瞄準技術(shù)前沿 引領(lǐng)實驗創(chuàng)新—訪清華大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心主任楊士強教授

瞄準技術(shù)前沿 引領(lǐng)實驗創(chuàng)新—訪清華大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心主任楊士強教授

自主研發(fā)的特色設(shè)備

這次“國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)成果展示交流會”我們中心將要展示兩款影響力較大的設(shè)備：遠程硬件實驗統(tǒng)一平臺和Netriver網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，這是中心自主研發(fā)的最新設(shè)備。

首先介紹一下網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)Netriver?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)三層協(xié)議主要用的是IPv4，即第四版本IP協(xié)議。運用Netriver系統(tǒng)，既能做與IPv4相關(guān)的實驗，也能做與IPv6相關(guān)的新實驗系統(tǒng)。

現(xiàn)在，美國、歐洲、日本和中國都在推廣與IPv6相關(guān)聯(lián)的技術(shù)與產(chǎn)品。中國在IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)會上提出RFC標準的主要力量就是清華，清華之所以能夠提出這些標準，就是因為我們的技術(shù)力量跟上了“國際的步伐”。

我們所研發(fā)的IPv6核心路由器，在2005年獲得了國家科技進步二等獎。在此基礎(chǔ)上，我們想讓本科生在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時能接觸到最新的技術(shù)，學(xué)生通過實驗去體會問題，在2007年年底就推出了這個系統(tǒng)—Netriver。在科研成果向?qū)嶒炥D(zhuǎn)化思想的指導(dǎo)下，我們研發(fā)的新系統(tǒng)讓清華的學(xué)生能夠站在技術(shù)的前沿，能夠在此基礎(chǔ)上走得更遠、更深，這就是清華教學(xué)思想的特點。

我們中心在展會展示的第二件成果，是“遠程硬件實驗統(tǒng)一平臺”。這個硬件設(shè)備主要有兩點創(chuàng)新：遠程和統(tǒng)一。

圖1 遠程網(wǎng)絡(luò)實驗統(tǒng)一平臺

遠程：以前的硬件實驗是在固定的時間和地點完成的，一個小實驗箱，動手接插一下芯片、給定輸入、檢查輸出，用儀器、儀表測量一下，就可以完成實驗，這是以前的實驗方式。有了網(wǎng)絡(luò)，在遠程硬件實驗統(tǒng)一平臺的支持下，就大大改觀了這種固定的實驗?zāi)Ｊ?，學(xué)生不再被約束，他們可以自由選擇實驗?zāi)Ｊ剑粲袉栴}可以選擇去實驗室做實驗，與教師一起解決問題；有的問題也可以通過遠程網(wǎng)絡(luò)來解決。通過遠程實驗，打破了學(xué)生做實驗必須去實驗室的局面，創(chuàng)建了計算機硬件實驗的新模式。這個系統(tǒng)我們已經(jīng)投入使用了2年，效果很好。并獲得了校實驗室技術(shù)成果一等獎。目前，這個系統(tǒng)在國內(nèi)只有清華才有，根據(jù)2009年的調(diào)研結(jié)果，美國麻省理工學(xué)院(MIT)也有類似的實驗設(shè)備。需要說明的是，遠程做的實驗不是虛擬實驗，是在實驗室由真實的硬件系統(tǒng)支持，遠程操作來完成的實驗，是真正的硬件實驗。

統(tǒng)一：過去的硬件實驗主要做的是硬件類的核心實驗。硬件的核心課程包括：數(shù)字邏輯、計算機組成原理和計算機體系結(jié)構(gòu)，還有其他的一些課程。國內(nèi)大部分學(xué)校把這3個核心課程的實驗平臺都是分開、相對獨立的，每一科教師都要花一部分時間去講解這個實驗系統(tǒng)，學(xué)生每門課都要花時間學(xué)習(xí)各課用的實驗系統(tǒng)，浪費了很多寶貴時間。針對這種情況，我們就設(shè)想能不能把這部分時間節(jié)省出來，只是讓他們在初次接觸這個系統(tǒng)的時候去了解、掌握這個系統(tǒng)，于是我們想到了“統(tǒng)一”。

圖2 遠程網(wǎng)絡(luò)實驗統(tǒng)一平臺

促使我們想到“統(tǒng)一”的還有另外一個推力：麻省理工學(xué)院把非計算機專業(yè)的硬件課程做到了統(tǒng)一，實驗也可以這樣做?，F(xiàn)在系里每學(xué)期大約150人用此系統(tǒng)做實驗，我們在服務(wù)器上最多掛50個設(shè)備就可以了，因為同學(xué)們在同一時間做同一個實驗的概率很小，可以分時段來使用，這樣就提高了設(shè)備利用率，降低了投入，實驗效果也非常好。有了這個系統(tǒng)，同學(xué)們可以從二年級開始做基本的實驗去了解它，到三年級可以做自己的CPU，最后做出各式各樣體系結(jié)構(gòu)的微處理器，再把相關(guān)操作系統(tǒng)，必要的軟件如編譯器放在系統(tǒng)里，最后可以拿著自己設(shè)計的PC走出校門。

