工程認證為導向的計算機組成與結構課程改革

施 展，錢 瑛，韓 磊

（南京工程學院 計算機工程學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來，隨著我國經濟水平及綜合國力的不斷提升，對高等人才數量和質量的需求日益增強。作為一個工程教育大國，我國已于2016 年6月成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》第18 個正式會員國[1]。實施專業教育認證不僅有助于國際間專業及其培養人才的相互認可[2-3]，而且有利于加快高校工科專業依照國際工程教育先進理念進行教育教學改革，與發達國家工程人才培養模式接軌[4]。這意味著我國工程教育將逐步規范化、標準化、國際化。

工程教育專業認證的核心內涵是構建“以學生為中心、產出為導向”的人才培養體系，并突出持續改進[5]，其關鍵教育理念是顯著增強學生的動手能力，解決實際問題能力以及工程實踐能力。計算機科學與技術專業具備較強的工程背景，無論是理論教學還是實踐環節都應充分遵循工程教育的原則與方法，以學生為主體，不斷提升其實踐操作能力。計算機組成與結構課程是計算機相關專業本科生的專業核心課程，主要學習計算機硬件系統中五大部件的基本結構、工作原理及實現方法，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。在教學中應在分析課程教學中存在的主要問題基礎上，探索課程的教學改革模式，不斷嘗試理論教學與實踐環節有機結合的教學方法，以滿足工程教育認證的要求。

1 教學中存在的主要問題

目前，高校計算機科學與技術及其相關專業的計算機組成與結構課程在教學過程中存在著不少問題，主要有以下幾個方面。

1）相關課程基礎薄弱。

一般來說，在教學內容上計算機組成與結構課程的先導課程是計算機導論、數字電路與硬件描述語言或數字邏輯等，這些課程之間的知識存在密切的關聯性，而不少計算機科學與技術及其相關專業的學生，往往“喜軟怕硬”，特別是對數字電路、硬件描述語言等內容理解不深入、掌握不扎實，導致前期課程基礎薄弱，使計算機組成與結構課程的學習有一定困難。

2）課程內容抽象，學生難以掌握。

計算機組成與結構是一門承上啟下的課程，其涵蓋的知識面寬、涉及內容多、課程跨度大，并且很多概念和方法都是芯片層面的，具有相當的抽象性，比如機器碼的定義、運算，指令的格式、尋址方式，存儲系統的字位擴展，微程序控制器結構、實現方式等。這些內容單憑課本、PPT 等方式講解，很難讓大多數學生掌握。

3）實踐環節效果較差。

計算機組成與結構課程主要講授計算機基本工作原理、硬件的基本結構和應用，很多知識內容除了理論學習以外，還需要進一步通過實踐操作驗證和理解。根據這一特點，在課程教學過程中要注重理論和實驗緊密聯系，理性認識和感性認識相互結合，才能保證學生的學習質量。傳統的計算機組成與結構課程的實驗設備是在開放的電路板上用插線方式搭建邏輯電路，學生通過互聯對應的引腳構成特定的數據通路。這種方法雖然可以直觀地顯示計算機內部結構和運行情況，但無法編寫程序，難以在實際開發中應用。目前，隨著硬件技術的不斷發展，越來越多的高校計算機組成與結構實驗課采用了基于FPGA 的實驗裝置。比如清華大學設計了基于FPGA 的開放式教學的CPU 設計與測試系統綜合實驗平臺[6]；南京大學和東南大學硬件教學通過Altera DE2 實驗板開展基于硬件描述語言和 FPGA 的CPU 設計；浙江大學計算機組成原理課程的實驗選用Xinlix NS3 的 FPGA 開發板完成[7]。這種方式對非計算機專業的學生來說，因為沒有前期硬件描述語言、電子電路等基礎，一時難以理解與接受；而對計算機專業的學生來說，也往往僅是按照教師的要求，參照實驗指導書，完成驗證性實驗，對所學的知識點仍然是一頭霧水，缺乏思考，不利于培養學生的創新能力。

