美女老师与计算机教学“急难愁盼”难题死磕！学生：“高深晦涩的硬件课程，我不怕了”
在杭电下沙校区第十一教学楼的计算机国家级实验教学示范中心里，靠墙放置的大立柜上，上百个板卡不时闪烁。这是全国十几所大学的学生正在远程做底层系统级硬件设计实验。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“极具独创性的教学改革”，背后站着一位叫章复嘉的美女教师。
社会上广为认知的是，中国在计算机底层软件（操作系统、编译器等）和硬件（芯片等)上，都有被“卡脖子”的风险，例如ARM芯片架构不开源，还有诸如MATLAB这样的软件，都存在被“断供”可能性。计算机底层软硬件设计人才缺乏，比前些年媒体热议的高端芯片代工制造“更让人头疼”。
而近年来，与中国在计算机底层软硬件设计上的受制于人相对应的“专业人才培养问题”，正引起业内人士的关注。
“计算机本科人才培养，关系重大、影响深远。现在国内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电教务处副处长林菲认为。
章复嘉作为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，而现在国内高校在硬件教学上普遍没有太好办法，学生光听原理不动手去做，很容易越听越困惑。而现在高水平本科教学，是要培养具有系统思维能力的计算机人才。特别是在这方面，国内和美国本科生的差距还是很大的。”
杭州电子科技大学是我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。学生“做中学”，不断“try”，解决了“计算机基础硬件类课程门槛高、效果差”的老大难问题。
据了解，过去计算机专业人才培养中，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。“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。课上章老师深入浅出的讲解，让我认识到学习底层硬件设计非常重要，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，激发了极大的学习热情。”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，凝聚着章复嘉老师的多年心血。“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。使得课程衔接更加连贯，这样我们在底层硬件教学上，就让学生大大的受益，学生分析系统和设计系统的能力大大提升。可以说，这是计算机基础硬件教学领域的革命性飞跃、突破。”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。
“目前国内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/届计算，每年需要大量经费投入，实现每个学生人手一块板卡根本不现实，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》，这是国家级十二五规划教材《计算机组成原理与系统结构（第2版）》的配套实验教材。“计算机专业学生系统能力不足，让我深感任重道远，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，是我们计算机教师旁无责贷的使命，我和我的团队愿为之奋斗。”章复嘉告诉记者。
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文 字 | 程振伟
排 版 | 张听听
责 编 | 楼 威
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