西部地區(qū)高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺課程建設(shè)實(shí)踐

摘要：西部地區(qū)信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使得信息技術(shù)方向的應(yīng)用型人才需求愈加迫切。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（信息技術(shù)方向）規(guī)范中的一門全新課程，其中涵蓋了從硬件平臺、軟件平臺、操作系統(tǒng)到應(yīng)用平臺的諸多內(nèi)容。文章結(jié)合青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系的實(shí)際情況，總結(jié)對此門課程進(jìn)行建設(shè)的探索與實(shí)踐，希望其中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)榈胤礁咝ｎ愃普n程的開設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：西部高校；計(jì)算機(jī)專業(yè)；課程建設(shè)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺

0 引言

西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展一直在全國范圍內(nèi)處于相對落后的地位，西部大開發(fā)政策為西部偏遠(yuǎn)地區(qū)信息技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)提供了新的機(jī)遇。青海省作為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，信息技術(shù)仍相對落后很多。西部高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)如何結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，成為一個(gè)重要的研究課題。

青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系在培養(yǎng)定位上，一直秉持“面向西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場”的理念，強(qiáng)調(diào)能力與素質(zhì)并重，培養(yǎng)信息技術(shù)與應(yīng)用的特色人才，滿足社會(huì)對高質(zhì)量應(yīng)用型人才的需求。培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)和教學(xué)計(jì)劃制定參考了2006年教育部計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)分委員會(huì)（簡稱“教指委”）發(fā)布的《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范（信息技術(shù)方向）》（下面簡稱《規(guī)范》）。《規(guī)范》指出，信息技術(shù)是一門針對社會(huì)與各種企事業(yè)單位的信息化需求，提供實(shí)施技術(shù)與解決方案的學(xué)科，與青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系應(yīng)用型信息技術(shù)人才的培養(yǎng)原則和目標(biāo)相一致。

在《規(guī)范》推薦的課程體系中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺是其中重要的一門專業(yè)必修課，課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)硬件平臺、軟件平臺、操作平臺和應(yīng)用平臺等。作為一門全新的專業(yè)課，該課程有很多需要探索和研究的內(nèi)容。我們結(jié)合自身探索和初步實(shí)踐，將對課程的內(nèi)容組織、教學(xué)方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)等幾個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 課程教學(xué)內(nèi)容的選取與優(yōu)化

本課程的學(xué)習(xí)目的是使學(xué)生了解和掌握信息系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)所需要的整個(gè)平臺所相關(guān)的技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同層次，包括硬件、軟件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等。通過學(xué)習(xí)不同層次所提供的支撐功能，感受并理解人們能夠在這樣的平臺上做哪些事情，并掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺中一些典型功能實(shí)現(xiàn)的基本原理。

本課程理論講授48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分32學(xué)時(shí)，按教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行劃分，課程教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)安排如圖1所示。其中計(jì)算機(jī)硬件平臺部分學(xué)時(shí)相對較少，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容進(jìn)行了大幅度的裁剪，尤其是其中較深的理論、抽象的概念等難以理解和接受的部分。應(yīng)用開發(fā)平臺部分則對常用的軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)行介紹，使學(xué)生聯(lián)系其他課程中與編程相關(guān)的知識進(jìn)行結(jié)合和過渡，從而對計(jì)算機(jī)上層平臺有更加清晰的認(rèn)識。

1.1 課堂理論教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺課程既包括傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中的計(jì)算機(jī)組成原理和操作系統(tǒng)課程的主要內(nèi)容，還包括向上層應(yīng)用平臺延伸的部分內(nèi)容，涉及的范圍十分廣泛。因此，如何根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方向的目標(biāo)和定位對本課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選取是需要精心設(shè)計(jì)和探索的。信息技術(shù)方向以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)的是專業(yè)知識的針對性和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，因此應(yīng)著重提高課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的針對性和應(yīng)用性。作為一門全新課程，青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺的理論教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時(shí)安排如表1所示。

