基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機課程體系改革與實踐

張 旭，胡東華，朱付保

（鄭州輕工業(yè)大學計算機與通信工程學院，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型計算機技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應用，企業(yè)對掌握計算機核心技術(shù)人才的需求與日俱增，不僅要求員工能熟練運用編程語言和算法完成應用系統(tǒng)開發(fā)，還強調(diào)其應具有計算機系統(tǒng)的完整概念，能以系統(tǒng)級的觀念完成軟/硬件協(xié)同設計的復雜任務。2018 年，新一屆計算機類專業(yè)教學指導委員會將全面推進系統(tǒng)能力培養(yǎng)作為首批確認的工作重點，高等院校的計算機人才培養(yǎng)模式由編程能力培養(yǎng)向系統(tǒng)能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，國內(nèi)眾多高校啟動了系統(tǒng)能力培養(yǎng)項目研究，探索符合自身條件的教學改革。例如，文獻［1］以標準化MIPS 指令系統(tǒng)為中心，利用自主開發(fā)的ThinPad 實驗平臺構(gòu)建了一個完整的計算機系統(tǒng)；文獻［2］通過階段性綜合實驗和跨階段實驗鏈構(gòu)建實踐教學體系，實現(xiàn)了計算機的軟硬件物理綜合；文獻［3］以“一個CPU、一個OS、一個編譯器”作為教學目標，闡述了完整的計算機系統(tǒng)課程群的建設方案；文獻［4］通過軟硬件課程實踐將系統(tǒng)能力培養(yǎng)分解為基礎(chǔ)能力、專業(yè)能力和綜合能力的培養(yǎng)，提出“三縱兩橫”的實踐教學體系；文獻［5］通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)了軟件一體化實驗平臺，完成了計算機硬件實驗課程的改革；文獻［6］詳細闡述了系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群（計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計算機組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理）中實踐課程內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化方案；文獻［7］提出的分層劃分流水線CPU 實現(xiàn)方案適用于不同學習能力的學生，具有一定的通用性，為解決系統(tǒng)能力培養(yǎng)中處理器設計教學這一難點提供了有效方法；文獻［8］以五段流水線處理器設計為主線，詳細論述了計算機組成原理與程序設計、電子技術(shù)、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程的關(guān)聯(lián)性，體現(xiàn)了軟硬件協(xié)同的思想。

鄭州輕工業(yè)大學在教學改革過程中以掌握計算機系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)和核心內(nèi)容為出發(fā)點，根據(jù)相關(guān)課程內(nèi)容銜接及與實踐課程的關(guān)聯(lián)度，對理論教學內(nèi)容進行了優(yōu)化調(diào)整，明確了各個課程的教學目標，將教學方法從以知識點為主轉(zhuǎn)換為以系統(tǒng)視角為主。在實踐教學中，以龍芯的MIPS 架構(gòu)處理器+Ubuntu 操作系統(tǒng)+UCC 編譯器為統(tǒng)一實踐平臺，從數(shù)字邏輯課程開始貫穿至畢業(yè)設計，既培養(yǎng)了學生的系統(tǒng)能力，又提高了其工程能力。

1 教學存在的問題

在工程認證背景下，系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求學生深刻理解計算機軟件與硬件之間的邏輯層級，掌握微指令集、指令集、操作系統(tǒng)和編譯環(huán)境對程序執(zhí)行結(jié)果和效率的影響，能夠站在系統(tǒng)的高度進行軟硬件協(xié)同設計，以底層技術(shù)解決復雜的實際工程問題。

