面向能力培養的計算機專業課程體系建設與實踐

陳田　路強　安鑫　丁賢慶　李宏芒

摘 要：目前，教育模式正在從傳統的以知識傳授為中心的模式向以能力為導向的教育轉變。課程體系建設是教學體系改革的重要環節。本文針對傳統課程體系中存在的一些問題，探討了以能力培養為目標的課程體系建設方法，介紹了合肥工業大學計算機專業以能力為導向的課程體系建設的整體過程，重點介紹了面向系統能力培養的課程設置方法。

關鍵詞：能力導向；課程體系；系統能力；教育模式

中圖分類號：TP3-05 文獻標識碼：A

Abstract：At present，education is shifting from the traditional knowledge–oriented model to the competence-oriented model.The construction of curriculum system is an important part in the reform of teaching system.In order to address the problems existing in the traditional curriculum system，the paper discusses the construction method of the competence-oriented curriculum system.The paper introduces the overall construction process of the competence-oriented computer specialty curriculum system in Hefei University of Technology，focusing on the methods of the systemic competence-oriented curriculum setting.

Keywords：competence-oriented；curriculum system；computer systematic competence；education model

1 引言（Introduction）

十三五期間，隨著大數據、互聯網+、智能硬件、量子計算、三維集成電路技術的蓬勃發展，以及智能手機等移動終端設備的普及，不僅使計算機科學與技術的發展進入了一個新的黃金時期，也給計算機專業的教學提出了新的任務與要求。如何改革現有的專業的教學體系，怎樣建設新的課程體系，以適應新形勢下對高質量計算機工程人才大量的需求，是我們計算機專業教育工作者面臨的重要挑戰。

計算機科學與技術是一個變化非常快的學科，技術的快速進步要求計算機專業培養方案必須每三到五年更新一次。在培養方案修訂時，不僅要考慮對學生多種能力與素質的培養，也要使課程體系的設置符合科技的發展變化，能激發學生們對新技術的好奇心與熱情，鼓勵和引導學生養成終身學習的習慣。

目前，計算機專業的教育模式正在由傳統的知識性教育向以能力為導向的教育模式轉變[1，2]。能力導向的教育[2]強調以知識為載體、以能力培養為目標的教學觀念。計算機專業的畢業生應當具備四項基本能力[3]，即計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及計算機系統能力。研究表明[4]，計算機系統能力是其中最主要的一種能力，因此是計算機專業教育中的關鍵。近幾年，在教育部計算機專業教學指導委員會的倡導和幫助下，全國多數院校已經認識到系統能力培養的重要性，并已開展了許多卓有成效的教學改革。一些院校從幾門主干課程的教學內容改革做起，一些院校重點改善實驗平臺和實踐教學內容。如何從整個教學體系入手，自頂向下，全面完成面向系統能力培養的教學改革仍然是一個正在探索和研究的問題。

教學體系是高等院校“實現培養目標和促進教學相長”的重要基礎和保障。教學體系包括了教學過程的知識基本結構、框架、教學內容設計、教學方法設計、教學過程設計和教學結果評價。全面實現對能力的培養，需要對教學過程各個要素以及所組成的統一整體進行全面改革。課程體系建設是教學體系建設中非常重要的一個環節，本文將主要探討如何以能力為導向，尤其是以系統能力培養為主要目標，建設計算機專業的課程體系的方法。

2 傳統的課程體系存在的問題（Problems of the

traditional curriculum system）

傳統課程體系主要存在四個方面的問題。

（1）傳統的教育主要以知識傳授為中心，而不是以能力培養為目標。主要體現在教學中以每門課程為中心形成自己的知識體系。在教學內容規劃上，各門課程獨立規劃、獨立教學，實驗內容的設計圍繞課堂內容，以促進對課堂教學中理論知識的理解為目標。因此，各門課在教學內容上很少體現本層次的知識與其他層次關聯的部分，有時也會造成一些知識重復講述。由于知識體系的重疊或脫節，學生在課程學習時容易形成知識結構的“孤島”，難以建立完整而系統的專業知識體系。

（2）部分專業基礎課的教學內容沒有做到及時更新。各所高校在課程設置中對于專業基礎課程在學分和課時上基本都給予了足夠的保證，但是由于課程名稱長期不變，部分專業課程的任課教師對教學內容許多年不做更新和調整，沒有將計算機科學與技術最新的變化和研究成果融入相關課程的教學中。這不僅表現在課堂講授的內容多年不變，而且也表現在實驗內容和實驗方法不變，實驗手段與實際工程應用相脫節等。