4）教學方法單一，學生興趣不高。

雖然目前高?；径疾捎矛F代化的教學手段，但是計算機組成與結構課程內容非常抽象、理解難度大，很多內容往往涉及計算機芯片內部的運行情況。如果僅憑借課本、PPT 以及課堂講授等形式進行“填鴨式”或者“滿堂灌”等方式的教學，則缺少直觀、形象的教學手段，學生的學習積極性不高，并且對知識理解、掌握的難度也會加大。另外，單一的教學方法也容易使學生逐漸對課件產生過分的依賴，進而導致其缺乏自主學習的積極性，不利于教學效果的達成。

2 工程認證導向下的課程改革

工程教育專業認證堅持以能力為導向的認證理念，在教學過程中，突出以學生學習為中心，傳授知識、培養能力和養成素質。為了能實現這些目標，必須注重課程改革與建設，尤其是專業核心課程的進一步優化對于人才培養的質量更是至關重要。同時，專業認證采用OBE（Outcome Based Education）思想，強調首先要明確學習成果或畢業要求，而后按照畢業要求安排教學活動，并對畢業要求的達成情況進行評價。這種以成果或者能力為導向的教學設計要遵循反向設計原則。為了更好地適應工程教育認證的要求，需要對計算機組成與結構課程進行再梳理，進而優化課程教學目標、改進教學方法、增強實踐環節、提升學生自主學習能力、改革考核方式。以能力為導向的計算機組成與結構課程改革的總體思路見圖1。

圖1 課程改革基本思路

2.1 優化課程教學目標

課程的教學大綱是執行人才培養方案和實現人才培養目標的指導性文件，是組織課程教學、檢查學生學習效果和評價教師教學質量的重要依據，也是課程建設和教學評估的重要內容。對于教學大綱，其中的課程目標起到統領大綱、指明方向的關鍵作用。計算機組成與結構課程目標的優化是工程教育認證下課程改革的基礎和必要環節，要與畢業要求達成一致。因此，確定課程目標與畢業能力對應關系表，見表1。

根據認證標準中關于計算機專業畢業的12條要求，我們將課程目標、課程任務等分為7 個方面，分別支撐畢業要求中的相關指標點，從而使課程目標從傳統的“傳授知識”轉變為“培養能力”。

2.2 完善課程教學內容

課程的教學內容是教學大綱的重要組成部分，在依照工程教育專業認證要求確定課程目標之后，應進一步完善課程的教學內容，以更好地實現以能力為導向的教學，為此，可從以下幾個方面著手。

1）適當取舍，完善內容。

一般來說，開設計算機組成與結構課程的對象是計算機科學與技術及其相關專業的本科生，使用由清華大學出版社或高等教育出版社等出版的相關教材。針對傳統課程的內容，結合工程教育專業認證、學校等方面的要求，我們將教學目標對各項畢業要求指標點的支撐細分到每一章節或某些章節中，并對傳統教學內容進行適當取舍，給出相應知識點的掌握程度和教學手段，從而進一步確定授課過程中課堂教學內容和要求。

2）加強知識銜接，構建整體認知。

計算機組成與結構這門課程主要介紹計算機各個組成部分及其工作原理，屬于偏硬件方面的課程。該課程的先導課主要有計算機導論、數字電路等課程；而其本科階段后續課有計算機網絡原理、操作系統等。這些課程之間知識銜接緊密，例如在學習加法器、存儲器的硬件電路中，將涉及數字電路的相關知識和如何由硬件描述語言進一步設計相應部件，也會涉及高級語言程序的相關知識；在學習存儲系統過程中，Cache、內存和虛擬存儲器的知識與操作系統中的存儲管理之間相互聯系、互為補充。因此，在授課過程中，如果僅僅講解課程本身內容，學生很難理解相關課程之間的聯系，也不利于掌握該課程知識，更難以建立對計算機系統的理解。為了解決這些問題，我們嘗試加強課程之間知識銜接，構建學生對計算機系統的整體認知。

