應用型計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索

張榮高　梁艷春　馮廣慧

摘要：在移動互聯(lián)時代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機專業(yè)人才已成為國內外教育專家的普遍共識，但如何在應用型計算機專業(yè)中實施仍然是一個有待解決的問題。結合應用型本科轉型改革，闡述了在計算機系統(tǒng)課程體系、教學內容、教學方式等方面的探索過程，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)落實到計算機專業(yè)教學實踐中。

關鍵詞：系統(tǒng)能力培養(yǎng)；應用型計算機專業(yè)；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0110-02

1概述

隨著移動互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的興起，大量智能硬件如智能手機、傳感器、電子標簽、可穿戴設備等進入到人們日常生活中，計算機科學與計算機產業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，需要一大批“綜合應用硬件和軟件進行計算機系統(tǒng)設計”的卓越工程師。因此，對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求正在由“程序”設計向“系統(tǒng)”設計層面轉移。

ACM和IEEE聯(lián)合公布的CS2013計算機科學課程指南特別強調加強系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會提出：計算機專業(yè)人才應具備四大專業(yè)能力，包括計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力，其中系統(tǒng)能力占總能力點的75%。因此，在移動互聯(lián)時代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機專業(yè)人才已成為國內外教育專家的普遍共識。

吉林大學珠海學院是廣東省普通本科高校向應用型本科高校轉變的試點單位，順應產業(yè)轉型升級和創(chuàng)新驅動發(fā)展需求，圍繞區(qū)域經濟社會發(fā)展戰(zhàn)略重點，實施了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式，糾正學生“欺軟怕硬”的學習觀念，提高學生軟硬件協(xié)同設計的能力，培養(yǎng)學生成為一名具有系統(tǒng)能力的“軟硬件貫通”的計算機專業(yè)創(chuàng)新人才。

2課程體系的構建

計算機專業(yè)傳統(tǒng)課程體系是按照層次結構劃分各門課程，無意中割裂了計算機系統(tǒng)各個層次之間的關聯(lián)，客觀上導致了每門課程只是關注各自的知識體系的完整性，課程講授內容是相互獨立的。學生雖然學習了各門課程中計算機系統(tǒng)的相關知識，但是就如“盲人摸象”一樣，很難形成一個對計算機系統(tǒng)的整體認識。所以面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系需要重構培養(yǎng)學生對計算機系統(tǒng)認知、分析、設計和應用能力的教學模塊，其中最關鍵就是要求學生能以程序員的視角理解計算機硬件設計，從硬件設計者的角度理解程序的執(zhí)行，掌握計算機系統(tǒng)各抽象層的實現(xiàn)及其相互轉換機制、計算機軟硬件間的關聯(lián)關系及相互影響。

我們分析了應用型計算機專業(yè)學生所需知識結構，堅持“因材施教，分類指導”的指導方針，制訂了注重系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系：一是專業(yè)基礎課程，如數(shù)字邏輯設計、程序設計基礎等；二是專業(yè)核心課程，如計算機組成與結構、操作系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)綜合課程設計等；三是專業(yè)應用課程，如嵌入式系統(tǒng)設計、嵌入式操作系統(tǒng)、智能手機軟件設計、物聯(lián)網控制技術等。作為一所應用型本科高校，考慮學生實際情況和培養(yǎng)目標，沒有設置編譯原理、形式語言與自動機等理論性較強的課程。

3課程教學內容的調整

計算機系統(tǒng)由于涉及多門計算機專業(yè)的軟、硬件課程，知識體系龐大，各門課程的教學內容交叉多。所以計算機系統(tǒng)能力建設需要多門課程之間的銜接與聯(lián)動，僅僅對某一門課程進行教學內容調整并不能取得良好效果，我們確定要以數(shù)字邏輯設計、計算機組成與結構、操作系統(tǒng)等課程作為主線，將所有與計算機系統(tǒng)密切相關的課程都有機串聯(lián)融合起來，構建基于課程群的系統(tǒng)能力建設模式。課程教學內容的調整思路是：從程序設計視角出發(fā)，改變傳統(tǒng)軟硬件分離的教學方法，理順各層次課程之間的銜接關系，改變各門課程知識結構離散、部分內容重疊的現(xiàn)象，給學生提供了一個完整而清晰的學習路線。