處在技術(shù)前沿的實驗裝置

如果從實驗室使用的計算機這方面看，我們中心在國內(nèi)可能是屬于比較落后的。由于實驗室使用的計算機量比較大，我們更新的速度相對較慢。小的實驗，小的器件，我們可以給同學(xué)們免費提供，但是大批量的更換計算機，從資金方面來說，更換頻率會很低。但是做實驗需要的核心設(shè)備，像Netriver、遠程硬件實驗統(tǒng)一平臺，有200多所學(xué)校正在使用TEC系列組成原理實驗設(shè)備，260多所學(xué)校正在使用的TPC系列微機接口實驗裝置等，都是我們中心研發(fā)的。不管是在國內(nèi)還是國際上，我們是處在實驗室設(shè)備水平和技術(shù)水平的前沿。

圖3 Netriver網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)

現(xiàn)在我們學(xué)校里用的實驗設(shè)備，除了通用計算機和基本的設(shè)備，我們大都使用自己研發(fā)的設(shè)備。因為我們自己研發(fā)的設(shè)備可以體現(xiàn)出我們實驗的創(chuàng)新,體現(xiàn)出我們解決問題的能力,更重要的是給學(xué)生創(chuàng)造接觸前沿技術(shù)的平臺,給學(xué)生拓展更大的創(chuàng)新空間,自主研發(fā)實驗裝置也是我們清華大學(xué)實驗室的一個傳統(tǒng)。

圖4 TEC2008實驗教學(xué)機

全面考慮實驗室安全問題

實驗室的安全問題是實驗室教師特別關(guān)心的問題，我們認為應(yīng)該從兩個方面考慮：學(xué)生安全和實驗室儀器安全。

實驗室里都是弱電，基本上不會對學(xué)生的人身安全造成威脅，要說可能有危險的就是燒器件引起的各種隱患。如數(shù)字邏輯課程的彩燈實驗，這是一個特色實驗，在這個試驗中，除了讓學(xué)生知道正常的實驗知識外，我們還允許學(xué)生去反向思維：如果我們把電源接反，會出現(xiàn)什么情況。那么在這種情況下，就有可能出現(xiàn)燒器件的現(xiàn)象。這是一個例子，可以讓學(xué)生知道，弱電5V也好，12V也好，也不是絕對的安全，可以讓學(xué)生知道實驗的另一個現(xiàn)象。

實驗室儀器的安全問題主要發(fā)生在兩個階段上。一是低年級同學(xué)做實驗的時候可能會出現(xiàn)電容接反的現(xiàn)象，特別是電解電容，這樣可能會燒壞設(shè)備。二是遠程系統(tǒng)階段。遠程系統(tǒng)里用到的一個核心芯片是FPGA，這個芯片是可編程器件，可以硬性地把某個引腳做成輸入或輸出，如果跟外圍設(shè)計出現(xiàn)沖突，就會有可能把實驗用的FPGA管腳或者整個芯片燒毀。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，首先在教學(xué)中，教師要講解這部分知識，讓學(xué)生避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，并學(xué)會怎樣處理。目前我們研發(fā)的軟件系統(tǒng)，會要求學(xué)生首先驗證自己的實驗是否有危險，若發(fā)現(xiàn)危險就不允許繼續(xù)操作硬件實驗系統(tǒng)，根據(jù)提示，學(xué)生修改并通過驗證后，才能繼續(xù)實驗操作，從而避免儀器設(shè)備的損壞。

豐碩的教材建設(shè)成果

計算機教學(xué)中教材建設(shè)和課程建設(shè)具有至關(guān)重要的地位和作用。在課程建設(shè)方面，我們有7門課獲國家級精品課，包括計算機語言與程序設(shè)計、計算機組成原理、計算機文化基礎(chǔ)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計、計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)。另外專業(yè)實習(xí)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)、人工智能導(dǎo)論、計算機網(wǎng)絡(luò)原理、操作系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路為清華大學(xué)精品課。

