面向工程教育的計算機系統課程教學改革

林 姍，葉志偉，歐陽勇

（湖北工業大學 計算機學院，湖北 武漢 430068）

0 引言

高等工科院校各專業開展工程教育專業認證，是提高專業教學質量、建設國家一流本科專業、推進工程教育國際互認的重要舉措。我國工程教育專業認證標準主要參考美國《華盛頓協議》，工程教育的主要目標是培養具備解決復雜工程問題的能力，使學生能夠在掌握工程原理、專業知識和工程知識的基礎上，深入運用這些原理和知識解決本專業領域中的復雜工程問題[1]。

為了更好地培養學生解決復雜工程問題的能力，應根據學校定位和社會需求明確專業自身的培養目標，同時隨著工程教育理念的不斷深化，制訂符合專業人才培養的畢業要求及指標點，在此基礎上以學生計算機系統能力提升為目標，對課程體系重新進行整合，明確計算機系統相關課程的課程教學目標，優化課程教學內容、加強實踐環節，通過對課程教學效果的合理考核與評價不斷發現新問題并持續改進。

1 計算機系統類課程教學改革

1.1 本專業的復雜工程問題

除專業知識及技能的傳授外，面向工程教育專業認證的計算機系統相關課程的教學更側重對復雜工程問題的選擇和設計，在教學環節中綜合運用課程所學的工程原理和工程知識對復雜工程問題進行識別、表達、方案設計及研究、優化與改進等。

目前，計算機專業人才培養已從強調“程序”設計向強調“系統”設計轉變，更加強調系統觀及軟硬件協同設計。因此本專業選擇的復雜工程問題為計算機領域的復雜應用系統的設計與實現，培養學生運用計算機系統的知識和原理，設計和開發基于嵌入式的應用系統。

本專業的計算機系統類主要課程包括數字邏輯、計算機組成原理、微機接口技術、操作系統、編譯原理、計算機網絡、數據庫原理及應用、嵌入式系統設計與應用開發等，還包括課程設計和綜合設計等相關實踐環節。在課程體系規劃及設計上，對這些課程的教學內容進行統一規劃，從而為學生構建應用系統設計與實現所需要的知識體系和知識結構，使學生掌握計算機系統相關的知識點，并能融會貫通加以應用，培養其計算機復雜應用系統的綜合設計和開發能力。

1.2 優化教學內容

基于對本專業復雜工程問題能力的培養，計算機系統類課程的教學改革首先將知識體系進行梳理，在計算機系統7 個抽象層[2]的基礎上明確各課程教學內容，完善各門課程橫向和縱向的知識點：橫向確定各課程的主要知識點，避免冗余并保證同層次內容的完整性；在縱向建立計算機系統層次間的聯系，明確課程之間知識點的銜接，保證系統各層次的完整性，從而能夠實現基于計算機系統的復雜應用。

以數字邏輯課程為例，其教學內容圍繞計算機系統抽象層中的最底層邏輯門層展開，重點為組合電路和時序電路，其中邏輯門電路著重于邏輯功能、外部特性和典型應用，如對與非門、三態門等只介紹其功能、符號及主要應用,不再深入講解電路的內部結構及工作原理分析。另外，將觸發器的主要內容縮減為一小節，只通過基于與非門構成的基本R-S 觸發器介紹觸發器的基本工作原理，特別強調為何觸發器具有存儲功能并能實現時序電路，然后對基本R-S 觸發器的不足進行分析，并針對這些不足進行改進，引入JK觸發器、D 觸發器及T 觸發器等常用器件，對各類觸發器的內部實現電路不做詳細展開，側重于觸發器的功能、外部符號及特性，并能將其用于時序邏輯電路的分析與設計。

