計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)探索論文
摘要：在移動互聯(lián)時代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機專業(yè)人才已成為國內(nèi)外教育專家的普遍共識，但如何在應(yīng)用型計算機專業(yè)中實施仍然是一個有待解決的問題。結(jié)合應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型改革，闡述了在計算機系統(tǒng)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面的探索過程，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)落實到計算機專業(yè)教學(xué)實踐中。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力培養(yǎng)；應(yīng)用型計算機專業(yè)；教學(xué)改革
1概述
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的興起，大量智能硬件如智能手機、傳感器、電子標簽、可穿戴設(shè)備等進入到人們?nèi)粘Ｉ钪�，計算機科學(xué)與計算機產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，需要一大批“綜合應(yīng)用硬件和軟件進行計算機系統(tǒng)設(shè)計”的卓越工程師。因此，對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求正在由“程序”設(shè)計向“系統(tǒng)”設(shè)計層面轉(zhuǎn)移。ACM和IEEE聯(lián)合公布的CS2013計算機科學(xué)課程指南特別強調(diào)加強系統(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)委員會提出：計算機專業(yè)人才應(yīng)具備四大專業(yè)能力，包括計算思維能力、算法設(shè)計與分析能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力，其中系統(tǒng)能力占總能力點的75%。因此，在移動互聯(lián)時代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機專業(yè)人才已成為國內(nèi)外教育專家的普遍共識。吉林大學(xué)珠海學(xué)院是廣東省普通本科高校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)變的試點單位，順應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展需求，圍繞區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略重點，實施了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，糾正學(xué)生“欺軟怕硬”的學(xué)習(xí)觀念，提高學(xué)生軟硬件協(xié)同設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生成為一名具有系統(tǒng)能力的“軟硬件貫通”的計算機專業(yè)創(chuàng)新人才。
2課程體系的構(gòu)建
計算機專業(yè)傳統(tǒng)課程體系是按照層次結(jié)構(gòu)劃分各門課程，無意中割裂了計算機系統(tǒng)各個層次之間的關(guān)聯(lián)，客觀上導(dǎo)致了每門課程只是關(guān)注各自的知識體系的完整性，課程講授內(nèi)容是相互獨立的。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了各門課程中計算機系統(tǒng)的相關(guān)知識，但是就如“盲人摸象”一樣，很難形成一個對計算機系統(tǒng)的整體認識。所以面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系需要重構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生對計算機系統(tǒng)認知、分析、設(shè)計和應(yīng)用能力的教學(xué)模塊，其中最關(guān)鍵就是要求學(xué)生能以程序員的視角理解計算機硬件設(shè)計，從硬件設(shè)計者的角度理解程序的執(zhí)行，掌握計算機系統(tǒng)各抽象層的實現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換機制、計算機軟硬件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相互影響。我們分析了應(yīng)用型計算機專業(yè)學(xué)生所需知識結(jié)構(gòu)，堅持“因材施教，分類指導(dǎo)”的指導(dǎo)方針，制訂了注重系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系：一是專業(yè)基礎(chǔ)課程，如數(shù)字邏輯設(shè)計、程序設(shè)計基礎(chǔ)等；二是專業(yè)核心課程，如計算機組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計等；三是專業(yè)應(yīng)用課程，如嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)、智能手機軟件設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)等。作為一所應(yīng)用型本科高校，考慮學(xué)生實際情況和培養(yǎng)目標，沒有設(shè)置編譯原理、形式語言與自動機等理論性較強的課程。
3課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整
