林 姍,葉志偉,歐陽(yáng)勇
(湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430068)
高等工科院校各專(zhuān)業(yè)開(kāi)展工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證,是提高專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量、建設(shè)國(guó)家一流本科專(zhuān)業(yè)、推進(jìn)工程教育國(guó)際互認(rèn)的重要舉措。我國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要參考美國(guó)《華盛頓協(xié)議》,工程教育的主要目標(biāo)是培養(yǎng)具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,使學(xué)生能夠在掌握工程原理、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程知識(shí)的基礎(chǔ)上,深入運(yùn)用這些原理和知識(shí)解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問(wèn)題[1]。
為了更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,應(yīng)根據(jù)學(xué)校定位和社會(huì)需求明確專(zhuān)業(yè)自身的培養(yǎng)目標(biāo),同時(shí)隨著工程教育理念的不斷深化,制訂符合專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的畢業(yè)要求及指標(biāo)點(diǎn),在此基礎(chǔ)上以學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力提升為目標(biāo),對(duì)課程體系重新進(jìn)行整合,明確計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程的課程教學(xué)目標(biāo),優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)課程教學(xué)效果的合理考核與評(píng)價(jià)不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題并持續(xù)改進(jìn)。
除專(zhuān)業(yè)知識(shí)及技能的傳授外,面向工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)更側(cè)重對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的選擇和設(shè)計(jì),在教學(xué)環(huán)節(jié)中綜合運(yùn)用課程所學(xué)的工程原理和工程知識(shí)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)、方案設(shè)計(jì)及研究、優(yōu)化與改進(jìn)等。
目前,計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)已從強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計(jì)向強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變,更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀及軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。因此本專(zhuān)業(yè)選擇的復(fù)雜工程問(wèn)題為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)和原理,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)基于嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)。
本專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類(lèi)主要課程包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、編譯原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)等,還包括課程設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)等相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)。在課程體系規(guī)劃及設(shè)計(jì)上,對(duì)這些課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃,從而為學(xué)生構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)所需要的知識(shí)體系和知識(shí)結(jié)構(gòu),使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),并能融會(huì)貫通加以應(yīng)用,培養(yǎng)其計(jì)算機(jī)復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力。
基于對(duì)本專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類(lèi)課程的教學(xué)改革首先將知識(shí)體系進(jìn)行梳理,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7 個(gè)抽象層[2]的基礎(chǔ)上明確各課程教學(xué)內(nèi)容,完善各門(mén)課程橫向和縱向的知識(shí)點(diǎn):橫向確定各課程的主要知識(shí)點(diǎn),避免冗余并保證同層次內(nèi)容的完整性;在縱向建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次間的聯(lián)系,明確課程之間知識(shí)點(diǎn)的銜接,保證系統(tǒng)各層次的完整性,從而能夠?qū)崿F(xiàn)基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用。
以數(shù)字邏輯課程為例,其教學(xué)內(nèi)容圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層中的最底層邏輯門(mén)層展開(kāi),重點(diǎn)為組合電路和時(shí)序電路,其中邏輯門(mén)電路著重于邏輯功能、外部特性和典型應(yīng)用,如對(duì)與非門(mén)、三態(tài)門(mén)等只介紹其功能、符號(hào)及主要應(yīng)用,不再深入講解電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理分析。另外,將觸發(fā)器的主要內(nèi)容縮減為一小節(jié),只通過(guò)基于與非門(mén)構(gòu)成的基本R-S 觸發(fā)器介紹觸發(fā)器的基本工作原理,特別強(qiáng)調(diào)為何觸發(fā)器具有存儲(chǔ)功能并能實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路,然后對(duì)基本R-S 觸發(fā)器的不足進(jìn)行分析,并針對(duì)這些不足進(jìn)行改進(jìn),引入JK觸發(fā)器、D 觸發(fā)器及T 觸發(fā)器等常用器件,對(duì)各類(lèi)觸發(fā)器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電路不做詳細(xì)展開(kāi),側(cè)重于觸發(fā)器的功能、外部符號(hào)及特性,并能將其用于時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。
組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路部分的教學(xué),則結(jié)合實(shí)際生活中的計(jì)數(shù)器、譯碼器等電路的設(shè)計(jì)過(guò)程讓學(xué)生掌握基于小規(guī)模邏輯電路的設(shè)計(jì)思路和方法。在此基礎(chǔ)上,引入加法器、寄存器等器件的設(shè)計(jì),讓學(xué)生能夠理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能單元的實(shí)現(xiàn),并與計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行銜接。
