面向新工科的計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法與實踐

陳乃金，石建國

（安徽工程大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

2017 年2 月，教育部提出開展新工科建設(shè)，隨后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等指導(dǎo)性文件，并在全社會發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，探索符合中國特色的工程教育新模式。計算機類專業(yè)作為典型的新工科專業(yè)，在專業(yè)人才培養(yǎng)方面具有就業(yè)渠道廣、人才需求量大和專業(yè)素質(zhì)要求高等特點。尤其是隨著新工科專業(yè)建設(shè)在國內(nèi)的持續(xù)開展與深入，工科專業(yè)人才培養(yǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)和層次正在不斷提高，創(chuàng)新型與復(fù)雜應(yīng)用型人才培養(yǎng)成為人才培養(yǎng)的重要方向。

因此，教育部高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教指委從能力培養(yǎng)的角度強調(diào)了對計算機學(xué)科學(xué)生的4項專業(yè)能力（表1）的培養(yǎng)，尤其強調(diào)計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要意義和迫切需求。在此方面，國內(nèi)一些高水平大學(xué)已經(jīng)開始了系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索與實踐，并取得了一些積極的效果，如清華大學(xué)在實踐能力培養(yǎng)方面開發(fā)了THINPAD實驗教學(xué)平臺，該平臺以單周期、多周期和流水線MIPS 處理器的設(shè)計為核心，通過MIPS指令設(shè)計完成CPU的基本算術(shù)運算和邏輯運算功能，從而加強核心硬件的設(shè)計能力；還有部分高校把CPU設(shè)計與編譯器、操作系統(tǒng)以及外圍接口電路的設(shè)計綜合起來進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)等，比如東南大學(xué)的以MiniSys-1ACPU為核心的軟硬件綜合實踐平臺[1]。

表1 四大基本能力及其權(quán)重

很多高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐過程中，總結(jié)出一些具有實踐指導(dǎo)意義和較高理論價值的研究成果，王志英等[2]提出計算機專業(yè)學(xué)生需要更多地關(guān)心計算系統(tǒng)的整體特性,詳細(xì)闡述了系統(tǒng)能力培養(yǎng)和課程體系設(shè)置的總體思路；袁春風(fēng)等[3]針對計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)提出了實驗課程體系構(gòu)建的基本方法，并總結(jié)了實驗教學(xué)改革實踐中存在的一些主要問題；劉衛(wèi)東等[4]結(jié)合清華大學(xué)計算機類專業(yè)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面所做的工作和實踐成果，分析了課程體系建設(shè)和改革的關(guān)鍵內(nèi)容，歸納了一種加強計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)方案。高小鵬[5]從課程體系建設(shè)角度出發(fā)，提出了一種新穎的教學(xué)方法——工程化綜合方法，旨在指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)具有足夠規(guī)模的系統(tǒng)。

1 計算機系統(tǒng)能力的內(nèi)涵

計算機系統(tǒng)能力是運用系統(tǒng)原理和科學(xué)方法，結(jié)合計算機系統(tǒng)的整體性、結(jié)構(gòu)性、耦合性、邏輯性和功能性特點，理解并把握計算機軟硬件協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的能力[6]。計算機系統(tǒng)能力包含知識理解能力和實踐應(yīng)用能力兩個層面。知識理解能力是從知識和原理性角度準(zhǔn)確理解和把握計算機系統(tǒng)的工作原理、硬件層次結(jié)構(gòu)、軟件邏輯及軟硬件在各層次間關(guān)聯(lián)關(guān)系的知識邏輯；實踐應(yīng)用能力是運用系統(tǒng)工程及項目管理的方法實現(xiàn)計算機系統(tǒng)功能，并滿足一定的實踐應(yīng)用和社會需求的系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計能力。

根據(jù)教育部計算機專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的界定，計算機專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備計算思維能力、算法分析與設(shè)計能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力和系統(tǒng)能力[7]，能力點分配見表1。從表中可以看出系統(tǒng)能力所占的能力點數(shù)最多，占比達(dá)75%。說明系統(tǒng)能力對計算機專業(yè)人才來講尤為重要，從某種程度上來說，系統(tǒng)能力的高低決定了計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的整體質(zhì)量和最終成效。