計算機系統(tǒng)由于涉及多門計算機專業(yè)的軟、硬件課程，知識體系龐大，各門課程的教學(xué)內(nèi)容交叉多。所以計算機系統(tǒng)能力建設(shè)需要多門課程之間的銜接與聯(lián)動，僅僅對某一門課程進行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整并不能取得良好效果，我們確定要以數(shù)字邏輯設(shè)計、計算機組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程作為主線，將所有與計算機系統(tǒng)密切相關(guān)的課程都有機串聯(lián)融合起來，構(gòu)建基于課程群的系統(tǒng)能力建設(shè)模式。課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整思路是：從程序設(shè)計視角出發(fā)，改變傳統(tǒng)軟硬件分離的教學(xué)方法，理順各層次課程之間的銜接關(guān)系，改變各門課程知識結(jié)構(gòu)離散、部分內(nèi)容重疊的現(xiàn)象，給學(xué)生提供了一個完整而清晰的學(xué)習(xí)路線。數(shù)字邏輯設(shè)計課程的教學(xué)重點在邏輯器件應(yīng)用和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力。因此，以組合邏輯與時序邏輯作為基礎(chǔ)，加入FPGA設(shè)計知識，引入EDA設(shè)計工具和Verilog硬件描述語言，加強以計算機功能部件作為設(shè)計實例的教學(xué)，能設(shè)計基本邏輯部件與組件如編碼器、譯碼器、計數(shù)器、寄存器、多路選擇器、算術(shù)邏輯運算單元等，掌握復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)機設(shè)計能力和時序分析能力，為計算機系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。計算機組成與結(jié)構(gòu)課程重點解析計算機硬件系統(tǒng)基本組成、運行原理和協(xié)同工作機制，分析計算機組成對系統(tǒng)性能的影響，闡述計算機系統(tǒng)的基本設(shè)計方法，幫助學(xué)生建立計算機整機系統(tǒng)的概念。課程教學(xué)需增加有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)如何協(xié)同工作的知識點，例如將指令執(zhí)行過程和異常、中斷、存儲訪問、I/O訪問等重要概念和技術(shù)結(jié)合起來進行介紹；講述與程序設(shè)計有密切關(guān)系的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過程調(diào)用、程序訪問局部性等。操作系統(tǒng)課程的理論教學(xué)定位于操作系統(tǒng)的組成及運行機理，側(cè)重從系統(tǒng)軟件角度管理計算機軟硬件資源，以Linux為例講述操作系統(tǒng)的基本概念和方法、設(shè)計原理和實現(xiàn)技術(shù)，主要內(nèi)容包括進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理、任務(wù)調(diào)度和切換等知識點，特別需強調(diào)軟硬件依賴關(guān)系和協(xié)同工作機制，即操作系統(tǒng)與CPU之間在中斷、同步等方面的銜接關(guān)系。
4課程教學(xué)方式的改革
計算機系統(tǒng)課程如果按照傳統(tǒng)教學(xué)方式，一般是先在課堂講授相關(guān)理論知識，再到實驗室做實驗。由于計算機系統(tǒng)各層次課程涉及的知識點十分繁雜而抽象，學(xué)生只會越學(xué)越覺得計算機系統(tǒng)高深莫測，既枯燥無味又不容易掌握，久而久之就會產(chǎn)生對硬件的畏難情緒，而且在實驗之前還需要花費時間進行復(fù)習(xí)。計算機系統(tǒng)課程教學(xué)借鑒CDIO工程教育模式，以解決“教師本位”向“學(xué)生本位”轉(zhuǎn)變的問題，將課堂教學(xué)與實驗教學(xué)融為一體，采用“做中學(xué)”和“按需教”的教學(xué)組織模式。其目的就是通過對計算機系統(tǒng)課程的教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計，綜合設(shè)計教學(xué)與實驗內(nèi)容，使學(xué)生在“做”的過程中，通過自己的動手體驗，通過自己對知識的獲取、歸納與總結(jié)，能夠深刻理解計算機系統(tǒng)整體概念，獲得遠超課堂教學(xué)的教學(xué)效果。計算機系統(tǒng)課程將采用“項目驅(qū)動、案例導(dǎo)向”的教學(xué)模式進行啟發(fā)式教學(xué)，以計算機系統(tǒng)設(shè)計項目為手段，采用FPGA+ARM+Linux作為統(tǒng)一實驗平臺，按照“基本邏輯部件、計算機功能部件、計算機綜合系統(tǒng)”的思想逐層開展，將計算機系統(tǒng)設(shè)計實踐完整地貫穿于各層次課程之中，構(gòu)建了一個階段化、層次化、系統(tǒng)化的教學(xué)實驗體系，形成“學(xué)習(xí)、構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)”的CDIO工程教育完整過程。首先，數(shù)字邏輯設(shè)計課程需要從門電路開始來設(shè)計基本邏輯部件如譯碼器、選擇器、寄存器等，使學(xué)生能熟悉EDA設(shè)計的全過程；然后，計算機組成與結(jié)構(gòu)課程通過計算機功能部件如運算器、控制器、存儲器和I/O接口的設(shè)計，鍛煉學(xué)生的工程實踐能力；最終，計算機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計則增加指令系統(tǒng)、中斷、數(shù)據(jù)通路的設(shè)計，并將計算機各功能部件通過總線互聯(lián)為一個完整的計算機系統(tǒng)，使學(xué)生全面理解計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，理清軟硬件之間的聯(lián)系，加深對計算機整個系統(tǒng)的理解。
5結(jié)論
在移動互聯(lián)時代，計算機專業(yè)人才培養(yǎng)由強調(diào)程序設(shè)計變?yōu)閺娬{(diào)系統(tǒng)設(shè)計，學(xué)生是否能夠建立計算機系統(tǒng)觀、具備計算機系統(tǒng)設(shè)計能力是計算機專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)關(guān)鍵標志。我們根據(jù)學(xué)校發(fā)展定位、師資學(xué)生情況和課程建設(shè)現(xiàn)狀，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)課程體系，調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實到計算機專業(yè)教學(xué)實踐中。計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革仍需要在實施過程中不斷進行完善。
參考文獻：
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