計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)問題解決能力探討

鹿 玲

遼寧科技大學計算機與軟件工程學院，遼寧 鞍山 114051

一、概述

計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)是軟件工程專業(yè)常設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，以計算機組成原理課程的內(nèi)容為主，外加計算機導(dǎo)論和數(shù)字邏輯等課程的部分內(nèi)容。有些高校的軟件工程專業(yè)會安排計算機導(dǎo)論和數(shù)字邏輯這兩門課程，安排在上計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程之前講授。如果沒開這兩門課程，那么軟件工程專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中，涉及計算機硬件知識的課程基本上就只有計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課程了。軟件工程專業(yè)的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程有它自身的特點，起到開啟計算機軟硬件底層基礎(chǔ)知識學習的作用。

實際教學過程中我們發(fā)現(xiàn)部分學生對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的作用與地位理解得并不全面，學習的熱情也不高。課程組針對軟件工程專業(yè)學生學習這門課程的心理與狀態(tài)，提出擴展計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程學習的知識面、運用CDIO 教學模式、實施項目驅(qū)動教學三項教學改革措施。實踐證明，這些教學改革措施對于通過計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學提升軟件工程專業(yè)學生的復(fù)雜工程問題解決能力行之有效，學生愿意主動學習這門課程了，真正從這門課程中學到了工程問題解決方法，提升了計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)相關(guān)知識在實際工程項目中的運用能力。

二、軟件工程專業(yè)計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的特點

軟件工程專業(yè)培養(yǎng)的是軟件開發(fā)方面的人才，要求學生具有軟件工程思想，能夠綜合利用所學知識進行計算機軟硬件相關(guān)的開發(fā)工作，尤其是軟件相關(guān)的開發(fā)工作。軟件開發(fā)工作是不是只要學習了數(shù)據(jù)庫相關(guān)知識、學習了幾門開發(fā)語言以及一些開發(fā)環(huán)境就能夠勝任呢？答案是否定的。這樣只是能夠完成一定范圍內(nèi)極為有限的軟件開發(fā)工作。軟件工程專業(yè)的主干課程有許多，光是程序設(shè)計語言就有C++、C#、Java、SQL 等，還些必修的馬克思主義理論、大學外語、高等數(shù)學、大學物理、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等基礎(chǔ)課程，更有離散數(shù)學、計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程、操作系統(tǒng)、ASP.Net、Java 方向的Web 開發(fā)框架等專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課，甚至還要學習一些選修課程才能滿足學分要求。另外，在四年的學習過程中，學生還必須參與各種課程設(shè)計、生產(chǎn)實習及畢業(yè)實習等實踐環(huán)節(jié)。計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)主要講授的是計算機組成原理課程相關(guān)的內(nèi)容，涉及知識非常寬泛、教學內(nèi)容跨度非常大，其中的概念繁多而且理解起來很抽象，對學生的學習是一大挑戰(zhàn)。

三、部分學生的片面認識

部分學生對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課程在整個人才培養(yǎng)體系中的作用和地位認識不清，存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，實踐環(huán)節(jié)薄弱。軟件工程專業(yè)的部分學生對這門課程的重視程度不夠，認為純理論授課有些枯燥乏味，不易產(chǎn)生學習熱情。部分學生認為作為一名軟件工程專業(yè)的學生，學好與學不好計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課對將來從事的IT方向的工作影響不大，授課過程中也經(jīng)常有學生會問“我是一名軟件專業(yè)的學生，學習這門課程有用嗎？”的問題。這些思想導(dǎo)致部分學生對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課程沒能足夠重視。

將計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)作為軟件工程專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課程是很有必要的。軟件的載體就是計算機硬件系統(tǒng)，只有對計算機硬件系統(tǒng)有了充分的了解，才有可能對軟件系統(tǒng)進行優(yōu)化，軟件開發(fā)才能游刃有余，沒有不涉及硬件的軟件。軟件開發(fā)涉及的范圍很廣，學生將來不可能僅僅是開發(fā)Web 應(yīng)用一種應(yīng)用程序，經(jīng)常要通過軟件來與某些硬件打交道，因此對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課程理解得越透，將來從事軟件開發(fā)工作才會越順手。

