農業院校新工科計算機系統能力教學改革與實踐

黃嵐 段青玲 王耀君 孫瑞志 史銀雪

[摘 要] 強農、興農，對農業現代化建設提出了更高的要求。我國現代農業的發展離不開信息技術，而智慧農業依賴信息技術的發展及應用。在新農科背景下，迫切需要培養具備計算機系統設計、系統開發和系統應用能力的專業人才。根據高等農業院校的實際情況，基于新工科理念，聚焦目前培養過程中存在的問題和挑戰，闡述計算機系統能力培養的教學改革模式，通過重構計算機專業課程體系、加強計算機系統能力綜合實踐教學、學生參與綜合多學科交叉項目等措施，提升學生解決復雜問題的系統能力。

[關鍵詞] 新工科;新農科建設;智能農業;計算機系統能力培養;教學改革

[基金項目] 2016年度中國農業大學核心課程建設項目“計算機系統能力培養教學改革與實踐”（XD201615）;2020年度新一代人工智能學科專業建設項目（2020XDRHXMXK07）（煙臺市校地融合發展項目）

[作者簡介] 黃 嵐（1968—），女，北京人，工學博士，中國農業大學信息與電氣工程學院教授，主要從事嵌入式系統與計算機應用研究;段青玲（1967—），女，河南新鄉人，工學博士，中國農業大學信息與電氣工程學院教授（通信作者），主要從事計算機應用與人工智能研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）27-0061-04 [收稿日期] 2021-12-01

引言

我國已是工程教育大國，普通高校工科專業培養規模居世界前列，在數量上比俄羅斯、美國高出3～5倍[1]。2016年6月起，中國正式成為國際工程聯盟（IEA）《華盛頓協議》組織的正式成員。國際、國內的新形勢使得中國工程教育面臨新挑戰。從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，標志著我國以新工科建設為主題的高等工程教育改革進入一個新的階段[2]。新工科理念具備以產業發展為導向、學科交叉融通、積極面向未來需要、突出引領作用等特征[3]。新工科是一種全新的工程教育理念，本質上是更全面的系統觀。它除了強調培養學生更寬廣的視野與創新能力外，也重視與傳統工科專業之間的有機結合，進一步與理學、經濟、人文、社科等其他專業之間的交叉融通，使學生成為具備應用實踐能力的復合型工程科技人才。在國家富強、科技創新的過程中，需要大力培養德學兼修、德才兼備的工程技術人才。新工科背景下，強調計算機專業人才要具備“復雜工程問題”解決能力和對工作的勝任力。值得注意的是，與純工科大學中計算機專業定位不同，高等農業院校中的計算機專業將致力于解決農業現代化過程中涉及的復雜工程問題，因此在新工科建設中對計算機系統能力培養提出了更高的要求。

目前，我國教育界也提出了新農科建設要求[4]，大力推動新農科與理工文學科的交叉融合，以適應我國“三農”問題對現代復合型人才的需求。我國農業現代化離不開科技的發展，特別是信息技術。農業物聯網、邊緣計算、嵌入式人工智能、農業智能無人系統等智慧農業中的計算機系統，都會涉及處理器CPU、操作系統等核心技術，使得計算機科學與技術學科與我國農業產業發展深度融合，迫切需要培養具有計算機系統能力的一流智慧農業技術人才。

