瞄准技术前沿 引领实验创新——访清华大学计算机实验教学中心主任杨士强教授

    这次“国家级实验教学示范中心建设成果展示交流会”我们中心将要展示两款影响力较大的设备：远程硬件实验统一平台和Netriver网络实验系统，这是中心自主研发的最新设备。

清华大学计算机实验教学中心主任杨士强教授

    首先介绍一下网络实验系统Netriver。现在网络三层协议主要用的是I P v4，即第四版本I P协议。运用Netriver系统，既能做与IPv4相关的实验，也能做与IPv6相关的新实验系统。

    现在，美国、欧洲、日本和中国都在推广与IPv6相关联的技术与产品。中国在IETF(互联网工程任务组)会上提出RFC标准的主要力量就是清华，清华之所以能够提出这些标准，就是因为我们的技术力量跟上了“国际的步伐”。

    我们所研发的IPv6核心路由器，在2005年获得了国家科技进步二等奖。在此基础上，我们想让本科生在学习网络技术时能接触到最新的技术，学生通过实验去体会问题，在2007年年底就推出了这个系统—Netriver。在科研成果向实验转化思想的指导下，我们研发的新系统让清华的学生能够站在技术的前沿，能够在此基础上走得更远、更深，这就是清华教学思想的特点。

    我们中心在展会展示的第二件成果，是“远程硬件实验统一平台”。这个硬件设备主要有两点创新：远程和统一。

    远程：以前的硬件实验是在固定的时间和地点完成的，一个小实验箱，动手接插一下芯片、给定输入、检查输出，用仪器、仪表测量一下，就可以完成实验，这是以前的实验方式。有了网络，在远程硬件实验统一平台的支持下，就大大改观了这种固定的实验模式，学生不再被约束，他们可以自由选择实验模式，若有问题可以选择去实验室做实验，与教师一起解决问题；有的问题也可以通过远程网络来解决。通过远程实验，打破了学生做实验必须去实验室的局面，创建了计算机硬件实验的新模式。这个系统我们已经投入使用了2年，效果很好。并获得了校实验室技术成果一等奖。目前，这个系统在国内只有清华才有，根据2009年的调研结果，美国麻省理工学院(MIT)也有类似的实验设备。需要说明的是，远程做的实验不是虚拟实验，是在实验室由真实的硬件系统支持，远程操作来完成的实验，是真正的硬件实验。

    统一：过去的硬件实验主要做的是硬件类的核心实验。硬件的核心课程包括：数字逻辑、计算机组成原理和计算机体系结构，还有其他的一些课程。国内大部分学校把这3个核心课程的实验平台都是分开、相对独立的，每一科教师都要花一部分时间去讲解这个实验系统，学生每门课都要花时间学习各课用的实验系统，浪费了很多宝贵时间。针对这种情况，我们就设想能不能把这部分时间节省出来，只是让他们在初次接触这个系统的时候去了解、掌握这个系统，于是我们想到了“统一”。

    促使我们想到“统一”的还有另外一个推力：麻省理工学院把非计算机专业的硬件课程做到了统一，实验也可以这样做。现在系里每学期大约150人用此系统做实验，我们在服务器上最多挂50个设备就可以了，因为同学们在同一时间做同一个实验的概率很小，可以分时段来使用，这样就提高了设备利用率，降低了投入，实验效果也非常好。有了这个系统，同学们可以从二年级开始做基本的实验去了解它，到三年级可以做自己的CPU，最后做出各式各样体系结构的微处理器，再把相关操作系统，必要的软件如编译器放在系统里，最后可以拿着自己设计的P C走出校门。

    处在技术前沿的实验装置

    如果从实验室使用的计算机这方面看，我们中心在国内可能是属于比较落后的。由于实验室使用的计算机量比较大，我们更新的速度相对较慢。小的实验，小的器件，我们可以给同学们免费提供，但是大批量的更换计算机，从资金方面来说，更换频率会很低。但是做实验需要的核心设备，像Netriver、远程硬件实验统一平台，有200多所学校正在使用T E C系列组成原理实验设备，260多所学校正在使用的TPC系列微机接口实验装置等，都是我们中心研发的。不管是在国内还是国际上，我们是处在实验室设备水平和技术水平的前沿。

