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新工科数字系统实验教改与实践

摘要：本文结合新工科交叉融合建设、思政与劳动教育培养要求，构建了“计算控制通信”融合计算机系统基础工程实践体系，并围绕数字系统实验开展体验式学习网络教学方式、思政实践和过程考核，切实培养了学生的工程实践思维，持续提高了学生解决问题和创新能力。

中图分类号：G434文献标识码：A论文编号：1674-2117（2024）20-0000-05

根据以上新工科建设和指导纲要的要求，同时结合计算机专业培养具备创新意识、扎实计算机基础理论和应用技能的高素质人才以满足行业和区域经济发展需求的教学目标，笔者认为，有必要结合计算机科学教学计划中数字系统实验EDA工具与平台建设要求，构建实验教学新模式。

实验教学改革思路

实验教学改革方案与实践

本实验利用基本物理装置和系统，实现“仿真实验”与“实体系统实验”映射，从掌握常用电子仪器使用开始，理解并掌握电路与电子学基本物理量测试与分析，强化相应课程书本知识理解与运用能力，提升解决复杂工程问题的技能。

1.实践内容设计

本实验的设计，分析了不同课程产出和电子测试教学的目标边界，并以工程问题为基础关联技能教学，帮助学生适应智能物联网的复杂计算系统并展开学习。

（1）不同课程中电子测试教学偏重不同

大学物理实验是科学理论和工程知识的源泉，也包含了误差理论，搭配现有物理设备和系统完成测量，并采用Origin实验数据处理，能够为复杂的工程测量奠定基础。电路分析、数字逻辑、电路与电子学的课程实验，由于电路系统和数字系统的复杂性带来多种模块测试和多种测量组合，往往采用计算机辅助计算仿真软件为主的工具。因此，本实验支撑的计算机科学专业毕业要求是使用现代工具（如图1）。

（2）工程思维的“结构、约束、取舍”工具

本实验所处控制层的设计充分体现了培养学生复杂工程问题的工程思维，包含对工程问题预测结构、现实约束理解和方案决断能力。

（3）问题关联技能的数字IC应用案例

不同于理论课程教学沿着本学科专业知识结构顺序教学，本课程以问题引入案例模块和实验任务，联合多种技能训练，如上页图2所示。

（4）面向测试与思维培养的FPGA开发案例

借助高性能和低时延、可重构和可升级、低功耗和低成本等优势，FPGA可以快速开发灵活的智能边缘应用和嵌入式应用，帮助用户应对数据采集质量、多源数据融合、复杂事件处理、云边端融合、安全及隐私保护等工程问题。因此，可以通过案例学习掌握FPGA开发流程，搭建数字系统原型，培养解决问题思维，为复杂的工程实现奠定基础（如图3）。

（5）应对复杂性的阶梯式开放式综合案例

计算机工程常见的问题是如何进行全面的系统设计和开发。一方面，在实际需求的综合性问题上，除了考虑项目需求、技术选型、资源分配等多方因素，也要结合平台实验前置技能掌握情况，平衡好引导阶梯，控制试错成本。另一方面，案例的开放性带来更好的灵活性，可以满足不断变化的产业需求，也预留出持续性改进空间（如图4）。

2.教学方式

学生要整体联动实践学习网络，构建个人学习体系，进行自主体验式学习，适应社会化学习和计算机工程领域发展需求（如图5）。

（1）借助实验平台资源打造个人学习体系

①明确模块任务与资源。阅读课程相关资料，大致了解各模块实验任务、硬件平台仪器和开发软件工具、线上慕课等。

②参考围绕工程实现，使用导览式学习计划，方便根据个人兴趣和时间灵活安排路径。避免人流量过大带来的时间开销远超预想从而造成体验感不足。

（2）在引导下自主体验式学习

学生只有先体验才能产生对外界的感知，经过批判反思才能获得新的体悟经验，然后再通过主动应用经验迁移学习带来新体验新感知，形成新一轮迭代，让学习经验呈螺旋上升式累积。

（3）以他人为师，同时通过输出丰富社群资源

实验课程的社会化学习以真实世界的工程事物为学习素材，让更多的人参与到教学过程中。学生可以通过课堂现场答疑、线上社群提问或慕课学习等方式，打破学习时空限制。

3.思政点实践

（1）实验室安全和使用——思政点：工程伦理

理解：了解实验室位置功能，电气安全、开关门禁、垃圾卫生等实验开放制度。

体验：在线章节训练，自动评分，如实验室椅子归位、室内垃圾禁止标志、离开“五关”动作排序、开放时段实验室正常使用行为排序。

（2）PCB设计布板——思政点：工匠精神与国产化替代

理解：PCB设计软件开源与国产化替代。

应用：无线RGB彩灯电路板设计。方寸之间，布局合理，布线美观。布局安装孔和灯中心孔与结构图一致且合理；电源和信号线宽合理；敷铜中孤铜、单端细导线突起、层数和热焊盘等；位号粗细、位置与方向摆放合理；生产前检查和加工文件导出。

（3）数模转换与波形（选修）——思政点：强化知识产权保护

理解：知识产权保护与半导体行业的IP上游存储模块IP应用。

体验：HDL编写波形发生器并仿真验证，