計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)探索

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摘要：在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才已成為國(guó)內(nèi)外教育專(zhuān)家的普遍共識(shí)，但如何在應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)中實(shí)施仍然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。結(jié)合應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型改革，闡述了在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面的探索過(guò)程，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)落實(shí)到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力培養(yǎng)；應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)；教學(xué)改革

1概述

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的興起，大量智能硬件如智能手機(jī)、傳感器、電子標(biāo)簽、可穿戴設(shè)備等進(jìn)入到人們?nèi)粘Ｉ钪?，?jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，需要一大批“綜合應(yīng)用硬件和軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的卓越工程師。因此，對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)要求正在由“程序”設(shè)計(jì)向“系統(tǒng)”設(shè)計(jì)層面轉(zhuǎn)移。ACM和IEEE聯(lián)合公布的CS2013計(jì)算機(jī)科學(xué)課程指南特別強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出：計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才應(yīng)具備四大專(zhuān)業(yè)能力，包括計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力，其中系統(tǒng)能力占總能力點(diǎn)的75%。因此，在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才已成為國(guó)內(nèi)外教育專(zhuān)家的普遍共識(shí)。吉林大學(xué)珠海學(xué)院是廣東省普通本科高校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)變的試點(diǎn)單位，順應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展需求，圍繞區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)，實(shí)施了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，糾正學(xué)生“欺軟怕硬”的學(xué)習(xí)觀念，提高學(xué)生軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生成為一名具有系統(tǒng)能力的“軟硬件貫通”的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才。

2課程體系的構(gòu)建

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)課程體系是按照層次結(jié)構(gòu)劃分各門(mén)課程，無(wú)意中割裂了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)層次之間的關(guān)聯(lián)，客觀上導(dǎo)致了每門(mén)課程只是關(guān)注各自的知識(shí)體系的完整性，課程講授內(nèi)容是相互獨(dú)立的。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了各門(mén)課程中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，但是就如“盲人摸象”一樣，很難形成一個(gè)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)。所以面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系需要重構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力的教學(xué)模塊，其中最關(guān)鍵就是要求學(xué)生能以程序員的視角理解計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)者的角度理解程序的執(zhí)行，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各抽象層的實(shí)現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換機(jī)制、計(jì)算機(jī)軟硬件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相互影響。我們分析了應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所需知識(shí)結(jié)構(gòu)，堅(jiān)持“因材施教，分類(lèi)指導(dǎo)”的指導(dǎo)方針，制訂了注重系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系：一是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，如數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等；二是專(zhuān)業(yè)核心課程，如計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)等；三是專(zhuān)業(yè)應(yīng)用課程，如嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)、智能手機(jī)軟件設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)等。作為一所應(yīng)用型本科高校，考慮學(xué)生實(shí)際情況和培養(yǎng)目標(biāo)，沒(méi)有設(shè)置編譯原理、形式語(yǔ)言與自動(dòng)機(jī)等理論性較強(qiáng)的課程。