（3）課程體系中設置的選修課數量雖然不斷增加，但難以保證學生選修的課程既具有知識的廣度也具有一定的深度和系統性。計算機科學的發展以及新技術的不斷涌現，使得計算機相關學科一直處于快速變化之中。在培養方案修訂中調整和增設新的選修課程是應對變化的關鍵。雖然增加了可選課程的規模，但是學生在選課之前對大多數選修課的內容以及相互之間的關聯性并不清楚。如果在課程設置中不對學生選課作限制或引導，可能導致選修的課程不成體系。雖然學生有可能會選擇實際處于多個方向領域的課程，從知識點的廣泛性來看有一定的好處，但是對于學生在某個方向領域能力的提高比較不利。相反，如果將所有的選修課按領域分類，要求學生只能選擇其中一類學習，那么，學生雖然會對一個領域的學習達到一定的深度，但是在知識的廣度上可能會有欠缺。因此怎樣在課程體系中設置合適的選修課是一個需要考慮的問題。endprint

（4）課程設計的設置一般面向單門課程，涉及到多門相關課程的綜合性課程設計很少，課程設計的復雜程度與規模達不到系統級的要求。學生在完成課程設計時僅根據某一門課程知識點來分析、理解和設計，而不能跨越相關的多門課程去深入理解某一問題或者某一現象的深層內涵，考慮最有效的解決辦法。所使用的知識結構狹窄，難以形成一個完整的系統觀。雖然小規模實踐也可以讓學生基本理解掌握一個系統運行原理，培養學生初步具備系統開發能力，但是如果沒有足夠的工作量，學生們將難以應對現代大型復雜系統中普遍存在的開發與設計中的約束、權衡、優化（例如成本、時間、功耗、可靠性、安全性）等問題。

傳統課程體系中存在的問題主要源于教學是面向科學知識和技術原理的傳授，而不是面向將科學、技術、非技術融為一體，強調工程實踐性、綜合性與創造性的綜合能力的培養。

3 以能力為導向的課程體系建設（Construction of

the competence-oriented curriculum system）

3.1 工程能力的基本概念

根據美國國家工程院（NAE）有關2020年工程教育的報告，工程師應當具備的品質包括分析能力、創造力、實踐能力、溝通能力、商務與管理能力、倫理道德及終身學習能力。而CDIO工程教育模式將能力分為四個層面，分別是技術知識和推理；個人能力、職業能力和職業道德；人際團隊能力；企業和社會背景下對系統的構思、設計、實現及運作。具體到計算機專業，還應當具備四大基本能力：計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力和計算機系統能力。其中，計算思維[5]是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。計算機系統能力是指能自覺運用系統觀，理解計算機系統的整體性、關聯性、層次性、動態性和開放性，并用系統化方法，掌握計算機硬軟件協同工作及相互作用機制的能力，并能全面考慮系統各部分及其與外界的邏輯與聯系，完成一定規模的系統設計的能力。包括系統分析能力、系統設計能力和系統驗證能力三個方面，三個方面相輔相成，共同構成計算機專業本科畢業生的基本能力和專業素養。

3.2 以能力為導向的課程體系建設流程

合肥工業大學根據國際通行做法，在參考卓越工程師計劃、工程學科認證和CDIO體系等基礎上，結合我校目前的教學實際情況，提出“能力導向的一體化教學體系建設”。能力導向一體化教學[6]就是一種旨在培養學生綜合能力的教學體系，將教學從“知識的傳遞”向“知識的處理與轉換”轉變，學生從“被動接受的模仿型”向“主動實踐、手腦并用的創新型”轉變。激發學生潛在的能力，引導學生加強自身各方面的發展。為了實現“能力導向的一體化教學”，我校計算機科學與技術專業自頂向下完成了培養方案制定和相應的課程體系建設等工作。

在課程體系建設中，我們首先結合我校的專業特色，提出了“1-2-3-4原則”，即一個統一的標準、兩個特色能力、三個課程層次、四個專業方向。一個統一的標準是指我們在制定專業培養標準時參考教育部《計算機類專業教學質量國家標準》（2014年討論稿）的相關要求來設計本專業培養標準。兩個特色能力是指根據我校的特點，培養學生具有兩方面特色能力，即對工業裝備與機器人控制核心技術理解、開發和應用的能力，對網絡工程和數據工程的理解、開發和應用能力。三個課程層次是體現基礎能力和素養的通識教育課程層次、以核心課程為中心的專業基礎課程層次、以互聯網時代為特點的專業方向應用課程層次。四個專業方向是指我們的專業課程按四個方向設置。在這個總體原則基礎上，我們按圖1的流程完成教學計劃制定與課程體系建設。

