計算機類專業系統能力培養模式的研究

張旭 胡東華 朱付保

摘 要：本研究論述了計算機系統能力培養模式以及計算機類人才培養存在的問題，闡述了基于系統能力培養的專業課程體系、統一實驗平臺的實踐教學體系，探索了學生助教模式，并介紹了教學改革的成效，提出了適合高校計算機類專業的系統能力培養模式。

關鍵詞：計算機類專業;系統能力培養;教學模式

在信息技術高速發展的背景下，要求計算機類專業人才具有計算機系統完整概念以及系統的設計、實現和應用能力。系統能力培養對計算機類專業的建設具有重大的意義和影響。為推動高校計算機類專業對學生系統能力的培養，教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會（以下簡稱教指委）專門成立系統能力培養課題小組對系統課程設置進行研究，國內高校也已經開始進行有關嘗試。其中，清華大學以標準化MIPS指令系統為中心，構建一個完整的計算機系統作為最終目標的課程群建設方案取得了重大突破;北京航空航天大學以“一個CPU、一個OS、一個編譯器”作為教學目標的課程體系改革，取得了良好效果;華中科技大學以設計流水處理器為目標，基于Logisim工具將數字邏輯設計、計算機組成原理等課程有機結合在一起，并總結出一些可推廣的方法。

一、計算機類人才培養存在的問題

系統能力培養已經成為計算機類專業教學改革的主要方向。課程組所在的鄭州輕工業大學計算機與通信工程學院開設的計算機類專業主要有計算機科學與技術、物聯網工程、大數據等。學院在計算機類人才培養過程中，尚存在以下問題：

一是各個專業歸屬不同的系部，缺少在專業基礎課方面的統籌規劃，突出強調專業課的建設和作用，沒有為學生建立起完整的計算機系統知識結構，導致學生的系統構造觀不足。

二是專業課程的實踐教學活動大多依托該課程的實驗平臺來展開，各實驗平臺的分離使得相關聯課程之間的實驗結果無法融合成一個更大的系統架構，導致學生的系統開發能力和設計能力不強。

三是由于硬件類課程的實驗箱通常采用模塊化結構，靈活性和擴展性比較差，造成實驗基本以驗證性的實驗為主，開設設計類和綜合類實驗的難度大，學生解決復雜工程問題的能力弱。

二、系統能力培養模式的研究

（一）基于系統能力培養的專業課程體系探索

首先，學院以計算機系統為立足點，重新規劃計算機類專業的課程體系。將程序設計基礎、數字邏輯電路、計算機組成原理、操作系統作為系統課程群，設置為各個專業的必修專業基礎課，統一規劃課程群中課程的教學內容，保證每門課程既有自己獨立的知識體系，又是完整的計算機系統知識體系的組成部分。

程序設計基礎課程在學生掌握基本程序結構、語法規則的基礎上，適當增加常用算法及算法優化的內容，為學生開發計算機應用提供必要的編程能力。

數字邏輯電路課程在傳統講解組合邏輯電路和時序邏輯電路的基礎上，側重數值計算和數據處理部件的內容，如半加器、全加器、寄存器、移位器、存儲器等內容，使學生掌握小規模數字邏輯電路設計方法，為其學習計算機組成原理課程打下基礎。

計算機組成原理課程在傳統講解運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備功能部件的構成和工作原理的基礎上，增加MIPS架構處理器的指令格式、尋址方式、數據通路、流水線等內容，為操作系統課程提供必要的指令集的支持。

操作系統課程在介紹處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理的基礎上，結合操作系統的內核源代碼，增加交叉編譯、工作隊列、系統調用、驅動程序編寫等內容，為學生學習高級語言的系統級編程提供必要的基礎。

其次，學院在系統課程群的基礎上根據專業方向，開設相關的專業課程，將其擴展成更大的課程群，從而改善以往相關課程間相互脫離、缺乏融合的不足。同時，在教學方法上，教師不僅注重對“知識點”的分析，而且強調“計算機系統”視角，以計算機系統及其應用進行完整教學，幫助學生構建完整、系統的知識體系架構，從而體現出能力培養與專業培養的層次性和連貫性。