計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容圍繞著邏輯門(mén)層的上一層展開(kāi),講述如何連接邏輯門(mén)層的硬件設(shè)備以形成更高抽象層次上的功能器件,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生按照指令集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路和控制器的能力,即學(xué)生能夠應(yīng)用CPU 控制器的組成原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的CPU 控制邏輯設(shè)計(jì)。同時(shí)結(jié)合專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和復(fù)雜工程問(wèn)題所涉及的應(yīng)用系統(tǒng)的特征,學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理的學(xué)習(xí),加深對(duì)計(jì)算機(jī)各部件工作原理的理解,從而能夠站在系統(tǒng)程序員的角度來(lái)認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算機(jī),編制出高效運(yùn)行的程序。按照以上思路,計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的優(yōu)化整合。
(1)運(yùn)算器部分結(jié)合C 語(yǔ)言來(lái)講解數(shù)據(jù)在底層的表示、存儲(chǔ)、類(lèi)型轉(zhuǎn)換、運(yùn)算等。將C 語(yǔ)言中的運(yùn)算轉(zhuǎn)換成匯編語(yǔ)言,并與MIPS 指令集的實(shí)現(xiàn)相結(jié)合,使學(xué)生能夠從程序員的角度理解硬件實(shí)現(xiàn),能夠更有效地提升程序效率。
(2)中央處理器部分的內(nèi)容摒棄了大量基本原理的介紹,側(cè)重在掌握MIPS 指令系統(tǒng)知識(shí)的基礎(chǔ)上,以具體的指令集為例分析每條指令的格式和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,構(gòu)建數(shù)據(jù)通路,設(shè)計(jì)組合邏輯控制器和微程序控制器。
(3)通過(guò)對(duì)高速緩存、流水線、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)等的學(xué)習(xí)引入性能問(wèn)題。通過(guò)以MIPS 指令集為基礎(chǔ),講解功能部件、單周期CPU、多周期CPU 及流水線CPU 的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn),使學(xué)生更好地建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念、掌握相關(guān)原理、理解工程實(shí)現(xiàn)中各方面可能存在的沖突及解決方法,并將其應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類(lèi)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括課程實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。課程實(shí)驗(yàn)仍以數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理2 門(mén)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例。
以往這2 門(mén)課程都是采用的實(shí)驗(yàn)箱完成課程實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣,另外實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量有限且必須在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn),嚴(yán)重限制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)。目前的實(shí)驗(yàn)主要采用Logisim 仿真軟件實(shí)現(xiàn),該仿真軟件便于電路的設(shè)計(jì)與仿真,學(xué)生可以利用自己的電腦在任何時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)要求。
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合與優(yōu)化。數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)安排了3 個(gè)主題:基本邏輯門(mén)電路和觸發(fā)器功能測(cè)試、組合邏輯電路設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)。除第1 個(gè)主題為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)外,其他2 個(gè)均為基于項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn),組合邏輯電路以加法器的實(shí)現(xiàn)為主題,時(shí)序邏輯電路以計(jì)算器的實(shí)現(xiàn)為主題。計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是3 個(gè),均以項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)展開(kāi),包括ALU 設(shè)計(jì)、寄存器堆設(shè)計(jì)及單周期CPU 設(shè)計(jì)。
為了更好地培養(yǎng)學(xué)生解決本專(zhuān)業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,在課程體系里增加了綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本專(zhuān)業(yè)的綜合設(shè)計(jì)是在學(xué)完所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程之后,綜合利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理及技術(shù)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程知識(shí)完成一個(gè)基于嵌入式的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)——無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)。學(xué)生從該實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目需求分析開(kāi)始,經(jīng)過(guò)方案選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件開(kāi)發(fā)、仿真調(diào)試等環(huán)節(jié),綜合考慮各類(lèi)非技術(shù)因素,最終實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用系統(tǒng)。在這個(gè)過(guò)程中,從知識(shí)運(yùn)用、問(wèn)題分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合等4個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。該教學(xué)環(huán)節(jié)主要支撐的畢業(yè)要求與課程教學(xué)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。
表1 綜合設(shè)計(jì)課程畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