具備上述四大基本能力，硬件設(shè)計人員才能夠設(shè)計面向?qū)嶋H應(yīng)用的高性價比的硬件產(chǎn)品，系統(tǒng)開發(fā)人員才能從整體上架構(gòu)并組織面向系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)，針對計算機硬件和操作系統(tǒng)才能設(shè)計并優(yōu)化編譯器的性能，面向應(yīng)用的程序設(shè)計人員才能依據(jù)硬件設(shè)計邏輯、應(yīng)用軟件的實現(xiàn)功能及程序設(shè)計編程思想和算法，編寫出高性能的應(yīng)用軟件。因此，計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)要求掌握計算機軟件硬件各層次的工作原理及接口以及系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的邏輯關(guān)聯(lián)，能夠從整體上實現(xiàn)系統(tǒng)功能的優(yōu)化和提高[8-9]。

由上可知，對計算機系統(tǒng)的全面理解需建立在計算機軟件與硬件的有效協(xié)同對接的基礎(chǔ)之上，因此，從專業(yè)教學(xué)角度看，必須研究如何貫通軟硬件課程之間的知識聯(lián)系。尤其是核心課程如數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理和操作系統(tǒng)課程內(nèi)容之間的銜接，以及這些核心課程綜合性實驗和系統(tǒng)性設(shè)計等實踐項目有效“落地”。從學(xué)生學(xué)習(xí)角度看，也必須改變當(dāng)前計算機類專業(yè)學(xué)生“知行不一”（重理論、輕實踐）和“欺軟怕硬”（重軟件、輕硬件）的現(xiàn)象。

2 新工科計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)思路

在教育部新工科專業(yè)建設(shè)實踐中，新工科專業(yè)建設(shè)注入了新的內(nèi)涵，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。結(jié)合新工科專業(yè)建設(shè)的內(nèi)涵和基本要求，計算機類專業(yè)的學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思想總結(jié)為[9]：建立計算機系統(tǒng)整體觀念，打通計算機類專業(yè)核心軟硬件課程知識聯(lián)系，建立一體化課程教學(xué)體系，改造計算機類專業(yè)現(xiàn)有培養(yǎng)模式，要求學(xué)生具有扎實的理論知識，還要突出實踐技能尤其是復(fù)雜工程能力和系統(tǒng)應(yīng)用能力等高階素養(yǎng)的培養(yǎng)，使學(xué)生具備適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的整體素質(zhì)和能力，教學(xué)方面，從頂層重新設(shè)置核心專業(yè)課程教學(xué)大綱，加強硬件實踐環(huán)節(jié)能力訓(xùn)練。具體包括以下幾方面：

1）從系統(tǒng)能力培養(yǎng)的角度統(tǒng)一編寫高質(zhì)量系統(tǒng)能力培養(yǎng)專門教材，建立新工科計算機類專業(yè)包括實踐教程在內(nèi)的課程教材體系。

2）完善系統(tǒng)能力培養(yǎng)方案，重新修訂系統(tǒng)能力培養(yǎng)的不同層次實踐教學(xué)內(nèi)容，包括專業(yè)課的課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、專業(yè)綜合實踐、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)。

3）加強高校間的合作交流，提高專業(yè)教師的教學(xué)水平，包括教學(xué)和實踐能力。參與各類計算機系統(tǒng)設(shè)計大賽，通過比賽提高學(xué)生的計算機系統(tǒng)分析和設(shè)計能力，并分析比賽過程中學(xué)生存在的問題，進(jìn)一步思考在教學(xué)方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而加以持續(xù)改進(jìn)。

4）從學(xué)校制度設(shè)計和頂層設(shè)計著手，搭建校企合作平臺，并建立聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行項目合作研究的長效化機制。企業(yè)提供項目及需求，并提供項目開發(fā)的實踐環(huán)境，高校將學(xué)生送到企業(yè)進(jìn)行項目開發(fā)和實踐鍛煉，使學(xué)生的實踐技能與社會需求能夠有效對接。