首先，我們將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體的軟硬件平臺介紹給學(xué)生，使學(xué)生對本課程有直觀的了解并產(chǎn)生興趣。接下來講解指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計(jì)，讓學(xué)生先練習(xí)，通過匯編語言編寫一些簡單的程序，掌握基本語句的含義，對后續(xù)講解CPU控制器和運(yùn)算器的實(shí)現(xiàn)具有很好的鋪墊作用。“計(jì)算機(jī)信息表示”單獨(dú)作為一章來介紹進(jìn)制轉(zhuǎn)換及運(yùn)算等知識。第四章重點(diǎn)介紹構(gòu)成計(jì)算機(jī)的5大功能部件以及連接它們的總線。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，我們將涉及理論部分的內(nèi)容大部分裁剪掉，旨在讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本思想及各功能部件的基本工作原理即可。

第五章從操作平臺的角度人手講解操作系統(tǒng)的功能和作用，進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、外存管理及外設(shè)管理分別對應(yīng)第六至十章的內(nèi)容。最后加入關(guān)于應(yīng)用開發(fā)平臺的內(nèi)容，學(xué)生可結(jié)合在其他課程中所接觸的集成開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口等來學(xué)習(xí)此部分知識。

本課程的理論教學(xué)內(nèi)容從平臺的視角出發(fā)，將計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)從底至上貫穿其中，形成完整的體系。經(jīng)過幾輪教學(xué)實(shí)踐嘗試，對內(nèi)容順序進(jìn)行了合理的調(diào)整，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠承前啟后，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

1.2 課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)西部地區(qū)信息產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求，我們所培養(yǎng)的學(xué)生需要具備很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能，才能適應(yīng)工作崗位對人才的迫切需求。因此，作為一門重要的專業(yè)課程，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容必須經(jīng)過精心合理的安排和設(shè)計(jì)。目前，青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系所采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)安排如表2所示，總計(jì)32學(xué)時(shí)。

經(jīng)過近3年的課程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，使用筆記本電腦的學(xué)生比例高達(dá)95%，而使用臺式計(jì)算機(jī)的學(xué)生非常少，曾經(jīng)拆開過主機(jī)機(jī)箱的學(xué)生更是屈指可數(shù)。據(jù)此，本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)首先讓學(xué)生通過親自動(dòng)手來了解計(jì)算機(jī)的硬件組成，使學(xué)生對計(jì)算機(jī)有直觀的認(rèn)識。目前實(shí)施設(shè)備包括真實(shí)PC機(jī)及16位教學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)際效果表明，學(xué)生紛紛表示實(shí)驗(yàn)后收獲很大。接下來，匯編程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上用匯編語言編寫一些簡單的程序，在熟悉匯編語言的基礎(chǔ)上進(jìn)一步了解指令系統(tǒng)及CPU運(yùn)算器和控制器的工作方式。實(shí)驗(yàn)3讓學(xué)生通過編寫中斷程序進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，觀察多級嵌套中斷的效果，并理解中斷產(chǎn)生、響應(yīng)、處理的工作過程。

實(shí)驗(yàn)4讓學(xué)生通過親自動(dòng)手安裝Windows和Linux操作系統(tǒng)，熟悉這兩種不同的操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)5-8通過讓學(xué)生在實(shí)際操作系統(tǒng)上利用程序員接口編寫程序，了解不同的操作系統(tǒng)在進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、存儲(chǔ)器管理等方面的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)9和實(shí)驗(yàn)10上升到應(yīng)用層面，要求學(xué)生分別在Linux環(huán)境和Windows環(huán)境下進(jìn)行綜合性的程序設(shè)計(jì)，利用Shell及集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行規(guī)模較大的程序開發(fā)。

綜上所述，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容遵循從底至上的順序，配合理論教學(xué)中講解到的各種原理和方法，讓學(xué)生能夠?qū)I(yè)學(xué)習(xí)與實(shí)際動(dòng)手相結(jié)合。實(shí)踐環(huán)節(jié)的精心設(shè)計(jì)和有效實(shí)施大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的興趣，也加深了學(xué)生對整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺核心實(shí)現(xiàn)原理的理解。

2 教學(xué)方法與手段

針對目前青海大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系計(jì)算機(jī)專業(yè)信息技術(shù)方向課程教學(xué)的現(xiàn)狀和學(xué)生自身的基本情況，我們進(jìn)行了一系列教學(xué)改革的實(shí)踐探索，力求提高和改進(jìn)本門新課程的教學(xué)質(zhì)量。