（1）在培養目標中明確我們需要培養什么樣的人才，在專業培養標準和實踐能力標準中需要指明畢業生應當具備什么樣的能力與素質。

（2）根據培養目標、能力和素質的要求規劃課程，畫出每門課程與培養目標和標準中“能力要求”之間的映射矩陣圖。通過這張圖，能夠保證所規劃的課程始終圍繞專業培養目標，同時，該圖也能使授課教師明確為什么要開設這些課程，學生明確為什么要學這些課程，這些課程到底有什么用。在實際的課程規劃中，我們要求所開設的每一門專業課程至少能體現對兩種能力或者素養的培養。

（3）在課程能力映射圖的基礎上，根據各門課程之間的邏輯關系畫出所有課程之間的關系圖，包括課程、課程設計、綜合實踐環節、實習和設計等內容。

（4）依據課程關系圖設定教學計劃，具體確定每一門課程開設的時間、學分。

（5）撰寫課程教學大綱，對開設的課程內容和實施過程作總體描述。教學大綱應由課程組和課程群成員共同討論完成。教學大綱中需要明確指出課程目標、該課程面向哪些能力的培養以及將采用哪幾種教學方式。教學大綱中還可以包含課程的教學日歷。

（6）通過多種評測方法衡量學生學習效果也是突出能力培養的關鍵環節。為了綜合考核學生課程學習后對能力提高的程度，我校要求課程學完后的筆試成績在課程總成績中不得超過40%，評測方法不少于四種。這就要求各個課程組針對每一項課程目標提出行之有效的評測方法。

（7）對整個課程體系的建設是一個需要不斷改進和完善的過程，因此，我們的教學體系采取了一種“可控可檢測可修復”的閉環體系。教師可以通過不斷地總結，改善教學大綱、教學和評測方法；課程組和課程群可以對課程關系、課程間的聯系與分工、教學大綱提出意見；而本專業的教學指導委員會需要定期對整個專業的培養目標、課程規劃、能力培養要求進行修訂并給出指導意見。

3.3 以能力培養為目標的層次化專業課程設置方法

在三個課程層次中，通識教育課程層次為學生提供了數學和工程學科的基礎知識，培養了成為計算機工程師的基礎能力和職業素養。專業基礎課程層次是整個課程學習的核心，不僅包括了所有的必修課程，也包括與之關聯的實踐環節。該層次培養了學生的專業基礎能力。專業方向應用課程層次體現科技的發展，主要包括選修課、方向領域綜合設計、應用系統工程訓練等，培養了學生專業知識的廣度和應用能力。endprint

對于專業基礎課程，在一段時間內課程名稱變化不大，開課時間、學時和學分可以根據情況做出調整，教學內容應當不斷更新。在課程體系建設中，我們強調專業基礎課程必須注重對計算機專業四種基本能力的培養。為了打破傳統的課程之間的壁壘，我們要求課程設計必須綜合化、多元化，具有靈活性、復雜性。為此，我們將傳統的針對單門課程的課程設計進行了整合，設置了多門綜合課程設計和綜合訓練。每一門綜合課程設計對應多門課程，其知識領域不僅包括兩門以上的必修課，也涉及到部分選修課程。綜合課程設計的基本時間一般是兩星期（停課），擴展時間為一個學期甚至一個學年。通過這種方法，使學生能夠完成復雜性高和規模大的設計任務，不僅培養計算機專業學生的系統能力，也培養了程序設計、算法和計算思維的能力。

專業方向應用課程層次覆蓋了所有的選修課程及相關實踐環節。我們按計算機技術最新的發展方向設置了四個方向的選修課，分別是“軟件和網絡工程方向”“嵌入式系統與物聯網方向”“數字媒體與可視化計算方向”和“數據與智能工程方向”，每個方向內包含五門課，共10個學分，另有一些選修課在方向課程之外。在新版的課程體系中我們新增設了計算機系統、云計算技術、移動計算及應用開發、并行計算、大數據處理技術、應用數學分析等課程。為了保證學生選修的課程既具有知識的廣度也具有一定的深度和系統性，要求每位學生必須完整地選擇一組方向課程學習，并完成與之對應的實踐環節——方向領域綜合設計。在此基礎上，學生們還可以選修方向外的課程或者其他方向內的課程。