5）以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，充分考慮到學(xué)生個體的發(fā)展需要。根據(jù)每一個學(xué)生的個體差異，給所有學(xué)生以平等的機會和多渠道的學(xué)習(xí)平臺獲得更好學(xué)習(xí)效果。

通過這些舉措使學(xué)校人才培養(yǎng)與社會和行業(yè)需求建立聯(lián)系，真正培養(yǎng)出社會需要的具有高階系統(tǒng)能力和復(fù)雜工程應(yīng)用能力的計算機專門人才。

3 計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計

人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低最終要依靠學(xué)校的制度保障、教學(xué)設(shè)計、學(xué)習(xí)渠道和實踐路徑等方面來保證，從教學(xué)設(shè)計的角度看，主要是專業(yè)課程教學(xué)體系設(shè)計及教學(xué)方法設(shè)計[10-11]。

3.1 計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系設(shè)計總體思路

為培養(yǎng)具有系統(tǒng)應(yīng)用能力的計算機專門人才，需要建立一套新的符合計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的專業(yè)課程體系，尤其要加入一些貫穿計算機系統(tǒng)的綜合性課程，按照新工科專業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃計算機核心課程分層次教學(xué)內(nèi)容。為此，本文提出計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的總體思路：首先從頂層理清計算機系統(tǒng)設(shè)計的思路和方法；再介紹底層各硬件系統(tǒng)的開發(fā)和子模塊功能的實現(xiàn)方法；然后把頂層系統(tǒng)設(shè)計和底層硬件設(shè)計聯(lián)系起來，介紹如何在硬件平臺上通過軟件程序設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊功能；隨后按課程分類安排計算機硬件、軟件、算法、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)和編譯原理等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)授課內(nèi)容在深度和層次上由淺入深的層次遞進(jìn)；最后，經(jīng)過對培養(yǎng)的幾輪學(xué)生的系統(tǒng)能力進(jìn)行評估，找出在能力培養(yǎng)方面的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而加以優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)。

3.2 計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求學(xué)生首先應(yīng)有計算機系統(tǒng)整機觀念，深刻理解計算機系統(tǒng)從硬件層次→軟硬件接口層→軟件層的層次化結(jié)構(gòu)，能夠從計算機設(shè)計的視角分析計算機應(yīng)具備的功能，針對功能如何按層次化設(shè)計方法完成部件設(shè)計、接口設(shè)計和軟件設(shè)計。這就要求必須理解各個層次之間的相互關(guān)系，并掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的工作原理和設(shè)計方法，具備使用EDA工具等進(jìn)行硬件設(shè)計的基本技能，理解操作系統(tǒng)如何實現(xiàn)硬件管理、作業(yè)管理和進(jìn)程調(diào)度等功能，掌握硬件的優(yōu)化編譯技術(shù)，掌握面向計算機硬件進(jìn)行系統(tǒng)級程序設(shè)計的基本方法；能夠進(jìn)行CPU硬件電路設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計和編譯器設(shè)計，具有系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)能力、系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用能力。

在計算機類專業(yè)課程體系當(dāng)中，一般以計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成原理、編譯原理和操作系統(tǒng)這4門課程作為計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心課程。在系統(tǒng)能力培養(yǎng)的知識和能力層次上，硬件設(shè)計能力起著基礎(chǔ)和決定性作用，有了計算機組成原理等硬件課程的基礎(chǔ)，學(xué)生將更容易從計算機系統(tǒng)整體的角度理解編譯原理和操作系統(tǒng)等后續(xù)課程。因此，需要著重加強數(shù)字邏輯、計算機組成原理等硬件能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生具有扎實的理論功底和實踐技能。

1）數(shù)字邏輯。該課程主要涉及硬件設(shè)計的基本邏輯和功能實現(xiàn)。從CMOS和TTL最基本門電路的原理入手，進(jìn)一步介紹組合邏輯電路和時序邏輯電路分析和設(shè)計方法，以及各種觸發(fā)器的邏輯功能及硬件實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上介紹隨機和只讀存儲器硬件電路工作原理及邏輯實現(xiàn)，最后介紹硬件描述語言Verilog以及可編程邏輯器件，包括FPLA、PAL、GAL、EPLD 和FPGA設(shè)計等。該課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生基本數(shù)字邏輯電路設(shè)計能力，為學(xué)習(xí)計算機組成原理和微機原理及接口技術(shù)打下良好基礎(chǔ)。

