登記，對于無故長期不來的學生，實驗室將其從創(chuàng)新實驗室除名。

(4) 每個創(chuàng)新小組應定期面向實驗室教師和學生作報告，講述這段時間的主要工作和創(chuàng)新體驗。對于表現(xiàn)突出的團隊或個人，實驗室將予以獎勵，并優(yōu)先組織其參加國內外大賽。

(5) 創(chuàng)新小組最終作品要求能夠演示，形成設計報告，并進行答辯。對于出色的作品，創(chuàng)新實驗室可以為該創(chuàng)新小組的學生申請學分和獎勵。

(6) 創(chuàng)新實驗室將根據(jù)學生的能力和特點組織參加各種大學生競賽和大學生科研項目，學生應服從創(chuàng)新實驗室的統(tǒng)一安排，一旦參與，必須全力以赴，堅持到底。對于參加大賽獲獎的學生，創(chuàng)新實驗室將向學校和學院申請獎勵，并在某些政策方面予以傾斜。

除了上述制度以外，計算機技術創(chuàng)新實驗室還為學生提供全天候的實驗室開放，包括晚上、周末以及節(jié)假日，在某些創(chuàng)新小組的要求下，還可以根據(jù)學生的特殊情況通宵為學生開放，并且有指導教師全程跟蹤指導。

7全新大學生創(chuàng)新體系下的實踐成果

大學生創(chuàng)新體系是整個計算機硬件實驗教學體系的重要組成部份。在全新的學生創(chuàng)新體系下，3年以來，我們培養(yǎng)了數(shù)百名創(chuàng)新型計算機專業(yè)學生。這些學生積極主動，充分利用節(jié)假日和晚上等課余時間，在指導教師的帶領下，學習先進前沿的技術，開發(fā)出很多綜合性作品，并積極參加國內外的學生競賽項目和大學生科研立項活動。自2006年以來，課題組主要成員指導的參賽隊共獲國家級獎項12項，省級獎項2項。以下是兩年來我們所培養(yǎng)創(chuàng)新團隊所獲得的主要創(chuàng)新成績。

2006年，在由教育部和信息產業(yè)部主辦的“英特爾杯大學生電子設計競賽—嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中，獲得了三等獎；2006年，在由中國軟件行業(yè)協(xié)會主辦的“第二屆博創(chuàng)杯全國大學生嵌入式系統(tǒng)應用設計優(yōu)秀作品評選活動”中分獲特等獎和三等獎；2007年，在由微軟公司舉辦的“微軟全球學生大賽”中，2個代表隊進入全球Top200；2007年，“第三屆博創(chuàng)杯全國大學生嵌入式系統(tǒng)應用設計優(yōu)秀作品評選活動”中，分別獲得特等獎，一等獎和三等獎；2007年，在由團中央等主辦的“全國挑戰(zhàn)杯”中，獲三等獎；2007年，在由黑龍江省團省委等舉辦的2007年“挑戰(zhàn)杯”省大學生課外學術科技作品競賽中，獲2項二等獎；2008年，在由教育部和信息產業(yè)部主辦的“英特爾杯大學生電子設計競賽—嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”中，獲得了三等獎；2008年，在由微軟公司舉辦的“微軟全球學生大賽”中，一個代表隊進入全球Top200；2008年，在由中國電子協(xié)會主辦的Xlinx杯全國硬件開源設計大賽中(該賽事主要面向在校研究生)，我校作為唯一一支全部是本科生的參賽隊闖過兩輪復賽進入決賽，獲得優(yōu)勝獎。

目前，課題組主要成員正在組織學生參與的賽事還有：教育部和信息產業(yè)部主辦的網絡安全設計大賽；“第四屆博創(chuàng)杯全國大學生嵌入式系統(tǒng)應用設計優(yōu)秀作品評選活動”(已經進入決賽圈)；2008全國電子設計大賽。

8總結

創(chuàng)新實驗室成立兩年多以來，經過了初始時期的探索階段和后來的發(fā)展階段，目前已經初步形成了一套大學生

創(chuàng)新體系。實踐成果表明，這套創(chuàng)新實驗教學體系有較好的的科學性和合理性。隨著技術和教學理念的不斷發(fā)展，在今后的工作中，我們還需要不斷調整創(chuàng)新實驗教學體系，但這套體系的目標始終不變，即培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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