以編程能力培養(yǎng)為導向的教學活動在計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)中存在的主要問題包括：①專業(yè)基礎(chǔ)課缺少統(tǒng)籌規(guī)劃，重視專業(yè)課的建設和作用但弱化了系統(tǒng)構(gòu)建，系統(tǒng)基礎(chǔ)不足；②專業(yè)基礎(chǔ)課的教學內(nèi)容和教學目標由授課教師確定，這種“以課程為中心”的教學模式造成各門課程之間缺少銜接，甚至重復或脫節(jié)，使學生對計算機系統(tǒng)各個抽象層之間的相互關(guān)聯(lián)以及影響理解不深刻，系統(tǒng)概念不清晰；③專業(yè)課程的實踐教學活動往往緊密結(jié)合教學目標實施，軟件類課程實驗一般在計算機上完成，硬件類實驗通常按照課程的開設情況配置相應的實驗箱。實驗平臺分離使相關(guān)課程之間的實驗或?qū)嵱枦]有關(guān)聯(lián)，實驗規(guī)模小且多以驗證性實驗為主，學生無法勝任涉及軟/硬件協(xié)同設計的復雜任務，系統(tǒng)能力弱。

2 系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革措施

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學改革是一個涉及多門課程的綜合性工程，需要從教學內(nèi)容和目標、實驗平臺、教學手段、持續(xù)改進措施等方面開展一系列工作。

2.1 教學目標一體化

計算機系統(tǒng)是一個復雜的由軟/硬件組成的整體，其分層結(jié)構(gòu)如圖1 所示，除第1 級之外，每一級都向上一層提供必要的支持，其中1-2 級屬于計算機硬件，4-6 級屬于計算機軟件，第3 級操作系統(tǒng)由計算機硬件實現(xiàn)的指令系統(tǒng)構(gòu)成，一般認為是混合級?；谟嬎銠C分層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一視圖重新規(guī)劃計算機類專業(yè)的課程體系，將第4 層以下涉及的數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、操作系統(tǒng)原理、編譯原理作為系統(tǒng)課程群，使學生掌握計算機系統(tǒng)的核心內(nèi)容和知識點，建立計算機的分層思想；第4 層以上為專業(yè)課程群，根據(jù)專業(yè)方向設置相應專業(yè)課，結(jié)合具體的計算機應用體現(xiàn)專業(yè)特色。該課程體系通過程序員的視角將從計算機底層硬件的實現(xiàn)到上層的計算機應用全部貫通，加強了系統(tǒng)能力培養(yǎng)，體現(xiàn)了OBE（Outcomes-based Education）理念，為學生專業(yè)能力培養(yǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。

Fig.1 Computer hierarchy圖1 計算機層級結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求，傳統(tǒng)的以課程知識點為重點的教學方式不再適用，所有課程均以構(gòu)建計算機系統(tǒng)為教學目標，做到教學目標一體化。為此，課程組對系統(tǒng)課程群的教學內(nèi)容進行了優(yōu)化和調(diào)整，使每門課程既有獨立的教學內(nèi)容，又能為后續(xù)課程提供必要支撐。所有課程的知識點構(gòu)成一個完整的計算機系統(tǒng)知識體系，使學生從先導課程與后繼課程知識點的關(guān)聯(lián)之中深入理解計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，從而改變以往課程間相互獨立、缺乏直接聯(lián)系的不足，建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。各課程的教學內(nèi)容與目標見表1。

Table 1 Teaching content and teaching objectives of each course表1 各課程教學內(nèi)容與目標

2.2 實驗平臺一體化

一個完整的計算機系統(tǒng)由多個硬件和軟件模塊組成，硬件部分主要包括中央處理器、存儲器、中斷管理、接口電路，軟件部分包括操作系統(tǒng)、編譯器、編輯器等，計算機系統(tǒng)模塊的銜接關(guān)系如圖2 所示。由學生實現(xiàn)一個完整的計算機系統(tǒng)難度大、周期長，故在不同課程的實踐環(huán)節(jié)中有計劃地分步實現(xiàn)計算機系統(tǒng)模塊，然后在基于FPGA 的統(tǒng)一實驗平臺上將各個課程的實驗結(jié)果進行集成和綜合，最終實現(xiàn)計算機系統(tǒng)，這樣不僅能夠解決原本獨立的每一門課程實驗項目規(guī)模小、課程之間實驗內(nèi)容缺少關(guān)聯(lián)的問題，還能提高實踐環(huán)節(jié)的可執(zhí)行性，使學生掌握計算機系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法，培養(yǎng)其系統(tǒng)觀，同時也使其產(chǎn)生成就感，體會到學習的快樂。