2）計算機組成原理。該課程運用了數(shù)字邏輯課程中提供的基本功能邏輯電路來設(shè)計計算機的功能部件，主要介紹計算機系統(tǒng)的基本組成，各物理部件工作原理、結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)等。包括計算機工作邏輯、系統(tǒng)總線、存儲器、輸入/輸出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)運算與表示、CPU、指令系統(tǒng)、控制器和微程序設(shè)計等。該課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生計算機硬件系統(tǒng)的認(rèn)知、分析和設(shè)計能力，進(jìn)一步為微機原理與接口技術(shù)、編譯原理和操作系統(tǒng)等課程學(xué)習(xí)打下良好的系統(tǒng)級硬件基礎(chǔ)。

3）計算機體系結(jié)構(gòu)。主要介紹計算機體系結(jié)構(gòu)的概念、工作原理、分析設(shè)計方法及最前沿的技術(shù)發(fā)展情況。具體內(nèi)容包括高級流水線技術(shù)、并行處理系統(tǒng)、并行設(shè)計與編程技術(shù)、單周期和多周期處理器技術(shù)、多處理器系統(tǒng)和向量處理機等。首先從“高級語言程序→匯編語言程序→機器指令序列→控制時序”的路線分析程序從代碼編程到編譯解釋，再到最終在CPU 上運行的整個過程。為建立計算機軟件與硬件系統(tǒng)的整體概念打下基礎(chǔ)。其次，將指令執(zhí)行過程與異常、中斷、I/O 和存儲器訪問等概念技術(shù)結(jié)合起來，說明CPU 執(zhí)行指令過程中硬件與操作系統(tǒng)相互切換和協(xié)同工作的處理過程，從而深刻理解軟硬件系統(tǒng)之間的關(guān)系和協(xié)同工作機制。最后從MIPS指令系統(tǒng)設(shè)計角度分析單周期和多周期處理器設(shè)計原理和方法。該課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)的軟硬件綜合應(yīng)用能力，為優(yōu)化程序設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計和編譯器設(shè)計打下基礎(chǔ)。

4）編譯原理。編譯技術(shù)主要用于將高級語言源程序轉(zhuǎn)換為計算機系統(tǒng)硬件能夠自動執(zhí)行的目標(biāo)代碼。而目標(biāo)程序的執(zhí)行效率則取決于編譯器性能的高低，因此編譯優(yōu)化技術(shù)也是計算機類專業(yè)學(xué)生需重點掌握的核心技術(shù)。除此之外，該課程還介紹編譯程序構(gòu)造的一般原理、設(shè)計方法和主要實現(xiàn)技術(shù)，包括文法、自動機和語言的基礎(chǔ)知識、詞法分析、語法分析、語法制導(dǎo)的語義計算、語義分析、中間代碼生成、運行時存儲組織、目標(biāo)代碼生成、符號表管理和出錯處理等內(nèi)容。該課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析設(shè)計和實現(xiàn)編譯程序方面的基本技能，為之后從事系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的開發(fā)打下良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

5）操作系統(tǒng)。該課程主要介紹操作系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、基本功能和實現(xiàn)原理等。具體包括設(shè)備管理、處理器管理、存儲管理、文件管理、進(jìn)程同步、通信和死鎖、操作系統(tǒng)安全和保護、網(wǎng)絡(luò)和分布式操作系統(tǒng)、UNIX 系統(tǒng)設(shè)計和各部分功能的具體實現(xiàn)等。該課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)軟件的設(shè)計開發(fā)能力，包括解決操作系統(tǒng)領(lǐng)域有關(guān)問題的能力，比如系統(tǒng)安全與防護等。