2.1 教學(xué)方法的改進(jìn)

計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)成和操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容相對枯燥，如果照本宣科地講授將會(huì)使學(xué)生很快喪失對課程的學(xué)習(xí)興趣。下面從幾個(gè)方面來討論對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺課程教學(xué)方式與方法的探索。

1）結(jié)合技術(shù)前沿引發(fā)學(xué)生興趣。

學(xué)生在剛剛接觸一門新的課程時(shí)并沒有太多的認(rèn)識和了解，因此應(yīng)該利用這一關(guān)鍵時(shí)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生激發(fā)出對本課程的學(xué)習(xí)興趣。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺是整個(gè)課程體系中首先接觸到軟硬件綜合知識的課程，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)下最前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢對計(jì)算機(jī)進(jìn)行介紹，使學(xué)生既能了解到最新技術(shù)也能增強(qiáng)對計(jì)算機(jī)原理的學(xué)習(xí)興趣。例如，在講解計(jì)算機(jī)與用戶的交互時(shí)，給學(xué)生演示iPad的使用（當(dāng)時(shí)平板電腦尚未在國內(nèi)發(fā)售），學(xué)生表示很感興趣。近年來，隨著云計(jì)算、移動(dòng)平臺和嵌入式操作系統(tǒng)等技術(shù)的興起和廣泛應(yīng)用，在課程中對這些最新概念進(jìn)行介紹能夠使學(xué)生體會(huì)到本課程與實(shí)際的緊密聯(lián)系。

2）聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用幫助學(xué)生理解。

在教學(xué)時(shí)遇到比較枯燥的知識點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用來講授，從而幫助學(xué)生理解。例如，在講解進(jìn)程管理部分時(shí)，進(jìn)程控制塊中包含各類與進(jìn)程相關(guān)的信息。此時(shí)，可直接在Windows系統(tǒng)中開啟進(jìn)程管理器，通過“選擇進(jìn)程頁列”的功能，可以看到PID、優(yōu)先級、線程數(shù)等屬性，使學(xué)生產(chǎn)生直觀的理解。又如，信號量可以用生活中常見的場景聯(lián)系講解。在銀行填寫單子時(shí)需要用公用筆，如果只有3支筆可以用，即信號量的初始值為3；每來一個(gè)顧客請求用一支筆，相當(dāng)于執(zhí)行了一次P操作，信號量的值減1；當(dāng)顧客用完筆放下后，相當(dāng)于執(zhí)行V操作，信號量的值加1。這樣，當(dāng)信號量值為負(fù)值時(shí)，其絕對值的含義為當(dāng)前等待用筆的顧客數(shù)。這個(gè)過程的講解可以加深學(xué)生對信號量含義的理解，更能夠體會(huì)到此種機(jī)制在實(shí)際問題中如何應(yīng)用。

3）開放式討論活躍課堂氣氛。

在課堂教學(xué)中，氣氛沉悶影響學(xué)生聽課效果以及對知識的記憶和掌握。因此，應(yīng)積極鼓勵(lì)學(xué)生成為課堂的一部分，適時(shí)采用開放式討論。例如，在講到Windows與Linux的發(fā)展史時(shí)，可以讓學(xué)生根據(jù)其自身對兩種系統(tǒng)的了解和熟悉程度，討論到底哪種操作系統(tǒng)更好。這類問題本身并無確定答案，學(xué)生在激烈的爭辯中不但使課堂氣氛更加活躍，而且也能夠發(fā)掘他們平時(shí)積累的知識，鍛煉其表達(dá)和組織語言的能力。再如，在講解死鎖部分時(shí)，可以讓學(xué)生先想一想可以用什么方法解決死鎖（如哲學(xué)家進(jìn)餐問題中的死鎖現(xiàn)象），讓學(xué)生能夠主動(dòng)思考，而不是被動(dòng)地等待教師灌輸知識。開放式的討論使得學(xué)生不再覺得自己“置身事外”，而是真正成為了課堂教與學(xué)的核心參與者。