一、計算機系統能力培養概況

系統能力是計算機技術人員解決復雜工程問題的基礎，解決復雜問題時不是單純只考慮算法、軟件或者硬件，而是從系統的角度，進行綜合分析、設計、開發和應用實施。近些年來，國際上卡內基梅隆大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校等著名大學提出了一系列與系統能力培養相關的課程和教材。國內許多工科高校開始重視計算機系統方面的教學，積極探索和實踐計算機系統能力培養模式[5]。國內清華大學、北京航空航天大學、南京大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學等高校針對計算機系統能力培養進行了教學改革，目前主要有以下系統能力培養模式[6，7]：（1）以數字邏輯、計算機組成原理、操作系統、編譯原理為主構建課程群。根據計算機系統的內在關系，重新梳理課程知識體系、知識分布及銜接關系進而構建課程群，改進教學方案和實踐環節，提出了以下教學目標：學生設計一個CPU、一個OS、一個編譯器;一些學校還能讓每個學生完成一個CPU的流片，做到“一生一芯”。（2）南京大學等單位借鑒《深入理解計算機系統》的教學理念，形成了中國本土化的教學方案。圍繞“計算機系統基礎”的核心概念，采用“IA-32+Linux+GCC+C語言”平臺教學是學生理解計算機系統中各個抽象層之間的內在邏輯與轉換關系。上述計算機系統能力培養模式為國內其他理工科高校提供了教改經驗和示范作用。但是，這些培養方案仍需要根據高等農業院校的實際情況進行“本地化”，以便與學校的辦學定位、師資配置、學生實際情況進行匹配，因地制宜，結合新工科建設來實施符合本校的系統能力培養方案和實施路徑。

二、高等農業院校的計算機系統能力教學實踐現存問題與解決措施

（一）計算機系統能力教學實踐面臨的問題

智能農業發展中所涉及的問題有明顯的行業特點，應用于農業中的計算機系統不僅要完成對應的功能，在功耗、體積、抗干擾、不同環境條件及價格等方面都有要求，能夠設計農業傳感器數據與計算機輸入輸出接口，而且還要求這方面的工程技術人員對農業、生物的背景知識有一定了解。這對農業院校計算機專業的學生在計算機系統能力培養上提出了更高的要求。計算機系統能力培養是一個完整的體系，強調各課程之間知識的整合和有效銜接。傳統模式下的計算機教學存在以下問題：（1）需要對農業領域復雜問題進行了解;（2）課程間缺乏系統級銜接、各自為政，缺少對課程知識之間的關聯性挖掘，導致軟硬分家、課程與課程相對獨立、知識體系系統性薄弱，學生較難形成完整的計算機系統觀;（3）缺乏有效的實驗平臺來完成計算機系統設計與實現綜合實踐;（4）在系統能力培養過程中缺乏企業的參與，不利于實踐教學;（5）專業課程教學中注重專業知識、技術能力的培養，但是，人生觀、價值觀引導有待加強，需要通過思想政治教育培養學生對國家、社會的責任感和使命感。

（二）解決問題的措施

針對計算機系統能力培養現有的問題，結合能力培養系統性和應用性的特點，需要針對重構計算機課程體系、教學內容規劃、實踐教學及思想政治融入課程等方面開展工作。

1.以智慧農業發展需求為導向，以系統能力培養為主線，構建課程群。我國各農業院校的計算機科學與技術專業肩負著為國家農業現代化和智慧農業培養人才的使命與責任。要培養出勝任這些工作的計算機工程技術人才，需要從專業教學課程體系和課程群建設為中心入手。課程群構建，是依據總的教學目標，把多門存在相互關聯的課程建設為課程群，以系統的觀點，將頂層教學目標合理分解，并形成各門課程教學目標，通過系統性梳理，以確保課程間知識體系與實驗體系銜接和有機融合[8]。

與其他工科院校不同，我們在計算機系統能力培養的課程群中加入了微機原理與接口技術課程作為計算機系統與外部交互基礎，這樣以“數字電子技術（數字邏輯）”“計算機組成與體系結構”“操作系統”“編譯原理”“微機原理與接口”“計算機系統工程綜合實踐”六門計算機專業必修課程構造為計算機系統核心課程群，以系統能力培養的總教學目標為指導，厘清各門課程之間的邏輯關系和知識結構，重構各課程知識體系和實驗體系。

為避免專業課程實踐內容各自為戰、互不連通的局面，建立一站式實驗平臺，前修與后續課程之間達成輸入與輸出相關聯的實踐成果，使各門專業課知識可以環環相扣、層層遞進、不斷累積上升。