在教學(xué)內(nèi)容方面，計算機類專業(yè)核心課程理論知識體系已相對比較成熟，主要存在的問題表現(xiàn)在實踐環(huán)節(jié)不夠合理，包括實踐課時數(shù)不足、實踐內(nèi)容脫節(jié)、實踐項目綜合性及復(fù)雜度較低等，因此，根據(jù)計算機專業(yè)課程體系教學(xué)內(nèi)容安排，需針對性地補充和完善實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。具體增補內(nèi)容如表2。

表2 計算機系統(tǒng)類課程內(nèi)容增補表

4 計算機專業(yè)面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)

實踐教學(xué)體系側(cè)重學(xué)生動手能力和基于項目的設(shè)計開發(fā)能力訓(xùn)練。要求學(xué)生以課內(nèi)系統(tǒng)學(xué)習(xí)與課外項目訓(xùn)練為形式，圍繞計算思維、系統(tǒng)思維和邏輯思維能力培養(yǎng)來展開。實踐課程教學(xué)體系分基礎(chǔ)硬件和軟件設(shè)計能力、軟硬件綜合應(yīng)用能力、系統(tǒng)級開發(fā)設(shè)計能力3個層次進(jìn)行能力培養(yǎng)訓(xùn)練，在大一到大四分3個階段完成，構(gòu)建出“整體→局部→整體、實踐→理論→實踐、硬件→軟件→整機系統(tǒng)”的多層次的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系。

4.1 計算機軟硬件實踐教學(xué)內(nèi)容

計算機軟硬件實踐教學(xué)以設(shè)計性和驗證性實驗為基礎(chǔ)，進(jìn)而通過特定專業(yè)課程的課程設(shè)計進(jìn)行綜合能力訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，開設(shè)可貫通軟硬件的實踐項目，包括基于特定研究項目的項目參與式實踐，以及基于生產(chǎn)實習(xí)的實踐項目開發(fā)，大四階段還可以在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)部署面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的復(fù)雜應(yīng)用型設(shè)計課題，使學(xué)生基于軟硬件層面的設(shè)計和開發(fā)能力有較大提升，計算思維、系統(tǒng)思維和邏輯思維能力得到有效鍛煉。

計算機軟硬件實踐教學(xué)內(nèi)容主要包括：數(shù)字邏輯課程實驗、計算機組成原理課程實驗及課程設(shè)計、微機原理與接口課程實驗及課程設(shè)計、編譯原理課程實驗及課程設(shè)計、操作系統(tǒng)課程實驗課程設(shè)計等。具體如表3所示：

表3 計算機軟硬件實踐教學(xué)體系

通過這些實踐項目的訓(xùn)練，強化學(xué)生關(guān)于時序和組合邏輯電路設(shè)計、接口設(shè)計、CPU 設(shè)計、編譯器設(shè)計、操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟硬件綜合集成的系統(tǒng)能力。這些能力的培養(yǎng)依賴于對FPGA等相關(guān)軟硬件設(shè)計工具平臺的熟練運用。為此，我們采用基于FPGA 和EDA環(huán)境的實驗平臺，將一些核心課程的實驗項目遷移到該平臺上。FPGA 平臺消除了實驗平臺分離、實驗內(nèi)容孤立對系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)能力訓(xùn)練的制約，將實現(xiàn)完整計算機系統(tǒng)的任務(wù)劃分為在FPGA開發(fā)板上可調(diào)試運行的子模塊，不同子模塊對應(yīng)不同課程的實驗內(nèi)容，從而解決各課程實驗內(nèi)容孤立不能融合為完整計算機系統(tǒng)的難題。

為配合上述實踐項目的訓(xùn)練，需要對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，主要包括3個層次：

1）重新定位實驗?zāi)繕?biāo)

傳統(tǒng)的驗證性實驗束縛了學(xué)生在實驗過程中的能動性，采用EDA的實驗方法要求學(xué)生對硬件組成部件的功能和結(jié)構(gòu)要有深刻的了解，才能順利達(dá)成實驗?zāi)繕?biāo)。因此應(yīng)重設(shè)實驗?zāi)繕?biāo)，不設(shè)定具體實驗步驟及過程，使學(xué)生能發(fā)揮自我創(chuàng)新意識進(jìn)行實驗內(nèi)容的規(guī)劃和自我設(shè)計。

