面向系統能力培養計算機專業課程改革探討

劉會琴

（撫州職業技術學院，江西 撫州 344000）

計算機系統能力可以表述為運用系統觀理念促進計算機軟硬件協同運作的綜合能力。從計算機行業發展趨勢來看，越來越多的軟硬件技術應用都需要運用系統觀理念，從系統認知、設計、開發、應用等方面，做好各部分之間的抽象關聯與相互促進。因此，探究計算機系統、計算機各相關課程之間的內在協同與邏輯關系，關注學生系統能力培養成為業界共識。計算機系統能力作為計算機科學與技術專業4項必備專業能力之一，各重點高校都在積極探索系統能力培養的實踐路徑，如清華大學提出的以“MIPSCPU”為核心的一體化教學實驗平臺，東南大學提出的以“MiniSys-1A CPU”為核心的軟硬件綜合實訓平臺等都取得了良好教學成效。由此，立足撫州職業技術學院實際，面向系統能力培養目標，提出計算機專業課程重構建議。

1 現有學科課程體系的應用現狀

提高人才培養質量，要全面對接行業發展需求。計算機科學與技術專業要求學生具備較高的系統能力。現有的課程結構體系雖然也設置了與計算機系統能力培養相關的課程，但這些課程相對獨立，如“數字邏輯電路”“計算機系統結構”“計算機組成原理”“編譯原理”“操作系統”“匯編語言”等課程，系統關聯性不夠。計算機科學與技術課程教學的總體目標是培養具備計算機系統能力的高素質應用型人才，但從現有的課程實施來看，學生系統能力的培養并不到位[1]。在與學生訪談中發現，雖然一些學生對計算機系統相關子系統了解得比較深刻，但是對各個系統之間的內在邏輯關系了解不深，特別是基于計算機系統的整體分析上，學生綜合能力不足，導致課程結構面臨“只見樹木，不見森林”的教學誤區。總體來說，問題體現在以下三點。

一是教學內容相對獨立，缺乏知識點之間的邏輯銜接與互融。計算機科學與技術學科，相關課程知識點多，但課程與課程之間往往缺乏深度關聯。各門課程非常注重自身課程的教學，或者強調課程內部的系統性分析，忽視不同課程之間的銜接與整合，導致學生無法獲得完整的系統觀。

二是教學方法重理論講解，輕計算機系統知識點的全面整合。課程內容講解中，對相關理論講得很細、很深，導致學生雖然理解了核心概念，但是卻無法將之轉換為計算機必備能力。

三是實驗教學側重于驗證，缺乏學生綜合設計與系統應用。實驗課程多圍繞計算機基本原理，對原理進行簡單驗證，學生雖然具備一定的系統開發與設計能力，但是缺乏深度整合能力，在面對有難度的綜合問題時，暴露出實訓不足等問題，進而產生“盲人摸象”的混沌感。可見，計算機系統能力的培養需要整合學科內相關知識，促進課程之間的互通互融，而面向系統能力、優化課程結構成為課程改革的必然趨勢。

2 面向系統能力課程改革的重要性

確立以系統能力為目標的人才培養模式，要深刻認識到計算機系統多級層次結構的特點。對于硬件設計者，其研究的對象基于微程序機器級、傳統機器語言機器級，所涵蓋的課程主要有“電路技術”“數字邏輯電路”“計算機組成原理”“微機原理”“嵌入式系統”等。對于操作系統設計者，其研究的對象為操作系統機器，主要涵蓋“操作系統”相關課程；對于匯編語言程序設計者，其研究的對象為匯編語言機器，課程以“匯編語言”為主；對于高級語言設計者，其研究的對象為高級語言機器，以及不同的應用語言機器，所涵蓋的課程有“數據結構”“高級語言程序設計”“算法設計與分析”“Java語言”“數據庫技術”“Linux系統”等。由此看來，針對計算機系統不同層級，所涵蓋的課程結構也有所不同。基于系統能力培養目標，在課程重構中，不論是哪個層級的人才都要強調系統能力的養成。

面對計算機系統，要讓學生深刻領會計算機系統的整體性、系統性，把握好各個層級的邏輯關系。面向未來，隨著多線程、多芯片、多核系統的應用，需要學生能夠基于計算機系統的系統化分析，設計出更具高性能的計算機軟硬件系統。因此，系統能力并非讓所有學生都能夠成為計算機系統的設計者、研究者，而是要基于計算機基本理論和技術，能夠在系統觀基礎上更好地發揮計算機系統性能。