可以說計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課是軟件工程專業(yè)學生了解計算機系統(tǒng)硬件工作原理唯一的一門課程。軟件工程專業(yè)學生一般沒有學過模擬電子、數(shù)字電子及電路等電子方面的知識，而計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課除了講解計算機系統(tǒng)硬件工作原理外，也起到讓學生對電子、電路等相關(guān)知識有一定了解的作用。學生如果有了一定的電子及電路知識，對接下來的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的學習會更容易一些，授課效果也會更好一些，也就能夠引起學生的主動學習興趣了。

計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程知識在軟件開發(fā)過程中是經(jīng)常被用到的，對于學生解決復(fù)雜工程問題能力有很大影響。計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程常分為計算機中數(shù)據(jù)信息表示、運算方法與運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、總線及I/O 設(shè)備等幾大部分。計算機中數(shù)據(jù)信息表示講的是二進制信息在計算機內(nèi)部的表示方法，涉及原碼、反碼、補碼、移碼及字符與漢字信息的表示等知識。在高級語言中可以定義整數(shù)、浮點數(shù)據(jù)、字符及字符串等變量并進行相應(yīng)的運算，這些都是在編譯系統(tǒng)的編譯下，最終變?yōu)槎M制的0 與1，才能在計算機內(nèi)表示和運算的，因此高級語言中的一些語法實現(xiàn)也與這門課程的數(shù)據(jù)信息表示有關(guān)聯(lián)。學生只有清楚知道將來會用到計算機系統(tǒng)相關(guān)知識，才會努力學好這門課程。

四、提升軟件工程專業(yè)學生復(fù)雜工程問題解決能力的三項措施

2006年我國開始開展工程教育專業(yè)認證工作，以工程教育國際接軌為突破口，通過強化內(nèi)涵發(fā)展提升質(zhì)量，在促進更新教育觀念、建立標準意識和強化質(zhì)量意識方面起到了重要作用。培養(yǎng)工程類專業(yè)大學生解決復(fù)雜工程問題能力是工程教育認證的核心思想。培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力需要分解、落實到課程教學等人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)。在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學中可以通過運用CDIO 工程教育模式、拓展計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程學習的知識面以及實施項目驅(qū)動教學的措施來培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學生的復(fù)雜工程問題解決能力。

（一）運用CDIO教學模式

CDIO 工程教育模式是當今國際上流行的工程教育模式。CDIO 是Conceive、Design、Implement 以及Oper‐ate4 個英文單詞的開頭字母，代表構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作4種含義，在歐美發(fā)達國家經(jīng)過多年的運行，已經(jīng)形成較為完善的課程實施的標準和大綱，在多個國家、多個專業(yè)中得以應(yīng)用，取得了很好的反響。目前，我國一些高校已經(jīng)開始實施CDIO 教學模式。CDIO 教學模式與我國現(xiàn)行的高等教育對計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)目標（知識、技能、能力和素質(zhì)四部分）高度契合，更以其可行性、可操作性，得到了眾多高校的響應(yīng)，其與“以項目驅(qū)動教學”的思想相一致，與目前正在全國高校展開的工程教育專業(yè)認證的初衷相一致。CDIO 教學模式是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體,讓學生以一種主動的、實踐的、課程之間能有機聯(lián)系的學習方式去學習相關(guān)課程，并提升學生將所學知識串聯(lián)起來解決實際問題的能力。CDIO 教學模式將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預(yù)定目標。CDIO 教育理念的核心文件是：1個愿景、1個大綱和12條標準。其中12條標準對整個模式的實施和檢驗進行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導(dǎo)意義。CDIO 教育理念體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學性和先進性的統(tǒng)一，代表了當代工程教育的發(fā)展趨勢，是對本科大學四年整個課程體系結(jié)構(gòu)、教學與實踐過程提出的一個建議框架。

