以系统能力培养为导向的课程体系研究

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1引言

近年来，国际一流大学的计算机专业十分重视计算机系统的教学。在教指委的推动下，国内高校也将计算机系统能力的培养作为计算机专业教学改革的方向[1]。计算机系统能力是指在计算机软件和硬件的设计过程中能够运用系统观来提升计算机软硬件协作及互相作用的能力[2-3]。目前国内的一些重点院校从不同的角度在计算机系统能力的培养方面进行了探索[4-6]。北京大学采用大班讲授、小班研讨的方式整合教育资源。南京大学建设了计算机系统结构课程群，并进行了计算机系统能力培养改革的尝试。北京航空航天大学基于建设大课重课的改革思路进行了“计算机系统核心课程群及其实验体系的研究与实践”。浙江大学也建立了层次化、循序渐进、开放式课程群的课程体系。中国科技大学将计算机系统课程作为入门课程，逐步建立起对计算机软件与硬件的认识。然而包括广西大学在内的国内大部分高校对系统能力的培养在不同程度和不同形式上仍然存在以下几个问题[7]：（1）缺少系统观的培养，不能从多层次的体系结构的角度分析和解决系统层面的问题。（2）缺少对工程思维的培养，遇到问题很难从软硬件协同的角度去思考问题的解决方案。（3）数字逻辑电路、汇编语言程序设计、计算机组成原理、操作系统、编译原理、计算机系统结构课程之间的知识内容不连贯，导致大部分学生在解决实际计算机系统应用问题时无从下手。（4）在计算机系统核心课程的学习过程中，学生仅依靠实验箱完成某些特定的验证性实验，导致学生缺乏实践动手能力。造成以上问题的原因最终可以归纳为目前各院校仍然按照各门计算机系统核心课程独立教学的思路来安排课程内容。这种方法方便教学管理，减低了学习难度。学生可针对每门课程的知识内容分别学习并参加测试。但是，每门课程由于独立教学使得各个知识点之间缺乏关联性，学生无法从系统观的角度去整合各课程的教学内容，很难从一个完整的计算机系统的视角去思考问题的解决方案。因此，为了从根本上解决计算机系统能力培养问题，本文提出了一个以系统能力培养为导向的计算机系统类课程体系改革方案，并从系统观的角度建立一个完整的知识体系框架。该课程体系将培养学生从“设计者”的角度而不仅仅是从“使用者”的角度去思考、分析和解决计算机的系统问题，使学生感悟计算机软硬件理论的实践价值、体会软硬件结合构建系统观的重要性，提升其学以致用的能力以及对社会和文化的理解力。

2教学改革与实践

以系统能力培养为导向的计算机系统类课程体系改革的整体思路如图1所示。其改革思路强调的是以并行技术为主线，以培养计算机系统思维能力为目标，重新整合计算机系统类核心课程的知识点，建立一个完整的知识体系框架；并构建“以学生为中心进行设计的”计算机系统类核心课程实验教学体系，使学生由简入深地实现一个完整的计算机系统的设计。