組合邏輯電路和時序邏輯電路部分的教學，則結合實際生活中的計數器、譯碼器等電路的設計過程讓學生掌握基于小規模邏輯電路的設計思路和方法。在此基礎上，引入加法器、寄存器等器件的設計，讓學生能夠理解計算機系統基本功能單元的實現，并與計算機組成原理課程的教學內容進行銜接。

計算機組成原理課程的教學內容圍繞著邏輯門層的上一層展開，講述如何連接邏輯門層的硬件設備以形成更高抽象層次上的功能器件，重點培養學生按照指令集設計數據通路和控制器的能力，即學生能夠應用CPU 控制器的組成原理進行簡單的CPU 控制邏輯設計。同時結合專業人才培養的目標和復雜工程問題所涉及的應用系統的特征，學生通過計算機組成原理的學習，加深對計算機各部件工作原理的理解，從而能夠站在系統程序員的角度來認識和理解計算機，編制出高效運行的程序。按照以上思路，計算機組成原理課程的教學內容可以進行以下幾個方面的優化整合。

（1）運算器部分結合C 語言來講解數據在底層的表示、存儲、類型轉換、運算等。將C 語言中的運算轉換成匯編語言，并與MIPS 指令集的實現相結合，使學生能夠從程序員的角度理解硬件實現，能夠更有效地提升程序效率。

（2）中央處理器部分的內容摒棄了大量基本原理的介紹，側重在掌握MIPS 指令系統知識的基礎上，以具體的指令集為例分析每條指令的格式和實現過程，構建數據通路，設計組合邏輯控制器和微程序控制器。

（3）通過對高速緩存、流水線、動態分支預測等的學習引入性能問題。通過以MIPS 指令集為基礎，講解功能部件、單周期CPU、多周期CPU 及流水線CPU 的設計思路與實現，使學生更好地建立計算機系統的概念、掌握相關原理、理解工程實現中各方面可能存在的沖突及解決方法，并將其應用于解決復雜工程問題。

2 計算機系統類課程實踐環節改革

2.1 課程實驗

計算機系統類課程的實踐環節主要包括課程實驗和綜合設計兩個部分。課程實驗仍以數字邏輯和計算機組成原理2 門課的實驗教學改革為例。

以往這2 門課程都是采用的實驗箱完成課程實驗，實驗過程繁瑣，另外實驗箱數量有限且必須在實驗室完成實驗，嚴重限制了學生實驗時間和地點。目前的實驗主要采用Logisim 仿真軟件實現，該仿真軟件便于電路的設計與仿真，學生可以利用自己的電腦在任何時間完成實驗要求。

實驗項目也根據教學內容進行了整合與優化。數字邏輯實驗安排了3 個主題：基本邏輯門電路和觸發器功能測試、組合邏輯電路設計和時序邏輯電路設計。除第1 個主題為驗證型實驗外，其他2 個均為基于項目式的實驗，組合邏輯電路以加法器的實現為主題，時序邏輯電路以計算器的實現為主題。計算機組成原理的實驗項目也是3 個，均以項目式實驗展開，包括ALU 設計、寄存器堆設計及單周期CPU 設計。

2.2 綜合設計

為了更好地培養學生解決本專業復雜工程問題的能力，在課程體系里增加了綜合設計環節。本專業的綜合設計是在學完所有計算機系統相關課程之后，綜合利用所學的計算機組成原理、操作系統、計算機網絡、數據庫原理及技術等專業知識和工程知識完成一個基于嵌入式的實際應用系統——無線點菜系統。學生從該實際應用項目需求分析開始，經過方案選擇、系統設計、軟硬件開發、仿真調試等環節，綜合考慮各類非技術因素，最終實現該應用系統。在這個過程中，從知識運用、問題分析、系統設計、系統綜合等4個方面培養學生解決復雜工程問題的能力。該教學環節主要支撐的畢業要求與課程教學目標的對應關系見表1。