2.以學生成果產出為核心，建設統一的教學實驗支撐平臺，進行系統綜合設計實踐。實踐環節在計算機系統能力培養過程中必不可少，學生可通過實踐環節更深入地理解理論知識，并運用其解決計算機系統設計中的問題，有助于教學效果的提升。傳統課程實驗項目以驗證性為主，各門課程間的實驗教學的關聯性不強，為了解決這一問題，需要循序漸進地進行教學改革。可以設計統一的教學實驗支撐平臺和綜合性實踐課程，圍繞實驗教學總體目標，構建各課程階段子目標及其實驗內容，增加設計性實驗，再通過難易程度適當的綜合實踐課程中的項目進行訓練，從而實現一個基本的計算機系統設計，既包括硬件又包括軟件。

以筆者所在的中國農業大學計算機專業為例：整合了“數字電子技術”“計算機組成與體系結構”“操作系統”“編譯原理”“微機原理與接口”五門計算機專業必修課程，逐漸減少孤立的驗證性實驗項目，設計難度適中，又貫穿所有課程內容的綜合實驗項目。同時，在大三學期設置“計算機系統工程綜合實踐”課程，其中智慧農業領域的復雜工程問題映射到計算機專業領域問題，通過綜合應用計算機工程知識，針對問題所設計的解決方案，采用依元素科技公司的Minisys-I實驗板，在FPGA上實現一個32位MIPS CPU，基于Minisys-1板，能夠運用交叉開發方式，在無操作系統的裸機上運行C程序，實現對MIPS處理器軟核的片上系統接口控制和功能，可以操作并行輸入輸出接口和串行通信接口，利用并行輸入輸出接口還可以擴展連接A/D數字模擬，以實現讀取傳感器數據的任務，這樣可將“計算機組成與體系結構”課程與“微機原理與接口技術”有機聯系起來;在MIPS CPU為核心的硬件上，可進行Linux裁剪與移植;修改C語言編寫的PL/0編譯程序，使其翻譯的中間代碼為MIPS匯編指令代碼，并將PL/0源程序翻譯生成MIPS匯編代碼文件;使用QtSpim軟件，對MIPS匯編指令源程序進行匯編，并仿真運行，驗證編譯結果。在“計算機系統工程綜合實踐”課程中，選擇與使用恰當的工具鏈，設計合理有效的軟、硬件實驗，通過協作，完成一個可重構的計算機系統原型，通過演示、口頭和書面報告鍛煉學生表達、交流的能力。在計算機系統工程綜合實踐中，使學生進一步掌握自主學習的方法，了解拓展知識和能力的途徑。

3.校企聯合，發揮企業師資作用，培養學生的計算機系統能力。企業技術人員對行業發展較為了解，特別是在計算機系統類項目的設計、開發、工程現場的調試方面經驗比較豐富，因此，在培養學生的計算機系統能力過程中，聘請企業中有工程項目經歷的工程技術人員共同參與培養方案和實踐教學計劃的制定及實施，參與一定的設計指導的教學工作，會促進學生系統能力的培養。

以中國農業大學計算機專業為例：兼職教師參與計算機組成與體系結構課程設計的教學，在教學過程中，企業專家提出了農業物聯網采集器的嵌入式系統實際需求，有利于促進企業實際工程經驗與課程實踐有機結合起來。

4.以新工科理念引領，結合智慧農業需求，引導學生參與多學科交叉項目。基于新工科理念，采取以課程成果為導向的教學方式，激勵學生參與URP項目、大學生創新創業項目、教師科研項目，進行項目驅動式的實踐教學，樹立知識“從實踐中來，到實踐中去”的理念，將“系統能力課程群”的各課程模塊間關聯的核心知識與解決綜合多學科交叉復合的工程問題相結合，全方位培養學生進行創新設計和開發高效解決方案的能力，不斷提升學生的項目合作、管理能力。適當設置項目的復雜和先進程度，有意識地培養學生能夠勝任未來工作的能力。以中國農業大學為例：要求計算機專業的學生必須有參加URP和創新創業項目的實踐經歷。