    现在我们学校里用的实验设备，除了通用计算机和基本的设备，我们大都使用自己研发的设备。因为我们自己研发的设备可以体现出我们实验的创新,体现出我们解决问题的能力,更重要的是给学生创造接触前沿技术的平台,给学生拓展更大的创新空间,自主研发实验装置也是我们清华大学实验室的一个传统。

    全面考虑实验室安全问题

    实验室的安全问题是实验室教师特别关心的问题，我们认为应该从两个方面考虑：学生安全和实验室仪器安全。

    实验室里都是弱电，基本上不会对学生的人身安全造成威胁，要说可能有危险的就是烧器件引起的各种隐患。如数字逻辑课程的彩灯实验，这是一个特色实验，在这个试验中，除了让学生知道正常的实验知识外，我们还允许学生去反向思维：如果我们把电源接反，会出现什么情况。那么在这种情况下，就有可能出现烧器件的现象。这是一个例子，可以让学生知道，弱电5V也好，12V也好，也不是绝对的安全，可以让学生知道实验的另一个现象。

    实验室仪器的安全问题主要发生在两个阶段上。一是低年级同学做实验的时候可能会出现电容接反的现象，特别是电解电容，这样可能会烧坏设备。二是远程系统阶段。远程系统里用到的一个核心芯片是FPGA，这个芯片是可编程器件，可以硬性地把某个引脚做成输入或输出，如果跟外围设计出现冲突，就会有可能把实验用的FPGA管脚或者整个芯片烧毁。为了避免这种现象发生，首先在教学中，教师要讲解这部分知识，让学生避免这种现象的发生，并学会怎样处理。目前我们研发的软件系统，会要求学生首先验证自己的实验是否有危险，若发现危险就不允许继续操作硬件实验系统，根据提示，学生修改并通过验证后，才能继续实验操作，从而避免仪器设备的损坏。

    丰硕的教材建设成果

    计算机教学中教材建设和课程建设具有至关重要的地位和作用。在课程建设方面，我们有7门课获国家级精品课，包括计算机语言与程序设计、计算机组成原理、计算机文化基础、面向对象的程序设计、计算机系统结构、汇编语言程序设计、计算机图形学基础。另外专业实习、数据结构、计算机程序设计基础、人工智能导论、计算机网络原理、操作系统、数字逻辑电路为清华大学精品课。

    作为实验教学成果的一部分，教材建设是我们注重的另一个方面。我们积极参与世界先进技术和理论的研究，密切关注前沿计算机科学与技术课程和实验，及时地推出各种教学和实验教材。近几年比较有代表作用的教材如《数据结构》，其三个版次、两种语言(C语言版和C＋＋版)的总发行量超过了300万册；《PASCAL程序设计》及其实验指导教材的发行量超过120万册；《计算机文化基础》及其实验指导教材的发行量超过了110万册；《IBM-PC汇编语言程序设计》及其实验指导书的发行量也超过了110万册，还有像《计算机图形学》《计算机操作系统教程》《微型计算机技术及应用》等的发行量也都在50万册至100万册之间，这样大发行量的教材还有很多。

    近5年，在教材建设方面有16种教材获得省部级以上奖励，其中获得国家级教学成果二等奖的教材6种；获得国家科技进步三等奖的教材1种；获得教育部科技进步一等奖的教材1种；获得教育部全国普通高等学校优秀教材二等奖的教材1种；获得北京市高等教育精品教材7种；获得北京市教育教学成果一等奖的教材1种；列为普通高等教育“十五”国家级规划教材3种；列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材47种。我们还在不断地总结科研和教学成果，适时地推出包括“十一五”规划教材在内的各种系列教材。

    编后语：

    在采访过程中，笔者还了解到，为了提升实验教学的效果，创造更好的实验教学氛围，计算机学科组1 0个示 范中心每年都会召开多次交流会，互相学习，还组织考察团去美国重点大学进行计算机实验学考察。杨士强教授面带笑容的说：“教育部组织建设的各个层次、各个领域的实验教学示范中心，把全国大学实验教学的地位提高了，稳定了实验教学师资队伍，加强培养了学生的创新和动手能力，让学生从中受惠，这在中国教育发展史上都是一件重要的事情”。