2021年09月02日 星期四
杭电教师创新实践平台 解决计算机硬件教学“卡脖子”难题
2021-11-19 17:21:15   来源:中新网浙江
杭电教师章复嘉。 杭电提供杭电教师章复嘉。 杭电提供

  中新网浙江新闻11月19日电 (谢盼盼 程振伟)位于浙江杭州的杭州电子科技大学计算机国家级实验教学示范中心,靠墙放置的大立柜上,上百个板卡不时闪烁,这也意味着,中国十几所大学的学生正在远程做着底层系统级硬件设计实验。

  19日,记者了解到,这个集ARM架构教学模型机和远程FPGA(可编程器件)实验平台为一体的教学解决方案,被认为是“独创性的教学改革”,解决了计算机专业学生“光听原理不动手”的实践难题,背后设计者是杭州电子科技大学教师章复嘉。

  近年来,中国计算机软硬件专业人才培养问题正引起业内人士的关注。据了解,过去计算机专业人才培养中,教师在教授《计算机组成原理》《数字电路设计》等课程时,学生主要使用分立元件的实验设备,存在“技术落后”“维护麻烦”等“卡脖子”问题,教学效果很不佳。而章复嘉主持研发的FPGA实验平台,配套提供一个仿真的ARM CPU系统软件,让学生先在仿真ARM CPU软件上交互式操作实验,然后再进行硬件开发,顺利开展基于仿真ARM CPU的计算机系统的设计。

  “现在计算机人才培养上普遍存在‘重软轻硬’现象,本科生在组成原理、系统结构、操作系统上的知识能力普遍不足,这必然影响中国实现摆脱计算机底层技术受制于人现状的大业。”长期从事计算机教学的杭州电子科技大学(简称杭电)教务处副处长林菲认为。

  章复嘉是一名长期深耕计算机专业基础底层硬件教学的教师,对这方面的“痛点”深有体会,“像计算机组成原理、数字电路设计、计算机系统结构等底层课程,涉及到硬件比较多,而现在中国高校在硬件教学上普遍没有好办法,学生光听原理不动手去做,很容易越听越困惑。”

  杭州电子科技大学是中国电子信息类四大名校之一,在电子、计算机等领域拥有较为深厚基础。杭电计算机科学与技术学科在全国第四轮学科评估中获评B+(前10%—20%)。章复嘉团队依托计算机国家级实验教学示范中心,自主研发了远程FPGA实验教学平台,自主设计了ARM教学模型机,开发了动画版的ARM CPU学习软件,编写了配套教材等,构建了融入数字电路设计、计算机组成原理等课程的计算机硬件基础课程教学生态圈。

  “我原来很惧怕硬件课程,觉得高深晦涩,不明白学了有什么用。而FPGA实验平台随时随地可以操作,我在反复实验中建立了学习硬件的自信心,激发了学习热情。”杭电卓越学院2019级学生朱洋洋如是说。

  事实上,仿真ARM CPU系统,凝聚着章复嘉的多年心血。

  “我们基于ARMV7公版资料,在不涉及知识产权侵权的前提下,通过外特性反复研究,推导出V7架构 CPU内部可能存在的结构,然后针对教学需要适当修改,设计出简单又先进的ARM教学模型机,使课程衔接更加连贯。”章复嘉表示。

  设计出FPGA板卡后,章复嘉团队随之搭建了远程实验平台。目前已经有厦门大学、安徽大学、河北地质大学等十几所大学的师生注册使用此平台,开展计算机组成原理等课程实验教学。该平台还受到了俄罗斯圣光机大学(ITMO University )计算机科学技术与控制学院院长波波索夫教授的高度评价,今后将通过杭电圣光机联合学院进行中俄共建课程的融合创新。

  “目前高校用高端硬件实验设备来配合实施复杂系统课程教学的还很少,杭电的远程实验平台是一种极具代表性的解决方案。如果把实验设备发给每位学生随时使用,按600人每届计算,每年需要大量经费投入,因此开发能实不虚、虚实结合、分时分片共享的远程实验平台,是解决设备高成本高消耗问题的极佳方案。”林菲表示。

  据了解,章复嘉团队还编写了和FPGA远程实验平台相配套的《计算机组成原理与系统结构实验指导书》,“提升计算机硬件基础课程的教学水平,培养能够解决‘卡脖子’难题的计算机专业人才,是我们计算机教师责无旁贷的使命。”章复嘉说。(完)

[编辑:王晶琦]