相關(guān)課程的實踐教學過程統(tǒng)一在龍芯的CPU FPGA實驗教學平臺上完成，分為3 個階段：①通過系統(tǒng)課程群的實驗，在FPGA 開發(fā)板上搭建一個基于MIPS 架構(gòu)處理器+Ubuntu 操作系統(tǒng)+UCC 編譯器的計算機系統(tǒng)平臺，使學生掌握計算機系統(tǒng)核心內(nèi)容，各個課程的實踐教學內(nèi)容和目標如表2 所示；②學生在實訓期間利用第一階段實現(xiàn)的平臺和輸入輸出接口模塊，結(jié)合相關(guān)專業(yè)課知識進行計算機應用系統(tǒng)開發(fā)，要求體現(xiàn)專業(yè)特色，達到學以致用、用中促學的效果；③在畢業(yè)設計期間，對不同專業(yè)學生進行分組，分工合作，設計和實現(xiàn)一個涉及計算機系統(tǒng)軟/硬件的復雜工程問題解決方案，如此有助于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)層次視野和大工程觀，也有助于培養(yǎng)團隊精神。

在實踐教學實施過程中，各課程組定期組織教學研探討會，對實驗大綱和內(nèi)容持續(xù)改進，逐步形成前期培養(yǎng)系統(tǒng)能力、中期培養(yǎng)專業(yè)能力、后期培養(yǎng)工程能力的實踐教學體系。

Fig.2 Connection relationship of computer system module圖2 計算機系統(tǒng)模塊的銜接關(guān)系

Table 2 Practice teaching contents and goals表2 實踐教學內(nèi)容與目標

2.3 線上線下混合教學手段

在基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學過程中，相關(guān)課程的教學內(nèi)容較傳統(tǒng)教學內(nèi)容進行了調(diào)整并且難度增大。單純的線下教學面臨著學時數(shù)不足、教學內(nèi)容無法展開、學生問題得不到及時解答等多種問題。為解決教學改革面臨的問題，數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、操作系統(tǒng)原理課程均在愛課程平臺開設了獨立SPOC，采用線上線下結(jié)合的混合教學模式，線上提供重點、要點和難點的相關(guān)教學視頻，以及課件等自學資源，并添加了作業(yè)、測試等對學生的學習情況進行跟蹤評價；線下除傳統(tǒng)教學外，利用慕課堂等工具進行簽到、隨堂測試等教學活動，充分利用線上教學無時間和空間限制的優(yōu)勢，補充教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生的自學能力，及時掌握學生的學習狀態(tài)，進而調(diào)整教學進度和教學內(nèi)容。調(diào)查問卷反饋顯示，87%的學生表示引入線上教學后的混合教學方式對學習有很大幫助，自身自學能力、表達能力、總結(jié)分析能力等均得到了培養(yǎng)和提高。

2.4 企業(yè)導師制度和工程項目案例實踐教學

在系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程中，教師團隊的工程能力起到至關(guān)重要的作用，但普通本科高校中具有工程背景、工程實踐經(jīng)驗的雙師型教師很少。為了提升實踐教學環(huán)節(jié)的教學質(zhì)量，達到工程能力培養(yǎng)的最終目標，學院與中科龍芯、新開普等國內(nèi)知名企業(yè)建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系，一方面聘請企業(yè)的資深技術(shù)人員作為企業(yè)導師，在培養(yǎng)目標、教學大綱的制定和實踐教學項目的審定方面給予指導性建議，同時對學生在實驗過程中出現(xiàn)的問題進行線上指導；另一方面在綜合性實訓和畢業(yè)設計過程中，以專業(yè)培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求為標準，將企業(yè)的實際工程案例導入實踐環(huán)節(jié)作為課程資源包，由企業(yè)工程師將工程項目案例融入教學環(huán)節(jié)，與學生團隊和教師行技術(shù)交流，能有效保證實踐教學環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性、工程性和延續(xù)性。問卷反饋顯示，91%的學生表示企業(yè)導師制度對提升實驗在線指導效率、了解企業(yè)項目真實需求有重要意義。