表1 綜合設計課程畢業要求與課程目標的對應關系

在教學過程中首先對學生明確課程目標及無線點菜系統的具體工作任務。該系統任務的實現涉及底層硬件、接口、操作系統、編譯、數據存儲與訪問、應用層等，需要運用深入的工程原理才能解決問題，并且該系統包含多個相關聯的子系統，還要考慮環保、工程倫理等方面的因素，是一個典型的計算機復雜應用系統。該應用系統各個層次工作任務與主要支撐課程的對應關系見表2。

綜合設計各教學環節與學生解決復雜工程問題的能力培養之間的對應關系見表3。

表2 綜合設計課程工作任務與主要課程的對應關系

表3 綜合設計教學環節與學生能力培養的對應關系

續表

在綜合設計教學過程中，以工程實際項目（無線點菜系統）為驅動，將工作任務細化，同時加強過程指導與監督，讓學生能夠識別問題、設計方案、解決問題，從而培養學生問題分析、系統研究、方案設計、自主學習、團隊協作等能力。并此外，通過報告撰寫和答辯質疑等環節讓學生對系統實現方案及效果進行評價和反思，從而培養學生工程綜合素養，如溝通能力、環保意識、工程倫理等。

3 課程評價及持續改進

3.1 課程的考核與評價

課程科學合理的考核方式及評價是培養學生解決復雜工程問題能力的重要保證，也是發現教學中的不足并進行持續改進的重要依據。

計算機系統類課程的教學改革對課程的考核評價方式也進行了改進，不再局限于期末卷面考試，根據課程特點、教學目標及內容對課程考核分階段并以多種形式進行。以理論課程考核為例，目前采用了課程作業、分階段課堂測試、實驗、期末閉卷考試、文獻閱讀及報告撰寫、課程三問等考核方式，其中課程三問是學生針對課程學習提出與學習內容相關的3 個問題或課題，并給出提出問題的背景及依據，以及對問題進行思考后的解決思路或初步解決方案。因此，對學生學習效果的評價，不再單一的以平時作業和期末考試卷面成績為主，而是以合理的過程性評價為主，將期末閉卷成績占總評成績的比例降低，并提高學生平時過程性考核表現所占的比重。以數字邏輯課程為例，表4 中給出了課程目標與考核方式的對應關系，在最近一學期該課程的學習成果評價中，期末考試與平時過程性評價各占總評成績的50%。

表4 數字邏輯課程目標與考核方式的關系

3.2 持續改進

根據學生學習成果的達成度對課程教學進行分析，找出學生某些課程目標達成效果不夠理想的原因，如教學方法不適用于教學內容，沒有很好地對學生學習過程進行監督，學習成果要求太高，學生學習積極性不夠等。教師根據不同原因有針對性地制定持續改進策略，比如提升教學能力，根據學生實際情況制定學習成果要求，利用實際案例引導學生學習以提高學生學習積極性，充分利用網絡教學資源等。

另外，某些學習效果的提升可能需要進一步強化專業技能，而這些技能涉及多門課程，因此要通過對這些課程學習效果的綜合分析，合理改進教學方式，彼此協調相關課程的教學內容，甚至可能要優化課程體系，讓多門課程有效參與，從而使學生有足夠的專業訓練[3]，達到畢業要求。

4 結語

在工程教育專業認證過程中，要在真正理解“復雜工程問題”內涵的基礎上，明確本專業畢業要求和指標點，合理設計課程體系并確定課程的教學目標。在教學內容、實踐環節、考核內容及評價標準上以學生為中心從課程特點出發，逐步培養學生解決復雜工程問題的能力。

湖北工業大學計算機科學與技術專業按照工程教育專業認證的畢業生能力要求，開展了以解決復雜工程問題能力培養為核心的計算機系統類課程教學改革，將整體目標細化為各門課程應達成的具體目標，通過優化課程教學內容、加強實踐環節、合理制定考核方式及持續改進策略等，有效促進了學生解決專業領域內復雜工程問題能力的提升。