如何通過計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的學習，讓學生達到課程要求的預(yù)定目標，如何通過計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)這門課程來實現(xiàn)CDIO 教學模式要求，需要教師在教學過程中不斷探索和改進。CDIO 教學模式可以體現(xiàn)在大學四年的課程體系設(shè)置上，也可以體現(xiàn)在大學四年的理論與實踐的教學過程中，還可以體現(xiàn)在某門課程的具體教與學的過程中。在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學的后期，可以用真實的項目來體現(xiàn)CDIO 教學模式。具體的實現(xiàn)步驟包括幾項：一是教師先提出一個項目的系統(tǒng)概況，由學生深入探討，如項目的最終目的是什么，最終能實現(xiàn)哪些功能，還可以擴充什么功能，實現(xiàn)的方法是什么，等等；二是對系統(tǒng)進行分塊設(shè)計，再用Protel 畫出具體的原理圖及PCB 圖；三是制成PCB 電路板，并焊裝元器件；四是運行系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行軟硬件的調(diào)整與修改，使系統(tǒng)符合最初的設(shè)計要求。這樣一個從設(shè)計到實現(xiàn)的過程就是CDIO教學模式的體現(xiàn)過程。

CDIO 教學模式分為Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實現(xiàn)）和Operate（運行）4個步驟，強調(diào)的是以產(chǎn)品或系統(tǒng)的完整開發(fā)過程作為工程教育的環(huán)境，目的是培養(yǎng)學生的工程能力。在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學的后期，學生已經(jīng)能設(shè)計出一個具體的能解決實際問題的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，比如單片機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。按照CDIO 教學思想，課程教學后期完成一個具體的項目能使學生應(yīng)用到所學的知識，當然CDIO 教學思想并不只是課程教學后期的一個項目實現(xiàn)，而是在每節(jié)課的教學過程中都要滲透所學知識的用途，因為不知道如何去使用的知識是不會讓人感興趣的。

（二）拓展計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程學習的知識面

對于軟件工程專業(yè)的學生來說，拓展與計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程相關(guān)的知識面是必須做到的。在軟件工程專業(yè)課程設(shè)置中，軟件方面的課程學時理所當然地占有較大比重，有的院校在課程設(shè)置上可能會去掉計算機導(dǎo)論和數(shù)字邏輯等課程，計算機硬件方面的知識只由計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)一門課程來承擔。在這種情況下，計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的授課內(nèi)容就不能只局限于本門課程，因為學生在計算機硬件方面的知識相對缺乏，那么在學習這門課的過程中，學生一定會感到學習困難。這不是課程本身的問題，也不是教師的問題，而是知識面的問題。比如在講授“運算方法與運算器”章節(jié)時，要用到與門、或門、異或門、非門、半加器及全加器等數(shù)字邏輯方面的知識，如果不進行知識擴展，學生在學習這章內(nèi)容時就會有聽天書的感覺，因為學生根本就沒聽說過這些名詞，更不知道它們的原理是什么以及實物是怎樣的，把這些概念拿來就用，學生一定聽不懂，也會使學生厭倦本門課程的學習。軟件工程專業(yè)的學生在將來的工作中必然會接觸硬件方面的技術(shù)知識，而計算機硬件知識與技能如果不過關(guān)就會影響到學生的復(fù)雜工程問題解決能力。

計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教師在授課過程中應(yīng)引導(dǎo)學生將所學知識加以應(yīng)用以提高學生的學習興趣。比如在計算機測控系統(tǒng)中，計算機會通過串口或網(wǎng)口將采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，這就涉及計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程中“數(shù)據(jù)信息表示”的數(shù)據(jù)大端存儲模式與數(shù)據(jù)小端存儲模式的問題。這些問題在項目開發(fā)過程中會經(jīng)常用到，如果學生在學習時沒有用心，或者根本就沒有學過，那么在軟件調(diào)試的過程中就會走許多彎路，以為讀取到的數(shù)據(jù)就應(yīng)該是自己認為的那樣，但這樣的調(diào)試數(shù)據(jù)是不對的。如果學生在學習過程中對這段章節(jié)有很深的印象，那么調(diào)試程序時就會很容易想到問題出在哪里，也就能夠快速地解決問題。再比如學生將來從事與計算機硬件相關(guān)的開發(fā)工作，可能就會用到本門課程“總線技術(shù)”章節(jié)的內(nèi)容，像PCI接口卡用到的PCI總線，還有USB 設(shè)備用到的USB 總線等。擴展知識面可以使學生更容易學好這門課程，教會學生如何應(yīng)用所學知識，也使學生更愿意主動學習這門課程。

