計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系改革研究

孫庚 馮艷紅 于紅 崔春雷

摘要：應(yīng)用型計(jì)算機(jī)本科專業(yè)系統(tǒng)核心課程教學(xué)長(zhǎng)期以來存在重理論輕實(shí)踐、各門課程各自為政、缺乏關(guān)聯(lián)性等問題，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件缺乏系統(tǒng)、整體的認(rèn)識(shí)。為此，構(gòu)建一套適用于地方本科院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)的理論、實(shí)踐課程體系。該體系著眼于系統(tǒng)性與整體性，強(qiáng)化各門課程之間的關(guān)聯(lián)、銜接，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在幫助學(xué)生建立各門課程間的關(guān)聯(lián)，鞏固加深對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件的整體認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生系統(tǒng)能力。該理論實(shí)踐課程體系可向應(yīng)用轉(zhuǎn)型的二類計(jì)算機(jī)本科專業(yè)推廣，其構(gòu)建思路、方法可為其它專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力;課程體系;應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)

DOI：10.11907/ejdk.191007開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）010-0217-03

0引言

計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系設(shè)置了大量與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的課程，如《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《編譯原理》、《操作系統(tǒng)》等。體系總體目標(biāo)是使學(xué)生建立完整的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu)，整體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)在課程體系中占有重要地位，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心教學(xué)內(nèi)容。然而，目前普遍存在的問題是大量系統(tǒng)類課程學(xué)習(xí)并沒有全面提升學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，主要原因包括：

（1）教學(xué)內(nèi)容上，各門課程獨(dú)立規(guī)劃、獨(dú)立教學(xué)，造成知識(shí)體系中知識(shí)點(diǎn)冗余、銜接不夠。一方面，每門課程強(qiáng)調(diào)自身知識(shí)體系完整性和系統(tǒng)性，造成一些知識(shí)重復(fù)講述;另一方面，各課程知識(shí)點(diǎn)間缺乏前后銜接與有效整合，難以形成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。

（2）教學(xué)方法上，各課程采取分析式教學(xué)方法較多，突出系統(tǒng)原理講解，而由于條件限制，缺乏對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)較為全面的說明。其后果是學(xué)生掌握了基本概念，卻無法理解相關(guān)課程的作用、意義，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件缺乏系統(tǒng)、整體認(rèn)識(shí)，無法將知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)之中。

（3）實(shí)驗(yàn)方法上，側(cè)重于對(duì)原理的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，缺乏對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然小規(guī)模實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生掌握某門課程的主要原理，但由于缺乏完整、關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的問題無法凸現(xiàn)出來。所以，學(xué)生雖然經(jīng)過了訓(xùn)練，但因訓(xùn)練效度不足，不能對(duì)系統(tǒng)知識(shí)有較為深刻的掌握，僅停留在“盲人摸象”的認(rèn)知階段。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身具有整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開放性等特點(diǎn)，但由于其復(fù)雜性，若課程體系各課程之間缺乏有效溝通和相互協(xié)作機(jī)制，則會(huì)引起學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和訓(xùn)練上的不足。

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外很多計(jì)算機(jī)教學(xué)科研組織、高校均提出了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革方案。如ACM/IEEE公布的計(jì)算機(jī)科學(xué)課目CS2013給出了新的教學(xué)調(diào)整方案C，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，增加了4個(gè)涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)的內(nèi)容;美國(guó)一些頂尖大學(xué)，包括MIT、UC Berkley等均設(shè)置了各具特色的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程。2013年，中國(guó)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的舉措，之后南京大學(xué)袁春風(fēng)教授”出版了相應(yīng)教材，其倡導(dǎo)面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的理論、實(shí)踐課程體系，在南京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)一流大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)推廣，并取得了一定成效。