（二）基于統一實驗平臺的實踐教學體系探索

學院圍繞系統能力培養目標，以小核心、模塊化、大整合作為指導思想，在龍芯FPGA實驗平臺上，統一規劃和設計各門課程的教學目標和實驗內容，使各門課程的實驗結果模塊化，且相關課程的實驗構成輸入輸出關系。

數字邏輯電路課程以基本邏輯門、全加器、寄存器、存儲器等和調試手段為主要學習內容，為開展計算機組成原理課程的實踐教學提供必要的基本知識模塊。

計算機組成原理課程以實現MIPS指令架構的處理器為目標，開設數據通路、ALU模塊、寄存器堆、單周期CPU、多周期CPU等實驗。通過實驗，學生可以掌握Vivado集成開發環境下庫IP的調用與設計方法。同時，這些實驗可以為操作系統課程實驗提供必要的硬件運行環境。

操作系統課程通過交叉編譯技術向龍芯平臺移植Linux，需要學生完成內核編程、工作隊列、系統調用、驅動程序設計等實驗。該實驗可以讓學生掌握操作系統的設置能力，同時為高級語言提供完整的編譯工具鏈。

在統一的實驗平臺上，通過各門課程實驗結果的綜合與集成，學生實現了一個MIPS指令系統+Linux計算機系統平臺操作。這樣的設計既保證了實踐環節的連貫性和工程性，又使實踐教學具有可執行性。

（三）大實訓分組及學生助教模式探索

學院在大實訓學期，結合程序設計課程及相關專業課程的知識，利用龍芯平臺提供的輸入輸出接口和模塊，讓學生進行計算機應用的開發。教師可以將不同專業的學生進行組隊，讓他們分工合作，完成一個從流水處理器、指令集、應用軟件到外設的完整計算機系統的解決方案。這樣既有助于培養學生的系統層次視野與大工程觀，也有助于培養學生的團隊精神。

在開展實踐教學的過程中，由于學生的FPGA基礎不足、工業級的處理器結構復雜、操作系統內核源代碼規模龐大，教師必須考慮不同專業、不同層次學生的知識儲備。在相關課程的實踐教學中，采用模塊化教學是使實踐過程具有可持續性的重要手段。在數字邏輯電路和計算機組成原理的課程實驗中，教師要讓學生利用Verilog語言完成相應模塊的設計，并進行驗證，然后為學生提供對應的IP核;在操作系統課程實驗中，教師要讓學生編寫缺失少量核心源代碼的內核模塊，并進行驗證，然后為學生提供完整的模塊。這樣既能讓學生以工業標準為基礎完善自己的設計方案，又能為下一階段的實踐教學提供必要的知識儲備。

在系統能力培養過程中，實驗環節中指導教師人數不足是課程教學面臨的突出問題。針對這一問題，課程組采用了學生助教模式。實驗指導教師記錄實驗過程中出現的問題，選取成績優異的學生，定期組織研討會，對問題進行分析研討。同時，為每一個學生分配指定任務，讓他們在實踐教學過程中配合實驗指導教師一起完成實驗指導工作。實踐表明，學生助教模式有效提高了指導效率。

三、改革的成效

鄭州輕工業大學計算機與通信工程學院緊密結合教指委關于系統能力培養的要求，結合自身實際情況，積極開展相關的教學改革實踐，取得了以下成效：

基于學生系統能力培養的課程體系構建，增加了相關課程間的關聯性，改變了傳統的以課程知識點為主的教學方式，體現了計算機系統的層次性，可以有效培養學生計算機系統的結構觀;基于統一實驗平臺的實踐教學體系采用統一的實驗平臺，實驗過程具有延續性，獨立的實驗可以融合成更大的系統，能夠培養學生的計算機系統設計能力，有效提高了教學質量;大實訓分組以及學生助教模式，能夠培養學生的團隊合作能力以及解決復雜工程問題的能力，滿足工程認證的要求。

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責編：初 心