3）融入前沿知識，開闊學生視野。

在計算機組成與結構課程教學中，不僅強調重點基礎知識的講授，而且適當融入學科前沿知識、硬件成果以及研究熱點，引導學生學會關注領域動態，可以彌補傳統教學的不足，極大地提高學生學習興趣，讓學生體會學以致用的成就感，并以此為動力形成終身學習的能力。

4）采用多元教學方法，提升學生學習質量。

課程教學在實施過程中，既要讓學生牢固掌握知識，又要提升學生的能力和素養。為此，在教學中應以學生為中心，改進教學效果，針對不同的教學內容采用多元化的教學方法，比如案例式、問題驅動式、啟發式及參與式等模式，以打破傳統的“填鴨式”或“灌輸式”教學方式，提高學生的學習積極性和主動性。例如，根據計算機組成與結構的課程目標與教學內容，設置多種類型的實踐任務，學生以小組形式完成相應的科研內容，并在課堂上進行介紹，從而使學生能夠將課堂講授內容與實際應用緊密結合，達到理論聯系實際的目的，同時訓練了學生的實踐動手能力、團隊合作能力以及溝通表達能力等。

表1 課程目標與畢業支撐對應表

2.3 加強課程實踐環節

根據工程教育專業認證的理念，課程實踐環節的目標不僅是對已學知識的驗證，還要培養學生的實踐動手能力以及根據所學知識解決復雜工程問題的能力。因此，對于計算機組成與結構課程，應加強其課內上機實踐環節，從而深化課堂教學的效果。在上機實驗中，嘗試建立以驗證性實驗為基礎、設計性實驗為主導、綜合性實驗為引領的實踐模式，以提升學生的學習興趣和動手能力以及合作溝通能力。在課程初始階段，將每班學生分成若干小組，由組長負責，分工協作，有步驟、有計劃地共同完成相應的上機實驗。驗證型實驗強調學生編寫基礎程序、調試程序的能力；在此基礎上，進一步完成設計型實驗，該類型的實驗以設計單元部件為目標，強化學生對課堂理論的理解；最后，將設計型實驗的結果進一步擴展成綜合型實驗，即單周期CPU 系統的設計與實現，以訓練學生查閱文獻、搜集資料，進而增強分析問題和解決問題的能力。

2.4 改進課程考核制度

課程考核不僅是檢驗學生學習效果的試金石，也是檢驗教學質量、教學效果的主要方式。一般來說，學生的本門課程成績主要由平時成績、期末考試成績以及實驗成績組成，雖然這種考核方式考慮了一定的過程評價因素，但在工程教育專業認證的導向下，這種考核模式有不少弊端，不能很好地對學生的相關能力進行評價。為改進課程考核制度，應采用教學過程中的全程化考核方法，采用分階段、分目標、分形式，以達到對學生學習過程和能力培養的多方面考核。首先，應根據課程目標、課程內容、課程任務以及對應支撐的指標點來確定相應部分的分數值、考核形式、評分依據等內容。總體來說，課程成績可由下面幾部分組成：理論考試成績、課堂表現、作業成績、問題分析能力、實驗動手能力、書寫報告能力、團隊協作能力和表達能力等。這些部分的占比權重，可以結合學校要求、課程目標、學生情況等進行合理分配。其中，問題分析能力、實驗動手能力、團隊協作能力和表達能力可以在實踐環節進行考核，通過每個實驗小組對實驗過程、步驟、遇到問題的解決辦法和實驗效果演示等方面的自我說明，再結合教師的隨機提問，從而給出相應的能力考核結果。

3 結語

以工程教育認證為導向的計算機組成與結構課程改革有利于提升教學質量，優化教學過程。這項工作也是一個不斷思考、探索的過程。針對目前計算機組成與結構課程存在的主要問題，筆者提出工程教育認證下的課程改革主要思路及其步驟，結合工程教育專業認證、學校等方面的要求，通過認真梳理，優化課程目標、完善課程內容、加強課程實踐以及改進課程考核制度，使學生更好地理解和掌握了計算機整體系統的概念，提升了學生解決復雜工程問題的能力。