以上教學(xué)成果主要集中在國(guó)內(nèi)外研究型大學(xué)，其它高校即使開展了該項(xiàng)工作，也主要是照搬一類本課科院校的模式，而在二類本科院校，尤其是向應(yīng)用轉(zhuǎn)型的計(jì)算機(jī)專業(yè)，應(yīng)用背景與一類本科院校差別較大。一方面，對(duì)于應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生，系統(tǒng)能力是重要的能力指標(biāo)，決定該類學(xué)生能否從整體、全局的角度進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，能否在工作中具有持續(xù)學(xué)習(xí)能力，而不是一種“只見樹木、不見森林”的狀態(tài)，這也是高校畢業(yè)生與一般社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培養(yǎng)的從業(yè)人員的最大不同和優(yōu)勢(shì);另一方面，從課程設(shè)置的目標(biāo)、難度等因素考慮，不能照搬國(guó)內(nèi)一流大學(xué)的課程體系。上述教學(xué)改革的高校人才培養(yǎng)目標(biāo)均為培養(yǎng)研究型人才，起點(diǎn)較高，教學(xué)內(nèi)容上更強(qiáng)調(diào)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與研究，對(duì)于二類院校的學(xué)生難度太大，國(guó)內(nèi)少數(shù)水平較高的二類院校曾試點(diǎn)引進(jìn)南京大學(xué)的課程體系，但效果不理想，學(xué)生很難接受和適應(yīng)，不及格率過高。

基于以上現(xiàn)狀分析，本文著眼于系統(tǒng)性與整體性，強(qiáng)化各門課程之間的關(guān)聯(lián)、銜接，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建一套適用于應(yīng)用型計(jì)算機(jī)本科的系統(tǒng)能力培養(yǎng)理論、實(shí)踐教學(xué)體系，并在學(xué)校2016級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)施。

1課程體系構(gòu)建

課題組充分調(diào)研已經(jīng)開展該項(xiàng)教學(xué)改革的院校，特別是向應(yīng)用轉(zhuǎn)型的計(jì)算機(jī)本科專業(yè)，提出適合于應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)、涵蓋《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》、《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》、《編譯原理》5門課程、由淺入深、由整體到細(xì)節(jié)、循序遞進(jìn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系初步方案。各門課程統(tǒng)一制定教學(xué)大綱，明確各門課程的邊界、銜接，注重課程之間的教學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)。原有培養(yǎng)方案中與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力相關(guān)的課程有《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》和《編譯原理》4門課程，《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》課程為新增設(shè)的課程。

1.1課程內(nèi)容設(shè)置

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容設(shè)置從向應(yīng)用轉(zhuǎn)型的二類本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生角度出發(fā)，重點(diǎn)介紹程序員如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)編寫更有效的程序。以高級(jí)語(yǔ)言程序的開發(fā)和運(yùn)行為依托，將該過程中每個(gè)環(huán)節(jié)涉及的軟硬件基本概念關(guān)聯(lián)起來，使學(xué)生建立一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次框架，具體內(nèi)容包括：程序中處理的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算、程序中各類控制語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的機(jī)器代碼結(jié)構(gòu)、可執(zhí)行目標(biāo)代碼的鏈接生成、可執(zhí)行目標(biāo)代碼中指令序列在機(jī)器上的執(zhí)行過程、存儲(chǔ)訪問過程等。

1.2課程內(nèi)容整合

統(tǒng)一規(guī)劃各門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，理順各門課程間的聯(lián)系，以ACM與計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程知識(shí)體系為藍(lán)本，結(jié)合專業(yè)向應(yīng)用轉(zhuǎn)型的需要，查找各課程知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容的不足，進(jìn)行補(bǔ)充和完善，去除重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)強(qiáng)化各課程教學(xué)內(nèi)容間的銜接。課程體系注重能力培養(yǎng)的層次性，從系統(tǒng)總體出發(fā)，到硬件基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，再到硬件系統(tǒng)組成、操作系統(tǒng)構(gòu)建、編譯系統(tǒng)附著，最后到應(yīng)用軟件移植的完整系統(tǒng)教學(xué)進(jìn)程，形成系統(tǒng)認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力的層次化能力培養(yǎng)體系。本文以《計(jì)算機(jī)組成原理》為例，分析其與其它課程間的關(guān)系及整合方案。

1.2.1與《數(shù)字邏輯》課程的關(guān)系及整合方案

兩門課程間主要存在基本運(yùn)算部件內(nèi)容的重復(fù)。半加器、全加器和無符號(hào)加法器是《數(shù)字邏輯》的主要內(nèi)容，將其從《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中刪除，所以SN74181芯片、SN74182芯片等不作為《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的主要內(nèi)容。如果在課程教學(xué)中涉及到SN74181、SN74182芯片，只需讓學(xué)生了解現(xiàn)代CPU如何用快速進(jìn)位方式實(shí)現(xiàn)加法器原理即可。