3 面向系統能力課程改革的思路

3.1 確立課程改革目標以增強學生系統設計能力

立足計算機科學與技術學科，面向系統能力培養的課程重構目標，體現在以下4個方面。一是強調學生綜合實踐能力的養成。依托計算機系統設計，改革軟硬件課程協同教學方案。圍繞完整的計算機系統構成，實現“圖形化+硬件描述語言編程”教學模式，主要涉及“匯編語言”“計算機組成原理”“操作系統”“接口技術”等課程改革，突出學生系統設計、工程實踐和解決問題的能力。二是強調課程間的邏輯銜接。確立“計算機組成原理”為核心課程，將“匯編語言”作為前導課程，“操作系統”作為后續課程，貫穿“CPU課程設計”知識，增強學生對計算機指令系統的直觀認識。優化“接口技術”課程，深入探究“操作系統”軟件特征，讓學生掌握解決編程問題的能力，使他們能夠勝任較為復雜的系統設計工作。三是注重綜合性實驗項目整合。打破過去單一目標的實驗課程，注重學生軟硬件協同能力的培養。在實驗內容上，引入模塊化理念，基于精簡型計算機結構，重視計算機各系統、各部件之間的協同運作，幫助學生建立整機觀念。四是搭建以實際工程為載體的教學科研項目，促進理論與實踐一體化教學。面向系統能力，要轉變教學觀念、創新教學手段、優化教學內容，突出真實項目案例的學習與實踐，增強學生計算機工程能力。

3.2 梳理核心課程和知識點以發展學生系統能力

計算機系統能力，根據人才培養的層次需要優化核心課程和教學知識點內容。圍繞系統能力培養目標，其核心課程有“計算機組成原理”“數字邏輯電路”“編譯原理”“操作系統”“計算機系統結構”等，這些課程構成了計算機系統設計、應用的基礎。針對不同的核心課程，要注重課程間的銜接與綜合。“數字邏輯電路”課程涵蓋數字電路、電路技術等知識點，包括對基本電路、元器件的學習和對時序邏輯的講解等，這些內容為后續展開計算機系統設計奠定了基礎。“數字邏輯電路”課程在系統化教學中要將“組合邏輯電路”“時序邏輯電路”“同步時序邏輯電路分析”“中大規模集成電路”等作為重點內容，讓學生了解布爾代數和數字邏輯電路的特點，能夠利用數字邏輯電路來展開硬件電路分析、設計與檢錯、調適等工作。“計算機組成原理”課程應該將“組合邏輯電路”“時序邏輯電路”“計算機指令集”“偽指令集”等作為教學重點，讓學生能夠基于計算機系統整體結構來認識各系統構成部分之間的關系[2]。如計算機運行過程中，各子系統之間的協作關系；抓住總線系統結構各功能部件及工作原理，能夠將“計算機硬件與操作系統”“編譯原理”“微機原理”“接口技術”等課程進行綜合運用。“操作系統”課程要與“匯編語言”“高級程序設計語言”相結合，強化學生對操作系統基本概念、操作系統設計原理和方法的學習。如處理器管理方法、存儲管理、通信與鎖死、進程同步、系統安全與保護、分布式操作系統、Linux實例學習等。注重“操作系統”課程與其他軟件的學習與設計，讓學生能夠從操作系統中提高軟件分析、設計和創新能力。“編譯原理”課程位于高級語言與操作系統之間，主要承擔高級語言向匯編語言等目標代碼的轉換功能。在系統能力培養目標上，讓學生能夠深刻理解計算機系統結構，能夠運用編譯器來完成程序設計調適、編譯工作。教學知識點包括詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、目標程序調適與運行等。將“編譯原理”課程與高級語言編程相結合，幫助學生夯實軟件設計、系統開發基礎。“計算機系統結構”課程主要基于機器語言，讓學生認識與計算機系統結構相關的概念、原理和分析方法，如計算機性能分析、并行處理、并行算法、單芯片多處理器技術、云計算、集群技術等。課程教學要強調與“編譯技術”“編程技術”“計算機硬件結構”等課程的銜接，特別是在并行領域，讓學生能夠掌握并行操作系統設計與編譯方法。

3.3 搭建實踐體系培養軟硬件綜合能力

突出學生計算機系統能力，要從計算機基本能力、專業能力、綜合能力三方面協調好軟件技術課程、硬件技術課程實踐教學。參照每個學段計算機專業相關課程的教學安排，提出“三橫兩縱”綜合實踐教學體系。所謂“三橫”，指的是第一年以基礎課程、基礎實踐能力為主，如“電路與電子技術”課程，“高級語言程序設計”課程和與之相關的實驗課程；第二年，以專業課程、專業實踐為主，如“計算機原理”課程及實驗課程、“操作系統”課程及實驗課程、“算法設計與分析實驗”“數據結構實驗”課程等；第三年，以“嵌入式系統”課程、“微機原理與接口技術”課程為主，整合“數據庫原理實驗”課程、“編譯原理實驗”課程等，培養學生的綜合能力。所謂“兩縱”，指的是主要從硬件技術、軟件課程兩個領域注重學生計算機系統能力的培養。如在硬件層面，圍繞“數字邏輯電路”課程拓展相關實驗課程，讓學生動手參與多路選擇器、編碼器、譯碼器、比較器、加法器等電路設計[3]；在軟件層面，主要加強軟件類課程的學習與程序設計，讓學生掌握軟件開發、軟件調試、軟件編譯及運行管理等能力。

4 結束語

從系統能力視角重構計算機專業課程體系，對教師也提出了更高要求，要把握系統能力育人導向，強調對計算機類相關課程的貫通教學，特別是基于不同層級引入系統化教育理念和思維，以提高學生系統認知、系統設計、系統實現等綜合能力。