數(shù)字邏輯設計課程的教學重點在邏輯器件應用和數(shù)字系統(tǒng)設計能力。因此，以組合邏輯與時序邏輯作為基礎，加入FP-GA設計知識，引入EDA設計工具和Verilog硬件描述語言，加強以計算機功能部件作為設計實例的教學，能設計基本邏輯部件與組件如編碼器、譯碼器、計數(shù)器、寄存器、多路選擇器、算術邏輯運算單元等，掌握復雜系統(tǒng)狀態(tài)機設計能力和時序分析能力，為計算機系統(tǒng)的設計打下基礎。

計算機組成與結構課程重點解析計算機硬件系統(tǒng)基本組成、運行原理和協(xié)同工作機制，分析計算機組成對系統(tǒng)性能的影響，闡述計算機系統(tǒng)的基本設計方法，幫助學生建立計算機整機系統(tǒng)的概念。課程教學需增加有關計算機硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)如何協(xié)同工作的知識點，例如將指令執(zhí)行過程和異常、中斷、存儲訪問、I/O訪問等重要概念和技術結合起來進行介紹；講述與程序設計有密切關系的體系結構內容，如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過程調用、程序訪問局部性等。

操作系統(tǒng)課程的理論教學定位于操作系統(tǒng)的組成及運行機理，側重從系統(tǒng)軟件角度管理計算機軟硬件資源，以Linux為例講述操作系統(tǒng)的基本概念和方法、設計原理和實現(xiàn)技術，主要內容包括進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)、設備管理、系統(tǒng)調用與中斷處理、任務調度和切換等知識點，特別需強調軟硬件依賴關系和協(xié)同工作機制，即操作系統(tǒng)與CPU之間在中斷、同步等方面的銜接關系。

4課程教學方式的改革

計算機系統(tǒng)課程如果按照傳統(tǒng)教學方式，一般是先在課堂講授相關理論知識，再到實驗室做實驗。由于計算機系統(tǒng)各層次課程涉及的知識點十分繁雜而抽象，學生只會越學越覺得計算機系統(tǒng)高深莫測，既枯燥無味又不容易掌握，久而久之就會產生對硬件的畏難情緒，而且在實驗之前還需要花費時間進行復習。

計算機系統(tǒng)課程教學借鑒CDIO工程教育模式，以解決“教師本位”向“學生本位”轉變的問題，將課堂教學與實驗教學融為一體，采用“做中學”和“按需教”的教學組織模式。其目的就是通過對計算機系統(tǒng)課程的教學與實驗環(huán)節(jié)的一體化設計，綜合設計教學與實驗內容，使學生在“做”的過程中，通過自己的動手體驗，通過自己對知識的獲取、歸納與總結，能夠深刻理解計算機系統(tǒng)整體概念，獲得遠超課堂教學的教學效果。

計算機系統(tǒng)課程將采用“項目驅動、案例導向”的教學模式進行啟發(fā)式教學，以計算機系統(tǒng)設計項目為手段，采用FPGA+ARM+Linux作為統(tǒng)一實驗平臺，按照“基本邏輯部件、計算機功能部件、計算機綜合系統(tǒng)”的思想逐層開展，將計算機系統(tǒng)設計實踐完整地貫穿于各層次課程之中，構建了一個階段化、層次化、系統(tǒng)化的教學實驗體系，形成“學習、構思、設計、實現(xiàn)”的CDIO工程教育完整過程。首先，數(shù)字邏輯設計課程需要從門電路開始來設計基本邏輯部件如譯碼器、選擇器、寄存器等，使學生能熟悉EDA設計的全過程；然后，計算機組成與結構課程通過計算機功能部件如運算器、控制器、存儲器和I/O接口的設計，鍛煉學生的工程實踐能力；最終，計算機系統(tǒng)綜合課程設計則增加指令系統(tǒng)、中斷、數(shù)據(jù)通路的設計，并將計算機各功能部件通過總線互聯(lián)為一個完整的計算機系統(tǒng)，使學生全面理解計算機系統(tǒng)層次結構，理清軟硬件之間的聯(lián)系，加深對計算機整個系統(tǒng)的理解。

5結論

在移動互聯(lián)時代，計算機專業(yè)人才培養(yǎng)由強調程序設計變?yōu)閺娬{系統(tǒng)設計，學生是否能夠建立計算機系統(tǒng)觀、具備計算機系統(tǒng)設計能力是計算機專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)關鍵標志。我們根據(jù)學校發(fā)展定位、師資學生情況和課程建設現(xiàn)狀，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)課程體系，調整優(yōu)化教學內容和教學方式，將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實到計算機專業(yè)教學實踐中。計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學改革仍需要在實施過程中不斷進行完善。endprint