5.思想政治教育貫穿課程教學全過程，在計算機系統功能力培養中發揮著重要作用。結合計算機專業和行業特點，特別是圍繞國家獨立自主的創新發展需要，讓學生了解“計算機領域卡脖子問題”（CPU、操作系統、編譯技術），以及相關領域需要努力攻克的關鍵技術，這些內容可與計算機系統能力課程群中的各門課程密切關聯，結合服務“三農”問題，進行思想政治教育的內容挖掘，修改課程大綱，體現思想政治教育內容，形成“育人大綱”。在每個知識點，對比計算機系統國內外發展，介紹我們的優勢和亟待加強之處，激發學生的社會責任感和使命感。在具體的培養過程中“潤物細無聲”，將立德樹人作為人才成長之根本。

三、教學改革成效

以筆者所在的中國農業大學計算機專業系統能力教學改革為例，圍繞新時代發展需要，基于新工科理念，開展了上述教學改革和實踐，取得了以下成果：（1）圍繞工程教育認證標準對學生能力的要求，以學生成果產出為導向，構建軟件與硬件協同、各門課程具有內在邏輯聯系的“系統能力培養課程群”;設計遞進融合的一體化實踐教學環節;（2）思想政治教育內容融入專業課程，學生通過學習，在綜合實踐中自己“造出一臺計算機”，不僅提升了學生的系統分析、設計能力，也增強了學生的自信心，為其今后成為優秀工程師、服務于國家需要打下良好的基礎;（3）在綜合實踐中，提出了“一板貫通”的實踐教學方法，基于FPGA開發板，計算機專業的學生都能夠完成設計32位CPU、I/O接口、操作系統、編譯器的任務，并通過綜合實踐課程完成一個計算機系統的分析、設計與實現。學生在計算機系統分析、軟硬件協同設計、實現與應用能力等方面都得到了顯著提升，對于高等農業院校的計算機專業，我們采用的教學改革方案具有推廣性和一定的示范作用。

通過調查問卷，學生對我們的教學改革非常認可，認為自己的系統能力得到明顯提升。

科技自立自強、技術自主可控是國家發展戰略，圍繞智能農業發展，迫切需要培養具備計算機系統設計、系統開發和系統應用能力的專業人才。為此，服務于新農科建設，面向新工科建設，基于OBE教育理念，開展計算機系統能力培養教學改革，通過重構計算機專業課程體系、加強計算機系統能力綜合實踐教學、學生參與綜合多學科交叉項目等措施，提升學生解決復雜問題的系統能力，將有利于我國高等農業院校大學在新工科建設中培養出創新型卓越復合人才。

參考文獻

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[8]段青玲，黃嵐，方雄武，等.高校課程混合教學模式探索與實踐[J].教育教學論壇，2018（12）：172-174.

Teaching Reform and Practice of Computer System Ability in “Emerging Engineering Education” of Agricultural Colleges and Universities

HUANG Lana， DUAN Qing-linga，b， WANG Yao-juna， SUN Rui-zhia， SHI Yin-xuea

（a.College of Information and Electrical Engineering， b.Yantai Research Institute， China Agricultural University， Beijing 100083，China）

Abstract： Boosting agricultural prosperity and promoting agriculture put forward higher requirements for agricultural modernization. The development of modern agriculture in China is inseparable from information technology， and smart agriculture depends on the development and application of information technology. Under the background of new agricultural science construction， it is urgent to train professionally-qualified engineers with the ability of computer system design， system development and system application. In particular， considering the actual situation of higher agricultural colleges and universities， we should focus on major problem and challenge for computer science teaching based on new engineering education background， and then we start from the goal of cultivating “computer system ability” to explore the teaching reform of computer system ability training by reconstructing the teaching content and teaching. We emphasize the comprehensive practical teaching of computer system ability to improve students’ ability to solve complex problems. In addition， integration of ideological and political education training can cultivate students’ comprehensive quality.

Key words： “emerging engineering education”; new agricultural science construction; smart agriculture; computer system ability training; teaching reform