1. 成果简介

作为教育部计算机类专业教指委首批系统能力培养改革试点院校，我校积极响应国家“关于加强集成电路人才培养”的战略部署。通过虚拟仿真、多粒度自动评测以及师生校企共创数字化教学的“三使能”方法，构建起科教研用融通的硬件核心（硬核）课程数字化教学生态，助力学生建立硬件并行思维与系统认知，全面提升复杂硬件工程能力，并辐射带动计算机系统能力课程体系数字化转型升级。

计算机“硬核”课程“一生态三使能”数字化教学新范式

学生培养成果卓越，全国大学生计算机系统能力大赛（教育部A类顶级赛事）获奖20项，数量位列全国211高校首位，多名学生获评北京市优秀毕业设计，项目参与学生数十人至清华、北大、曼彻斯特大学等国内外顶尖高校从事芯片设计相关研究；近五年毕业生进入知名企业比例提升103%，顶尖高校深造比例提升约50%。课程建设成果显著，打造国家一流本科课程1门，并获评中国仿真学会高等教学成果奖一等奖，获得8项全国性教学竞赛奖励，被计算机教指委评为系统能力培养改革优秀试点院校；发表中文核心期刊教学论文10余篇，获得优秀论文奖2项；斩获北京市教学名师、计算机教指委专业优秀教师等荣誉7项，全国大学生计算机系统能力大赛优秀指导教师奖18人次。成果广泛应用，被知名在线实践教学平台采用，累计向68所高校推广，服务学生超9.6万余人次，执行评测超100万次；并在天津大学、北京师范大学、北方工业大学等高校本地部署，应用于《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《硬件课程设计》、《数字设计与计算机体系结构》等课程教学。辐射示范效应显著，受邀在中国计算机教育大会等全国教学会议报告10余场，发表论文累计被下载1万余次，获得广泛关注。

计算机“硬核”课程数字化教学方案  

2. 主要解决的教学问题

项目以科教研用融通的“硬核”课程数字化教学生态建设为目标，着力突破学生硬件思维与实践瓶颈、解决课程数字化转型难题。

教学问题及解决方法

（1）硬件并行思维与系统认知建立难的问题

教学问题：“先软后硬”教学模式下，学生已固化了软件串行思维，以CPU为代表的复杂数字系统内部执行过程抽象，结构和动态变化微观不可见，使学生难以直观掌握设计细节，硬件并行思维和系统认知能力无法快速建立。

解决方法：虚拟仿真，使能硬件并行思维与系统认知建立

通过虚拟仿真技术构建动态、可视、可交互的理实一体化环境，解决硬件思维建立瓶颈。① 将抽象不可见的微观过程转化为宏观可见的动态场景。将复杂数字系统的“黑盒”操作透明化，使学生直观“看到”指令与数据在时钟驱动下的流动与变化，降低因抽象性带来的认知负荷。② 针对学生的串行思维模式提供沉浸式的并行思维训练环境。将流水线并行、数据冲突与结构冒险过程动态化，使学生深刻理解并行与协作的硬件运行本质，帮助塑造并行思维。③ 打通从孤立模块到完整系统的硬件设计认知链条。在虚拟环境中乐高式构建系统级芯片系统，可视化软件指令驱动硬件模块协同工作过程，逐步建立从“自顶向下”的系统级工程认知能力。

（2）复杂硬件工程能力培养效率低的问题

教学问题：当前硬件实验评测依赖人工比对仿真波形，导致学生难以自主定位设计缺陷，实验效率低，教师被束缚在繁重的结果核验中，无力开展高层次指导，不能支撑复杂硬件工程能力培养所需的项目式实践。

解决方法：多粒度自动评测，使能复杂硬件工程能力培养

应用多粒度自动评测技术，构建覆盖代码、功能、行为和电路的多层次、自动化反馈体系，有效解决工程能力培养效率低的痛点。① 为学生提供即时、精准的逐层反馈。在代码、功能、行为、电路多粒度上分别进行语法、模块正确性、波形对比、硬件连接检验，使学生快速定位设计缺陷，显著提升调试能力和实验效率。② 将教师从评分员转变为教练员。将教师从繁重的手工验收中解放出来，并将学生的操作、调试过程数据化，使教师有更多精力进行个性化高阶指导，并对学生的工程能力进行量化综合评价。③ 打造复杂项目式实践环境基础。自动评测技术支持快速迭代和共享云平台部署，打破时空与资源限制，使高频的复杂项目式实践成为可能，为复杂工程能力培养提供环境保障。 

（3）硬件课程数字化转型挑战大的问题

教学问题：转型须要研制能透视数字系统内部并行运行机制的可视化认知工具、开发硬件描述语言自动评测与调度指引的实验平台、设计涵盖认知建立到复杂设计全过程的海量题库，技术密集、工作量巨大，企业或教师单一主体难以实现。

解决方法：师生校企共创，使能硬件课程数字化转型

通过师生校企多元协同、优势互补、价值共享，破解“硬核”课程数字化转型的技术密集、工作量大等核心挑战。① 在顶层设计中，教师发挥教学与创新能力优势，将学习难点、教学痛点转化为具体技术需求，学生和企业探索技术可行性，共同决策开发路径。② 在研发迭代中，教师带领学生专注核心技术的研究与优化，锻炼学生创新工程能力，企业工程师将技术工程化，构建稳定、可扩展的平台架构，处理并发响应等工程问题。③ 在教学融合中，教师设计项目式学习任务，学生在用中学、产生数据和行为反馈，从而优化工具、题库等数字化资源，企业在应用场景中打磨产品，完成从“可用”到“好用”的飞跃，最终，形成课程转型、能力提升、产品优化的多方共赢。