計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式的研究

張旭 胡東華 朱付保

摘 要：本研究論述了計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式以及計算機類人才培養(yǎng)存在的問題，闡述了基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的專業(yè)課程體系、統(tǒng)一實驗平臺的實踐教學(xué)體系，探索了學(xué)生助教模式，并介紹了教學(xué)改革的成效，提出了適合高校計算機類專業(yè)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：計算機類專業(yè);系統(tǒng)能力培養(yǎng);教學(xué)模式

在信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，要求計算機類專業(yè)人才具有計算機系統(tǒng)完整概念以及系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用能力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)對計算機類專業(yè)的建設(shè)具有重大的意義和影響。為推動高校計算機類專業(yè)對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會（以下簡稱教指委）專門成立系統(tǒng)能力培養(yǎng)課題小組對系統(tǒng)課程設(shè)置進行研究，國內(nèi)高校也已經(jīng)開始進行有關(guān)嘗試。其中，清華大學(xué)以標準化MIPS指令系統(tǒng)為中心，構(gòu)建一個完整的計算機系統(tǒng)作為最終目標的課程群建設(shè)方案取得了重大突破;北京航空航天大學(xué)以“一個CPU、一個OS、一個編譯器”作為教學(xué)目標的課程體系改革，取得了良好效果;華中科技大學(xué)以設(shè)計流水處理器為目標，基于Logisim工具將數(shù)字邏輯設(shè)計、計算機組成原理等課程有機結(jié)合在一起，并總結(jié)出一些可推廣的方法。

一、計算機類人才培養(yǎng)存在的問題

系統(tǒng)能力培養(yǎng)已經(jīng)成為計算機類專業(yè)教學(xué)改革的主要方向。課程組所在的鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院開設(shè)的計算機類專業(yè)主要有計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、大數(shù)據(jù)等。學(xué)院在計算機類人才培養(yǎng)過程中，尚存在以下問題：

一是各個專業(yè)歸屬不同的系部，缺少在專業(yè)基礎(chǔ)課方面的統(tǒng)籌規(guī)劃，突出強調(diào)專業(yè)課的建設(shè)和作用，沒有為學(xué)生建立起完整的計算機系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生的系統(tǒng)構(gòu)造觀不足。

二是專業(yè)課程的實踐教學(xué)活動大多依托該課程的實驗平臺來展開，各實驗平臺的分離使得相關(guān)聯(lián)課程之間的實驗結(jié)果無法融合成一個更大的系統(tǒng)架構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力和設(shè)計能力不強。

三是由于硬件類課程的實驗箱通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，靈活性和擴展性比較差，造成實驗基本以驗證性的實驗為主，開設(shè)設(shè)計類和綜合類實驗的難度大，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力弱。

二、系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式的研究

（一）基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的專業(yè)課程體系探索

首先，學(xué)院以計算機系統(tǒng)為立足點，重新規(guī)劃計算機類專業(yè)的課程體系。將程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)課程群，設(shè)置為各個專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，統(tǒng)一規(guī)劃課程群中課程的教學(xué)內(nèi)容，保證每門課程既有自己獨立的知識體系，又是完整的計算機系統(tǒng)知識體系的組成部分。

程序設(shè)計基礎(chǔ)課程在學(xué)生掌握基本程序結(jié)構(gòu)、語法規(guī)則的基礎(chǔ)上，適當增加常用算法及算法優(yōu)化的內(nèi)容，為學(xué)生開發(fā)計算機應(yīng)用提供必要的編程能力。

數(shù)字邏輯電路課程在傳統(tǒng)講解組合邏輯電路和時序邏輯電路的基礎(chǔ)上，側(cè)重數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理部件的內(nèi)容，如半加器、全加器、寄存器、移位器、存儲器等內(nèi)容，使學(xué)生掌握小規(guī)模數(shù)字邏輯電路設(shè)計方法，為其學(xué)習(xí)計算機組成原理課程打下基礎(chǔ)。

計算機組成原理課程在傳統(tǒng)講解運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備功能部件的構(gòu)成和工作原理的基礎(chǔ)上，增加MIPS架構(gòu)處理器的指令格式、尋址方式、數(shù)據(jù)通路、流水線等內(nèi)容，為操作系統(tǒng)課程提供必要的指令集的支持。

操作系統(tǒng)課程在介紹處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合操作系統(tǒng)的內(nèi)核源代碼，增加交叉編譯、工作隊列、系統(tǒng)調(diào)用、驅(qū)動程序編寫等內(nèi)容，為學(xué)生學(xué)習(xí)高級語言的系統(tǒng)級編程提供必要的基礎(chǔ)。

其次，學(xué)院在系統(tǒng)課程群的基礎(chǔ)上根據(jù)專業(yè)方向，開設(shè)相關(guān)的專業(yè)課程，將其擴展成更大的課程群，從而改善以往相關(guān)課程間相互脫離、缺乏融合的不足。同時，在教學(xué)方法上，教師不僅注重對“知識點”的分析，而且強調(diào)“計算機系統(tǒng)”視角，以計算機系統(tǒng)及其應(yīng)用進行完整教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建完整、系統(tǒng)的知識體系架構(gòu)，從而體現(xiàn)出能力培養(yǎng)與專業(yè)培養(yǎng)的層次性和連貫性。