在教學(xué)過(guò)程中首先對(duì)學(xué)生明確課程目標(biāo)及無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的具體工作任務(wù)。該系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)涉及底層硬件、接口、操作系統(tǒng)、編譯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問(wèn)、應(yīng)用層等,需要運(yùn)用深入的工程原理才能解決問(wèn)題,并且該系統(tǒng)包含多個(gè)相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng),還要考慮環(huán)保、工程倫理等方面的因素,是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)。該應(yīng)用系統(tǒng)各個(gè)層次工作任務(wù)與主要支撐課程的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。
綜合設(shè)計(jì)各教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。
表2 綜合設(shè)計(jì)課程工作任務(wù)與主要課程的對(duì)應(yīng)關(guān)系
表3 綜合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生能力培養(yǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
續(xù)表
在綜合設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中,以工程實(shí)際項(xiàng)目(無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng))為驅(qū)動(dòng),將工作任務(wù)細(xì)化,同時(shí)加強(qiáng)過(guò)程指導(dǎo)與監(jiān)督,讓學(xué)生能夠識(shí)別問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、解決問(wèn)題,從而培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題分析、系統(tǒng)研究、方案設(shè)計(jì)、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。并此外,通過(guò)報(bào)告撰寫(xiě)和答辯質(zhì)疑等環(huán)節(jié)讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和反思,從而培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素養(yǎng),如溝通能力、環(huán)保意識(shí)、工程倫理等。
課程科學(xué)合理的考核方式及評(píng)價(jià)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的重要保證,也是發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的重要依據(jù)。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類(lèi)課程的教學(xué)改革對(duì)課程的考核評(píng)價(jià)方式也進(jìn)行了改進(jìn),不再局限于期末卷面考試,根據(jù)課程特點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容對(duì)課程考核分階段并以多種形式進(jìn)行。以理論課程考核為例,目前采用了課程作業(yè)、分階段課堂測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、期末閉卷考試、文獻(xiàn)閱讀及報(bào)告撰寫(xiě)、課程三問(wèn)等考核方式,其中課程三問(wèn)是學(xué)生針對(duì)課程學(xué)習(xí)提出與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的3 個(gè)問(wèn)題或課題,并給出提出問(wèn)題的背景及依據(jù),以及對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考后的解決思路或初步解決方案。因此,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià),不再單一的以平時(shí)作業(yè)和期末考試卷面成績(jī)?yōu)橹?,而是以合理的過(guò)程性評(píng)價(jià)為主,將期末閉卷成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的比例降低,并提高學(xué)生平時(shí)過(guò)程性考核表現(xiàn)所占的比重。以數(shù)字邏輯課程為例,表4 中給出了課程目標(biāo)與考核方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在最近一學(xué)期該課程的學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)中,期末考試與平時(shí)過(guò)程性評(píng)價(jià)各占總評(píng)成績(jī)的50%。
表4 數(shù)字邏輯課程目標(biāo)與考核方式的關(guān)系
根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達(dá)成度對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行分析,找出學(xué)生某些課程目標(biāo)達(dá)成效果不夠理想的原因,如教學(xué)方法不適用于教學(xué)內(nèi)容,沒(méi)有很好地對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督,學(xué)習(xí)成果要求太高,學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不夠等。教師根據(jù)不同原因有針對(duì)性地制定持續(xù)改進(jìn)策略,比如提升教學(xué)能力,根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況制定學(xué)習(xí)成果要求,利用實(shí)際案例引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等。
另外,某些學(xué)習(xí)效果的提升可能需要進(jìn)一步強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)技能,而這些技能涉及多門(mén)課程,因此要通過(guò)對(duì)這些課程學(xué)習(xí)效果的綜合分析,合理改進(jìn)教學(xué)方式,彼此協(xié)調(diào)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容,甚至可能要優(yōu)化課程體系,讓多門(mén)課程有效參與,從而使學(xué)生有足夠的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練[3],達(dá)到畢業(yè)要求。
在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證過(guò)程中,要在真正理解“復(fù)雜工程問(wèn)題”內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,明確本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求和指標(biāo)點(diǎn),合理設(shè)計(jì)課程體系并確定課程的教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核內(nèi)容及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上以學(xué)生為中心從課程特點(diǎn)出發(fā),逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。
湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)按照工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)生能力要求,開(kāi)展了以解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類(lèi)課程教學(xué)改革,將整體目標(biāo)細(xì)化為各門(mén)課程應(yīng)達(dá)成的具體目標(biāo),通過(guò)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)、合理制定考核方式及持續(xù)改進(jìn)策略等,有效促進(jìn)了學(xué)生解決專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的提升。