3課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由于涉及多門(mén)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的軟、硬件課程，知識(shí)體系龐大，各門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容交叉多。所以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力建設(shè)需要多門(mén)課程之間的銜接與聯(lián)動(dòng)，僅僅對(duì)某一門(mén)課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整并不能取得良好效果，我們確定要以數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程作為主線，將所有與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)密切相關(guān)的課程都有機(jī)串聯(lián)融合起來(lái)，構(gòu)建基于課程群的系統(tǒng)能力建設(shè)模式。課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整思路是：從程序設(shè)計(jì)視角出發(fā)，改變傳統(tǒng)軟硬件分離的教學(xué)方法，理順各層次課程之間的銜接關(guān)系，改變各門(mén)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)離散、部分內(nèi)容重疊的現(xiàn)象，給學(xué)生提供了一個(gè)完整而清晰的學(xué)習(xí)路線。數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程的教學(xué)重點(diǎn)在邏輯器件應(yīng)用和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。因此，以組合邏輯與時(shí)序邏輯作為基礎(chǔ)，加入FP⁃GA設(shè)計(jì)知識(shí)，引入EDA設(shè)計(jì)工具和Verilog硬件描述語(yǔ)言，加強(qiáng)以計(jì)算機(jī)功能部件作為設(shè)計(jì)實(shí)例的教學(xué)，能設(shè)計(jì)基本邏輯部件與組件如編碼器、譯碼器、計(jì)數(shù)器、寄存器、多路選擇器、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元等，掌握復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)能力和時(shí)序分析能力，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程重點(diǎn)解析計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)基本組成、運(yùn)行原理和協(xié)同工作機(jī)制，分析計(jì)算機(jī)組成對(duì)系統(tǒng)性能的影響，闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的概念。課程教學(xué)需增加有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)如何協(xié)同工作的知識(shí)點(diǎn)，例如將指令執(zhí)行過(guò)程和異常、中斷、存儲(chǔ)訪問(wèn)、I/O訪問(wèn)等重要概念和技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行介紹；講述與程序設(shè)計(jì)有密切關(guān)系的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過(guò)程調(diào)用、程序訪問(wèn)局部性等。操作系統(tǒng)課程的理論教學(xué)定位于操作系統(tǒng)的組成及運(yùn)行機(jī)理，側(cè)重從系統(tǒng)軟件角度管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源，以Linux為例講述操作系統(tǒng)的基本概念和方法、設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，主要內(nèi)容包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理、任務(wù)調(diào)度和切換等知識(shí)點(diǎn)，特別需強(qiáng)調(diào)軟硬件依賴關(guān)系和協(xié)同工作機(jī)制，即操作系統(tǒng)與CPU之間在中斷、同步等方面的銜接關(guān)系。

4課程教學(xué)方式的改革

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程如果按照傳統(tǒng)教學(xué)方式，一般是先在課堂講授相關(guān)理論知識(shí)，再到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各層次課程涉及的知識(shí)點(diǎn)十分繁雜而抽象，學(xué)生只會(huì)越學(xué)越覺(jué)得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高深莫測(cè)，既枯燥無(wú)味又不容易掌握，久而久之就會(huì)產(chǎn)生對(duì)硬件的畏難情緒，而且在實(shí)驗(yàn)之前還需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行復(fù)習(xí)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程教學(xué)借鑒CDIO工程教育模式，以解決“教師本位”向“學(xué)生本位”轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，將課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融為一體，采用“做中學(xué)”和“按需教”的教學(xué)組織模式。其目的就是通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計(jì)，綜合設(shè)計(jì)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生在“做”的過(guò)程中，通過(guò)自己的動(dòng)手體驗(yàn)，通過(guò)自己對(duì)知識(shí)的獲取、歸納與總結(jié)，能夠深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，獲得遠(yuǎn)超課堂教學(xué)的教學(xué)效果。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程將采用“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、案例導(dǎo)向”的教學(xué)模式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為手段，采用FPGA+ARM+Linux作為統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，按照“基本邏輯部件、計(jì)算機(jī)功能部件、計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)”的思想逐層開(kāi)展，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐完整地貫穿于各層次課程之中，構(gòu)建了一個(gè)階段化、層次化、系統(tǒng)化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，形成“學(xué)習(xí)、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)”的CDIO工程教育完整過(guò)程。首先，數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程需要從門(mén)電路開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)基本邏輯部件如譯碼器、選擇器、寄存器等，使學(xué)生能熟悉EDA設(shè)計(jì)的全過(guò)程；然后，計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程通過(guò)計(jì)算機(jī)功能部件如運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和I/O接口的設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力；最終，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)則增加指令系統(tǒng)、中斷、數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)，并將計(jì)算機(jī)各功能部件通過(guò)總線互聯(lián)為一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使學(xué)生全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，理清軟硬件之間的聯(lián)系，加深對(duì)計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的理解。

5結(jié)論

在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)由強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)生是否能夠建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀、具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)關(guān)鍵標(biāo)志。我們根據(jù)學(xué)校發(fā)展定位、師資學(xué)生情況和課程建設(shè)現(xiàn)狀，重新規(guī)劃計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程體系，調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實(shí)到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革仍需要在實(shí)施過(guò)程中不斷進(jìn)行完善。

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作者:張榮高 梁艷春 馮廣慧 單位:吉林大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系