2.1改革内容

主要从以下几点进行改革：（1）重新梳理各课程的教学内容，构建计算机系统领域的完整知识体系。以并行技术为主线，以系统观培养为目标，重新整合各课程的知识点，建立一个统一的计算机系统领域的知识框架。将选择数字逻辑电路、汇编语言程序设计、计算机组成原理、操作系统、编译原理、计算机系统结构这6门核心课程，组建计算机系统类核心课程群，如表1所示。将以ACM/IEEECE2016确定的计算机专业课程知识体系为基础，补充各门课程内容的缺漏。例如在计算机组成原理这门课程上针对计算机各大部件的逻辑实现和设计方法的课程内容太过抽象以及缺乏从整机系统的角度去思考的问题，以CPU的设计开发为主线应用层次结构的观点介绍运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统和输入输出系统这几大部件的组成原理、逻辑实现及互连构成整机的技术。（2）构建“以学生为中心进行设计的”实验教学体系。具体的思路和路线图是：从验证型实验向验证型实验+设计型实验/实践的混合模式的转变。之前依靠落后的实验箱完成简单的验证型实验，现在更加注重实践教学通过升级新的实验箱、购买虚拟仿真实验平台，以FPGA为系统实现载体、分组讨论等方式来实现由学生根据自身条件确定拓展功能和性能指标的设计+实践型实验。通过贯穿整个计算机系统核心课程的综合实验训练，提升学生的计算机系统能力。例如布置一个由两人一组完成的大作业：设计一个具有简单算数运算和逻辑运算功能的CPU，并比较两者的优缺点。这个课题结束后，应启发学生进一步思考如何提高CPU的速度和功能等问题。最后组织教师召开教师团队会议，对本学期各门课程的实验完成情况和完成效果进行总结，从而直接反馈到新一轮的实验教学体系设计中。（3）教学手段和方法设计。针对传统的“以课程为中心”的教学模式，在教学方法上进行以下改进：①从传统大班向智慧小班课转变。之前在阶梯教室完成约100多人的大班授课，现在在智慧教室完成小班授课，包括线上学习分析、重难点讲解和分组讨论等环节。例如在学习CPU的工作原理这一章节时，在课堂上布置讨论“以华为自主开发的手机操作系统”为例，思考自主知识产权对国家经济发展的作用，强调只有使用有自主知识产权的产品才能从根本上保护中国经济的健康发展。具体课程组织和实施包括“课前、课中和课后”3个阶段9个环节，如图2所示，分别是：课程设计、知识重构、线上自学、课堂教学、线上直播答疑、课后提升、课程考核、评价反馈、总结提升等。在以上环节中，学生成为课堂的中心，教师负责组织与答疑，帮助学生实现对知识的内化。图2课程组织和实施②从简单归一的教学资源向形式多样的教学资源转变。之前的教学资源以指定教材和参考教材为主。现在的教学资源在数量、内容、形式和应用等方面都有了极大的改变。将行业最新成果与教材内容、社会需求有机融合，确保教学的政治性、思想性、科学性、知识性。通过引入国外优质教材和最新技术报告等资源，对教学内容进行重构和优化；通过增加扩展阅读和高级扩展阅读等教学资源为学生提供最新技术和产品资料，始终紧跟计算机的最新技术和市场需求，教学内容始终保持和市场产品同步。

2.2改革实施效果

以系统能力培养为导向的计算机系统类课程体系的改革方式，将各个课程相关的基础内容有机贯穿起来，对完整计算机系统进行了系统教学。在实验过程中引导学生主动发现问题并增强学生的自主创新能力。以计算机组成原理课程为例，对比传统课程体系的情况，以系统能力培养为导向的课程体系改革的实践效果如图3所示。其中2021-2022学年采用新的教学体系，2020-2021学年采用传统的课程体系。图3的达成度值显示教学的效果非常理想，教学目标的达成度由于采用了新的课程体系得到了显著的提升。对2021-2022学年计算机组成原理课程学生每日学习人数的情况进行了跟踪调查，如图4所示。其中2021-2022学年计算机组成原理课程的选课人数为284人。图4的调查结果显示每日学习该课程的人数大约为270人左右，采用新的课程体系后学生学习该课程的积极性得到了极大的提升。此外，在2021-2022学年课程结束后，组织学生通过问卷星对计算机组成原理课程的系统能力培养达成的程度进行了自我评价，评价结果如表2所示。三项能力的满分分值设定为5分，其中至少有86.3%的学生的自我评价分数为5分。上述评价的调查结果显示了大多数学生认为新的课程体系教学质量效果好。

3结束语

针对计算机系统相关课程体系中教学中存在的主要问题，本文设计了全新的以系统能力培养为导向的计算机系统类课程体系改革方案，重新梳理各课程的教学内容，构建计算机系统领域的完整知识体系。实践结果表明，该方案能够满足计算机系统能力的培养需求，从根本上提升学生的计算机系统能力。

参考文献

[1]陆枫.面向大数据时代的计算机系统能力培养改革与实践.计算机教育,2017(03):33-36

[2]吕弘.计算机专业课程项目化、模块化教学改革研究.数字通信世界,2020(02):252

[3]韦良芬,梁月放,梅莹莹.应用型本科计算机系统能力培养的硬件课程群建设.西昌学院学报（自然科学版）,2020,34(02):112-115

[4]潘小艳.新工科背景下计算机类专业系统能力培养教学策略探讨.电脑知识与技术,2019,15(33):119-120

[5]徐立,白金牛.面向系统能力培养的高校计算机专业课程优化.教育教学论坛,2020(30):296-297

[6]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径.中国大学教学,2014(8):53-57

[7]王君,谢维奇,何云红.浅谈新工科背景下计算机系统能力培养的探索.电脑知识与技术,2019,15(3):124-125

作者：吴旭 单位：广西大学计算机学院计科系