2.5 持續(xù)改進機制

OBE 也稱為產(chǎn)出導向，是當前國際上高等工科教育普遍采用的一種先進教學理念，其核心理念是以學生為中心、產(chǎn)出為導向持續(xù)改進。采用OBE 教學理念能有效提升學生的系統(tǒng)能力和專業(yè)能力。

在系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程中，各個課程的教學均以學生為中心，最終目標是使學生動手實現(xiàn)一個中央處理器（CPU）、一個操作系統(tǒng)（OS）和一個編譯器，最終組成計算機系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)各個課程的理論教學和實踐教學目標建立3層評價和反饋機制。

第1 層評價機制主要用于課程內(nèi)改進。評價依據(jù)為課程目標達成度評價報告，報告中的課程目標達成度由學生的作業(yè)、期末考試單題分數(shù)、實驗成績等按照一定的權(quán)重綜合計算得到，評價責任人為任課教師。任課教師可根據(jù)課程目標達成情況，找出學生在學習過程中的薄弱點，進而改進教學方法或授課重點，提高教學質(zhì)量。

第2 層評價機制用于課程組間改進。在期中和期末向?qū)W生發(fā)放調(diào)查問卷，對先導課程的知識點是否掌握、未掌握的原因等進行調(diào)查并統(tǒng)計反饋，評價責任人為課程組組長。如果課程組組長根據(jù)多個班級的調(diào)查反饋數(shù)據(jù)判斷為先導課程的教學問題，則召開課程組的教學研探討會，優(yōu)化和調(diào)整相關(guān)課程組的教學內(nèi)容和教學重點，做好教學支撐。

第3 層評價機制用于課外改進。由于現(xiàn)代計算機知識不斷更迭，新的計算機技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)不斷出現(xiàn)，為保證計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)能夠適應社會需求，在系統(tǒng)能力課程群授課一個周期后，學院通過用人單位反饋、走訪專家和工程技術(shù)人員等形式，結(jié)合自身人才培養(yǎng)方案，調(diào)整課程教學大綱和實驗教學方案，構(gòu)建符合工程需求的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系。

3 系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革成效

鄭州輕工業(yè)大學緊密結(jié)合計算機教學指導委員會關(guān)于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，同時結(jié)合自身實際情況，于2019年啟動計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)項目，對未啟動教改的2017級學生和啟動教改的2018 級學生每門課程的實驗完成率進行了統(tǒng)計，并通過調(diào)查問卷方式對學生的學習效果進行了反饋，結(jié)果如表3所示。

Table 3 Teaching reform achievements表3 教學改革效果 （%）

由于學生FPGA 編程水平不足，加之處理器結(jié)構(gòu)復雜，操作系統(tǒng)源代碼規(guī)模大，編譯器實現(xiàn)難度高，實驗過程中雖然采用了模塊替代法，但實驗完成率在教改后還是有所下降，但學習效果滿意度得到了提升，主要原因為：①基于計算機系統(tǒng)視角的教學方法增強了課程知識點的相互關(guān)聯(lián)與融合，能有效協(xié)助學生建立計算機系統(tǒng)的分層概念，掌握現(xiàn)代計算機技術(shù)；②采用統(tǒng)一的實驗平臺，實驗成果逐層遞進，實現(xiàn)了計算機軟硬件的物理綜合，培養(yǎng)了學生解決涉及軟/硬件協(xié)同設計復雜工程問題的系統(tǒng)觀和團隊合作能力，符合新工科和工程認證的要求，同時能激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量。

此外，教學改革項目組的教師通過交流和學習，掌握了國內(nèi)外先進的教學理念和方法，提高了教學水平，形成了教學成果，為項目的進一步推動打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文主要論述了基于計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)教學改革方法和措施，在實施過程中取得了一定成效，但也遇到了實驗指導教師缺乏、線上實驗手段有限等困難。在今后的改革過程中，還要繼續(xù)學習國內(nèi)外知名高校的經(jīng)驗和做法，加快推動計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，探索出一條適合自身特點的系統(tǒng)能力培養(yǎng)之路。