（二）基于統(tǒng)一實驗平臺的實踐教學(xué)體系探索

學(xué)院圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標，以小核心、模塊化、大整合作為指導(dǎo)思想，在龍芯FPGA實驗平臺上，統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計各門課程的教學(xué)目標和實驗內(nèi)容，使各門課程的實驗結(jié)果模塊化，且相關(guān)課程的實驗構(gòu)成輸入輸出關(guān)系。

數(shù)字邏輯電路課程以基本邏輯門、全加器、寄存器、存儲器等和調(diào)試手段為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，為開展計算機組成原理課程的實踐教學(xué)提供必要的基本知識模塊。

計算機組成原理課程以實現(xiàn)MIPS指令架構(gòu)的處理器為目標，開設(shè)數(shù)據(jù)通路、ALU模塊、寄存器堆、單周期CPU、多周期CPU等實驗。通過實驗，學(xué)生可以掌握Vivado集成開發(fā)環(huán)境下庫IP的調(diào)用與設(shè)計方法。同時，這些實驗可以為操作系統(tǒng)課程實驗提供必要的硬件運行環(huán)境。

操作系統(tǒng)課程通過交叉編譯技術(shù)向龍芯平臺移植Linux，需要學(xué)生完成內(nèi)核編程、工作隊列、系統(tǒng)調(diào)用、驅(qū)動程序設(shè)計等實驗。該實驗可以讓學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的設(shè)置能力，同時為高級語言提供完整的編譯工具鏈。

在統(tǒng)一的實驗平臺上，通過各門課程實驗結(jié)果的綜合與集成，學(xué)生實現(xiàn)了一個MIPS指令系統(tǒng)+Linux計算機系統(tǒng)平臺操作。這樣的設(shè)計既保證了實踐環(huán)節(jié)的連貫性和工程性，又使實踐教學(xué)具有可執(zhí)行性。

（三）大實訓(xùn)分組及學(xué)生助教模式探索

學(xué)院在大實訓(xùn)學(xué)期，結(jié)合程序設(shè)計課程及相關(guān)專業(yè)課程的知識，利用龍芯平臺提供的輸入輸出接口和模塊，讓學(xué)生進行計算機應(yīng)用的開發(fā)。教師可以將不同專業(yè)的學(xué)生進行組隊，讓他們分工合作，完成一個從流水處理器、指令集、應(yīng)用軟件到外設(shè)的完整計算機系統(tǒng)的解決方案。這樣既有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)層次視野與大工程觀，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。

在開展實踐教學(xué)的過程中，由于學(xué)生的FPGA基礎(chǔ)不足、工業(yè)級的處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼規(guī)模龐大，教師必須考慮不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的知識儲備。在相關(guān)課程的實踐教學(xué)中，采用模塊化教學(xué)是使實踐過程具有可持續(xù)性的重要手段。在數(shù)字邏輯電路和計算機組成原理的課程實驗中，教師要讓學(xué)生利用Verilog語言完成相應(yīng)模塊的設(shè)計，并進行驗證，然后為學(xué)生提供對應(yīng)的IP核;在操作系統(tǒng)課程實驗中，教師要讓學(xué)生編寫缺失少量核心源代碼的內(nèi)核模塊，并進行驗證，然后為學(xué)生提供完整的模塊。這樣既能讓學(xué)生以工業(yè)標準為基礎(chǔ)完善自己的設(shè)計方案，又能為下一階段的實踐教學(xué)提供必要的知識儲備。

在系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程中，實驗環(huán)節(jié)中指導(dǎo)教師人數(shù)不足是課程教學(xué)面臨的突出問題。針對這一問題，課程組采用了學(xué)生助教模式。實驗指導(dǎo)教師記錄實驗過程中出現(xiàn)的問題，選取成績優(yōu)異的學(xué)生，定期組織研討會，對問題進行分析研討。同時，為每一個學(xué)生分配指定任務(wù)，讓他們在實踐教學(xué)過程中配合實驗指導(dǎo)教師一起完成實驗指導(dǎo)工作。實踐表明，學(xué)生助教模式有效提高了指導(dǎo)效率。

三、改革的成效

鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院緊密結(jié)合教指委關(guān)于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，結(jié)合自身實際情況，積極開展相關(guān)的教學(xué)改革實踐，取得了以下成效：

基于學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系構(gòu)建，增加了相關(guān)課程間的關(guān)聯(lián)性，改變了傳統(tǒng)的以課程知識點為主的教學(xué)方式，體現(xiàn)了計算機系統(tǒng)的層次性，可以有效培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)觀;基于統(tǒng)一實驗平臺的實踐教學(xué)體系采用統(tǒng)一的實驗平臺，實驗過程具有延續(xù)性，獨立的實驗可以融合成更大的系統(tǒng)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力，有效提高了教學(xué)質(zhì)量;大實訓(xùn)分組以及學(xué)生助教模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力以及解決復(fù)雜工程問題的能力，滿足工程認證的要求。

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責(zé)編：初 心