（三）實施項目驅(qū)動教學

基于項目驅(qū)動的教學，是在課程教學過程中，以完成實際項目需求為目標，把相關(guān)的教學內(nèi)容和知識點融入項目的各個環(huán)節(jié)之中。以科研項目為“理論聯(lián)系實際”的紐帶，讓學生在科研探索的同時可繼續(xù)深入學習理論，這是培養(yǎng)本科生分析和解決問題以及提升科研創(chuàng)新能力的有效途徑。為了能將計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的學習有機地串聯(lián)起來，加深學生對所學知識的理解，應(yīng)該從工程實際出發(fā)，在教學中滲透工程思想，從問題的提出以及解決方法的構(gòu)思到具體設(shè)計直至項目的實現(xiàn)，一步一步地讓學生參與其中，以此提高學生的復(fù)雜工程問題解決能力。

計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程需要講授指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、總線技術(shù)及I/O 設(shè)備等內(nèi)容，在內(nèi)容講授完成后，師生共同完成一個綜合性質(zhì)的項目，將課程所學知識有機地串聯(lián)起來，以提升學生的工程問題解決能力。例如讓學生設(shè)計一個以51 單片機為中心的熱力計費系統(tǒng)。首先向?qū)W生提出如何設(shè)計一個熱力計費系統(tǒng)、設(shè)計這個系統(tǒng)的目的是什么、系統(tǒng)應(yīng)該具有什么樣的功能、由什么樣的計算機硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)來擔任系統(tǒng)的控制中心角色以及系統(tǒng)會用到哪些外圍的元器件等問題。這些問題的提出可以起到集思廣益的作用。當然，學生不一定就能設(shè)計出符合實際應(yīng)用要求的系統(tǒng)，但是通過這樣的操作可以使學生了解本門課程在軟件工程專業(yè)中的地位與作用，可以說計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程是計算機軟件與硬件的橋梁。接下來給出硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的具體細節(jié)，以及最終實現(xiàn)系統(tǒng)的全部過程。熱力計費系統(tǒng)硬件邏輯如圖1所示。

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)邏輯圖，通過Protel 等軟件實現(xiàn)具體的硬件設(shè)計與實物搭建，需要應(yīng)用到許多數(shù)字邏輯方面的知識，也會應(yīng)用到計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的知識內(nèi)容，如軟件實現(xiàn)會用到“計算機數(shù)據(jù)信息表示”章節(jié)中的內(nèi)容。通過類似這樣一個系統(tǒng)的實現(xiàn)，講授清楚系統(tǒng)的實現(xiàn)與計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程之間的聯(lián)系，可以讓學生了解了一個項目的開發(fā)過程。這種以實際項目為驅(qū)動的教學方法會極大地提高學生學習本門課程的熱情，學生不再會有枯燥的感覺。以實際項目為驅(qū)動的教學方法實質(zhì)上也是CDIO 教學理念的具體體現(xiàn)。當然，全部的硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)并不一定要求全都由學生獨立完成，只是通過這樣的一個或幾個實際項目來驅(qū)動計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的實際教學，讓學生對學習這門課程有一個全新的認識，能夠收到更加理想的教學效果。

五、結(jié)論

計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程是培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學生復(fù)雜工程問題解決能力的重要一環(huán)，該課程是計算機軟硬件連接的橋梁。經(jīng)過對往屆畢業(yè)生的調(diào)查反饋，軟件工程專業(yè)的畢業(yè)生所從事的IT 方向的工作大都會涉及一些與計算機硬件相關(guān)的技術(shù)，從事軟件開發(fā)也需要一定的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)方面的知識與技能。通過課改前后這門課程教學效果的對比發(fā)現(xiàn)，在實際的教學過程中，擴展數(shù)字邏輯方面的有關(guān)知識是讓學生深入理解這門課的必要條件，正確運用CDIO 教學模式、以實際項目驅(qū)動理論教學，對提升軟件工程專業(yè)學生的復(fù)雜工程問題解決能力大有幫助。