3.4 面向系統能力培養的專業課程設置情況

下面以面向系統能力培養為例，具體說明我校相關的課程設置與實踐環節安排情況。系統能力是計算機專業學生應當培養的主要能力之一，目前主要指系統硬件能力和系統軟件能力。近幾年，在教指委的指導下，結合其他一流院校的經驗和我校前期工作的積累，相關課程群、課程組將開發“1個CPU、1個操作系統、1個編譯器”作為系統能力培養的主要教學目標。為了實現這些目標，對于專業基礎課程，主要任務是調整和修改教學內容和實踐的內容；部分選修課程也作相應調整，同時增設了相關的選修課程。例如，圍繞CPU設計這一目標，首先，在數字邏輯課程階段，加強了數字系統設計的內容，在課程實驗部分要求學生必須掌握基于FPGA的開發方法；在計算機組成原理課程中強調對整機概念的理解，在指令部分，增加了MIPS指令的內容，強調對硬布線控制器設計方法的掌握，減少了微程序控制方法在課程中的比重；在計算機體系結構課程中，要求理解性能優化的方法，掌握多周期、流水線的設計。新增設的計算機系統是一門縱向貫穿系統硬件和系統軟件的課程，我校以選修課的方式開設，以幫助學生建立完整的系統觀。

實踐環節是最終是否能夠達到教學目標的關鍵。在實踐環節，上述課程要求采用統一的實驗平臺，統一規劃實驗體系，形成跨課程、遞進式、累積式的實踐教學模式。在課程實驗階段要求使用統一的FPGA開發板和PC機。各門課程的獨立完成自己的實驗，但實驗內容要求具有一定的邏輯關系，這樣，有可能將多個學期不同課程中完成的實驗集成起來，在綜合課程設計階段進一步開發，實現最終的復雜系統。在課程建設期間，我校通過教育部修購項目購置了大量的實驗設備，因此，我們從計算機組成原理開課起，就將FPGA開發板發給每一位學生，要求一年后歸還。由于在數字邏輯課程中學生已經打下了一定的FPGA開發基礎，在組成原理上課期間，學生們可以根據自己的學習情況，利用FPGA開發板完成存儲器、中斷系統以及單周期CPU等內容的設計。在后續的計算機體系結構以及計算機系統課程完成之后，開設關聯上述幾門課程的綜合課程設計——系統硬件綜合設計，要求設計一個完整的基于MIPS指令的流水線CPU。雖然最終的課程設計時間只安排了兩周，但是從數字邏輯課程開始，任課老師就將最終的目標告訴學生，要求學生為之開始學習知識和打基礎，而在后續的兩個學期，不同課程的任課教師都在強調這一目標，因此，學生們為實現這一目標已經在三個學期的時間內做了充分的知識儲備和思想準備，而隨時可以使用的開發工具也為實現目標提供了便利。很多學生在課程設計階段開始時就已經基本完成了設計任務，課程設計期間主要是對所完成的系統做進一步優化。目前，我校在課程設計環節開展基于MIPS的CPU設計已經四年了，完成的效果比較好。

對于在實踐環節具有統一的目標的緊耦合課程，我們根據邏輯關系劃分為課程群，以便于教學內容的組織與評估。我校計算機專業所有課程根據邏輯關系形成了十個課程群。

4 結論（Conclusion）

教學體系中包含了教學順序、過程、方式、方法、形式、內容、反饋、評估、總結、比較等一系列教學要素。以能力為導向的教學中不是一個簡單的任務，要實現面向能力的人才培養目標也不是改進某幾門課程的教學就可以完成，而必須是自頂向下對整個教學體系做出全面的改革才能取得良好的效果。課程體系建設是教學體系改革中非常重要的一

個方面，課程體系與其他幾個教學要素共同形成了一個閉環系統，需要不斷完善與改進。當課程體系設置完成后，如何真正的設計出與培養目標一致的教學內容、方法和手段，需要何種資源與之配套，如何設計測評內容，才能真正評估出學生對于學習目標的掌握程度，是每一位任課教師和課程組（群）需要重點面對的問題。今年，我校計算機專業完成了新一版以能力為導向的培養方案制定和課程體系設置工作，在后面的工作中，我們將進一步對教學內容、方法和評測手段作深入的改革，全面推進以能力為導向的一體化教學。

參考文獻（References）

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C '17），7：1-7：6，Shanghai，China，May 12-14， 2017.

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[5] Jeannette M Wing.Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）：33-35.

[6] 梁樑.能力導向的一體化教學體系建設指南[R].合肥：合肥工業大學，2015.

作者簡介：

陳 田（1974-），女，博士，副教授.研究領域：計算機系統結構，芯片可測性設計.

路 強（1978-），男，博士，副教授.研究領域：信息可視化.

安 鑫（1987-），男，博士，副教授.研究領域：計算機系統結構.

丁賢慶（1971-），男，碩士，講師.研究領域：嵌入式系統.

李宏芒（1965-），男，碩士，工程師.研究領域：軟件工程.endprint