2.2 教學(xué)手段的改革

教師與學(xué)生為實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)，完成共同的學(xué)習(xí)任務(wù)，應(yīng)不斷開發(fā)新型的教學(xué)手段，促進(jìn)目標(biāo)和任務(wù)的達(dá)成。下面從幾個(gè)方面來討論對教學(xué)手段全方位的探索。

1）全面利用信息化輔助教學(xué)。

利用逐步完善的校園網(wǎng)環(huán)境，借助各種信息化手段來輔助教學(xué)各環(huán)節(jié)的實(shí)施。具體包括：課堂上通過精心設(shè)計(jì)的電子課件增強(qiáng)教學(xué)效果；利用網(wǎng)絡(luò)資源提供網(wǎng)上在線學(xué)習(xí)，開展教學(xué)互動(dòng)；利用教育在線平臺進(jìn)行電子作業(yè)收集，開發(fā)抄襲檢測系統(tǒng)督促學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)風(fēng)氣，同時(shí)也提高教師批改作業(yè)的效率。運(yùn)用這些信息化手段，加強(qiáng)了學(xué)生和教師之間的互動(dòng)，并能夠督促學(xué)生認(rèn)真完成課堂和課下任務(wù)。

2）利用動(dòng)畫演示形象化講解。

在教學(xué)過程中需要講解一些動(dòng)態(tài)變化過程時(shí)，采用動(dòng)畫演示等形式進(jìn)行呈現(xiàn)能夠起到很好的輔助效果。除了教師自己制作動(dòng)畫和演示之外，更鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間開發(fā)Flash動(dòng)畫或采用自己熟悉的編程語言編寫與課程相關(guān)的演示程序，并采取一定的激勵(lì)機(jī)制。這樣，通過生動(dòng)、形象的程序可以緩解教學(xué)內(nèi)容的枯燥乏味。更重要的是，學(xué)生在開發(fā)的過程中大大地提高了動(dòng)手能力，并更加深入地理解課程的相關(guān)內(nèi)容。

3）重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

本課程理論性很強(qiáng)。長期以來，本課程團(tuán)隊(duì)一直以培養(yǎng)學(xué)生能力為核心，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和人才培養(yǎng)目標(biāo)開設(shè)不同層次的驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、綜合類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)對學(xué)生的觀察和了解，為其定制合適的實(shí)驗(yàn)難度。此外，在一部分實(shí)驗(yàn)中采用分組進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式，使學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握與他人協(xié)作完成文檔編寫、代碼調(diào)試、運(yùn)行測試等重要的專業(yè)技能。實(shí)驗(yàn)課考核成績以30%的權(quán)重記入總評成績。考核內(nèi)容應(yīng)較為全面地反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的表現(xiàn)，包括出勤、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。重視及精心設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。理論與動(dòng)手相互結(jié)合，也為今后的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 實(shí)踐教學(xué)條件建設(shè)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配套有20套清華大學(xué)自主研發(fā)的TEC-2008教學(xué)計(jì)算機(jī)面板如圖2所示，既可以作為講解原理知識的實(shí)例，又用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

TEC-2008教學(xué)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)滿足教學(xué)要求，機(jī)器字長16位，有單字和雙字指令完備性支持監(jiān)控程序和簡單匯編語言程序設(shè)計(jì)。該教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持運(yùn)算器部件、控制器部件、嵌套中斷等多種類型的實(shí)驗(yàn)，對提高課程教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。

此外，實(shí)驗(yàn)室還專門配備了專用服務(wù)器，為學(xué)生搭建了操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。除此之外，每名學(xué)生擁有自己的實(shí)驗(yàn)機(jī)，可以進(jìn)行應(yīng)用軟件平臺的使用和程序開發(fā)。上述實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的建設(shè)有效地保障了本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施和進(jìn)行。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)信息技術(shù)方向的課程體系中一門重要的基礎(chǔ)課程。由于西部地區(qū)高校生源質(zhì)量不高，基礎(chǔ)相對較差，這就要求教師必須在教學(xué)過程中探索符合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)際情況的教學(xué)模式。我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面對本門課程的探索進(jìn)行了總結(jié)和探討，以供更多教師參考。今后，我們還需要進(jìn)一步解決教學(xué)中所存在的問題，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，使培養(yǎng)出的學(xué)生能夠真正學(xué)有所用，為西部地區(qū)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）