作為實驗教學(xué)成果的一部分，教材建設(shè)是我們注重的另一個方面。我們積極參與世界先進技術(shù)和理論的研究，密切關(guān)注前沿計算機科學(xué)與技術(shù)課程和實驗，及時地推出各種教學(xué)和實驗教材。近幾年比較有代表作用的教材如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，其三個版次、兩種語言(C語言版和C＋＋版)的總發(fā)行量超過了300萬冊；《PASCAL程序設(shè)計》及其實驗指導(dǎo)教材的發(fā)行量超過120萬冊；《計算機文化基礎(chǔ)》及其實驗指導(dǎo)教材的發(fā)行量超過了110萬冊；《IBM-PC匯編語言程序設(shè)計》及其實驗指導(dǎo)書的發(fā)行量也超過了110萬冊，還有像《計算機圖形學(xué)》《計算機操作系統(tǒng)教程》《微型計算機技術(shù)及應(yīng)用》等的發(fā)行量也都在50萬冊至100萬冊之間，這樣大發(fā)行量的教材還有很多。

近5年，在教材建設(shè)方面有16種教材獲得省部級以上獎勵，其中獲得國家級教學(xué)成果二等獎的教材6種；獲得國家科技進步三等獎的教材1種；獲得教育部科技進步一等獎的教材1種；獲得教育部全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎的教材1種；獲得北京市高等教育精品教材7種；獲得北京市教育教學(xué)成果一等獎的教材1種；列為普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材3種；列為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材47種。我們還在不斷地總結(jié)科研和教學(xué)成果，適時地推出包括“十一五”規(guī)劃教材在內(nèi)的各種系列教材。

編后語：在采訪過程中，筆者還了解到，為了提升實驗教學(xué)的效果，創(chuàng)造更好的實驗教學(xué)氛圍，計算機學(xué)科組10個示范中心每年都會召開多次交流會，互相學(xué)習(xí)，還組織考察團去美國重點大學(xué)進行計算機實驗學(xué)考察。楊士強教授面帶笑容的說：“教育部組織建設(shè)的各個層次、各個領(lǐng)域的實驗教學(xué)示范中心，把全國大學(xué)實驗教學(xué)的地位提高了，穩(wěn)定了實驗教學(xué)師資隊伍，加強培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力，讓學(xué)生從中受惠，這在中國教育發(fā)展史上都是一件重要的事情”。

廈門大學(xué)經(jīng)濟與管理實驗教學(xué)中心主任簡介

朱孟楠，教授，博士生導(dǎo)師，國際金融學(xué)家、廈門大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院副院長、全國經(jīng)濟管理實驗教學(xué)實驗中心聯(lián)席會議組長單位主任、廈門大學(xué)經(jīng)濟管理實驗教學(xué)中心主任、中國金融學(xué)會理事、《國際金融研究》編委、福建省金融學(xué)會理事并學(xué)術(shù)委員、福建錢幣學(xué)會副會長、國家級重點學(xué)科—金融學(xué)國際金融專業(yè)學(xué)術(shù)帶頭人，廈門大學(xué)興業(yè)銀行金融創(chuàng)新研究中心副主任，廈門市政府金融顧問。

朱孟楠教授長期從事金融理論與政策的教學(xué)與科研工作，目前主要研究方向為國際金融及臺港澳與東南亞金融。獲廈門大學(xué)“金鼎獎教金”“建設(shè)銀行獎教金”及廈門大學(xué)十大教學(xué)名師稱號。在《金融研究》《國際金融研究》《世界經(jīng)濟》等刊物發(fā)表論文150多篇，獨立及合作出版10多部著作和教材。承擔、參與自然科學(xué)及省部基金等資助的20多個項目研究；22項研究成果獲“全國高校金融類優(yōu)秀教材二等獎”“福建省社會科學(xué)優(yōu)秀成果二等獎”“福建省優(yōu)秀金融論文一等獎”以及“廈門市社會科學(xué)優(yōu)秀成果一等獎”等25次獎勵。先后出席在美國、日本、馬來西亞、菲律賓、香港、澳門等國家和地區(qū)召開的國際學(xué)術(shù)研討會，并應(yīng)邀到澳大利亞、法國、德國、比利時、荷蘭、盧森堡等國學(xué)習(xí)與學(xué)術(shù)交流。

自擔任廈門大學(xué)經(jīng)濟管理實驗教學(xué)中心主任以來，朱孟楠教授潛心研究經(jīng)濟管理類實驗教學(xué)的理論和實踐，銳意改革，在廈門大學(xué)推行研究型的實驗教學(xué)改革，取得了豐碩成果。作為聯(lián)席會議組長單位的負責(zé)人，朱孟楠教授多次主持各次全國實驗工作交流會、聯(lián)席會工作會等，推動了全國經(jīng)濟管理示范中心的交流學(xué)習(xí)工作，有力地促進了經(jīng)濟管理實驗教學(xué)的發(fā)展。