1.2.2與《操作系統(tǒng)》課程的關(guān)系及整合方案

《操作系統(tǒng)》的核心思想是如何管理計(jì)算機(jī)資源，《計(jì)算機(jī)組成原理》課程內(nèi)容也包括相關(guān)資源，如CPU、存儲(chǔ)器和I/O，故這兩門課程內(nèi)容聯(lián)系非常緊密?！队?jì)算機(jī)組成原理》課程涉及指令系統(tǒng)，而《操作系統(tǒng)》是通過硬件提供的指令系統(tǒng)直接對(duì)底層硬件進(jìn)行控制和處理。中斷處理是改變用戶進(jìn)程正常執(zhí)行的方式，會(huì)改變CPU運(yùn)行模式。硬件上需要提供相應(yīng)支持，軟硬件協(xié)調(diào)處理才能完成CPU模式轉(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中缺乏對(duì)CPU模式的介紹，所以增加該部分知識(shí)介紹，并在《操作系統(tǒng)》課程中加以鞏固。兩門課程均包含虛擬存儲(chǔ)機(jī)制的內(nèi)容，所以刪除《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中的該部分知識(shí)點(diǎn)。輸入輸出系統(tǒng)部分也存在重復(fù)知識(shí)點(diǎn)，《計(jì)算機(jī)組成原理》課程側(cè)重介紹硬件，《操作系統(tǒng)》課程側(cè)重介紹對(duì)輸入輸出硬件的管理。

1.2.3與《編譯原理》課程的關(guān)系及整合方案

編譯器的作用是將高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序，而機(jī)器語(yǔ)言是《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的主要內(nèi)容，因此，這兩門課也存在密切關(guān)系。程序翻譯涉及到采用何種類型的寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而寄存器是《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的重要內(nèi)容，所以，強(qiáng)化兩門課之間的聯(lián)系可使學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體觀念。

2實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

實(shí)踐環(huán)節(jié)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中占有很大比重，學(xué)生能否運(yùn)用所學(xué)的原理知識(shí)，解決實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題，是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了打破原有課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的簡(jiǎn)單驗(yàn)證性、各門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的孤立性，本課題組精心規(guī)劃、設(shè)計(jì)了貫穿于各門課程間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，圍繞教學(xué)改革目標(biāo)設(shè)置各課程階段子目標(biāo)與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，再通過綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行集成，合理控制復(fù)雜度和難度，突出主要問題，最終完成一個(gè)相對(duì)完整、簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成涵蓋硬件和軟件、難度適中、適合應(yīng)用型本科專業(yè)的統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

大連海洋大學(xué)的課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)與龍芯中科的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，根據(jù)地方院校學(xué)生實(shí)際和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)共同研究了打通《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》、《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》、《編譯原理》5門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建方案，減少了驗(yàn)證性孤立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了既可結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際、難度適中，又貫穿所有課程內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還聘請(qǐng)專家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建方案論證，在此基礎(chǔ)上，確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建方案。

2.2實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，向下連接硬件系統(tǒng)，向上連接應(yīng)用軟件系統(tǒng)，是系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。但是由于操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)一套既能明確各部分原理、可實(shí)際使用的精簡(jiǎn)系統(tǒng)，又能保證應(yīng)用型計(jì)算機(jī)本科學(xué)生可以接受的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容難度較大。因此，本文以《操作系統(tǒng)》課程為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)原理突出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的小型操作系統(tǒng)范例，這些精簡(jiǎn)的范例具有良好的移植性、裁剪性，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可為學(xué)生在后續(xù)課程中構(gòu)建編譯系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)提供平臺(tái)支持。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了構(gòu)建二類本科院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系，對(duì)增設(shè)的課程內(nèi)容與已有課程內(nèi)容的整合進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)構(gòu)建了相應(yīng)實(shí)踐教學(xué)體系，該方案已在2016級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)施，并取得了初步成效。下一步計(jì)劃在課程體系建設(shè)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)和實(shí)施，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整理，開展適合于應(yīng)用型計(jì)算機(jī)本科的系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系列教材建設(shè)，組織以高校教師為主的理論教材編寫組與以高校教師為主、以企業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)團(tuán)隊(duì)為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書編寫組，編寫適合于二類本科院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教材，促進(jìn)該類院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)。