2）實踐內(nèi)容的變革

由于改進(jìn)后的實驗不設(shè)定具體實驗步驟，也不設(shè)定實驗時間的長短，實驗可以由學(xué)生在課外時間完成，使學(xué)生有充分的想象空間和時間以保證實踐效果。在具體操作上，可將實踐環(huán)節(jié)分為課程實驗和課程設(shè)計兩個方面。在課程實驗階段，可在學(xué)院層面建立聯(lián)合開放實驗室，由學(xué)生自主安排實驗時間，教師可設(shè)定實驗完成標(biāo)準(zhǔn)，由學(xué)生結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)自主完成，在課程結(jié)束后進(jìn)入課程設(shè)計環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可限定在固定的一至兩周時間內(nèi)由學(xué)生自主完成，由于課程設(shè)計綜合性較強，可通過分組方式由學(xué)生自由結(jié)合，每組人數(shù)3人左右，由組內(nèi)成員分工合作某一規(guī)定課題的課程設(shè)計。這樣既鍛煉了綜合實踐能力，也發(fā)揮了團隊合作精神，并可整體上加快課程設(shè)計完成進(jìn)度。

3）實驗方法的改進(jìn)

傳統(tǒng)的實驗方法依賴于現(xiàn)有的實驗指導(dǎo)書所提供的實驗過程及步驟，嚴(yán)格按照實驗步驟在實驗工具箱硬件平臺上完成，實驗限定時間在實驗室完成，由于依賴于實驗工具箱，學(xué)生在課外離開實驗室則實驗將無法進(jìn)行。如果采用EDA的實驗方法，則學(xué)生可根據(jù)實驗要求自主完成從硬件電路設(shè)計，到軟件編程、調(diào)試和功能驗證的整個過程，確保設(shè)計目標(biāo)達(dá)成后，可進(jìn)一步嵌入到FPGA 開發(fā)板中，通過FPGA 平臺進(jìn)行實際運行調(diào)試，進(jìn)一步驗證實驗功能完成情況。在這種實驗方案中，除嵌入FPGA 開發(fā)板進(jìn)行調(diào)試驗證外，其他過程均可在實驗室外通過個人電腦進(jìn)行自主設(shè)計和開發(fā)。這樣就拓展了學(xué)生實驗時間和空間范圍，實驗的靈活性大大提高。

以系統(tǒng)性實踐訓(xùn)練CPU設(shè)計為例，說明一下實踐教學(xué)流程：

CPU 設(shè)計實驗項目有算術(shù)邏輯運算單元（ALU）設(shè)計、寄存器設(shè)計和基于MIPS32指令的單周期（多周期）CPU 設(shè)計實驗3 大模塊，3 個模塊按先后順序排列，由于設(shè)計的復(fù)雜性，教學(xué)課時內(nèi)無法完成的內(nèi)容由學(xué)生依托FPGA 云平臺在課外完成。其中ALU 設(shè)計要求學(xué)生實現(xiàn)1 個32 位加法器，1 個具有算術(shù)運算控制、溢出控制、結(jié)果選擇控制功能的控制器，1 個能夠進(jìn)行算術(shù)運算輸出、邏輯運算輸出等功能的運算器；寄存器設(shè)計要求學(xué)生設(shè)計1個包含若干32位寄存器的寄存器組，有相應(yīng)的寫入和讀出端口；MIPS單周期（多周期）CPU設(shè)計要求學(xué)生完成10條以上MIPS指令的單周期（多周期）的CPU 設(shè)計并進(jìn)行測試。CPU設(shè)計要在ALU 設(shè)計、寄存器設(shè)計的基礎(chǔ)上，添加指令譯碼器、組合邏輯控制器、地址轉(zhuǎn)換、位擴展等部件。

4.2 實踐教學(xué)原則

1）小班化教學(xué)

為保證實踐教學(xué)效果，必須為學(xué)生提供專門的有針對性的指導(dǎo)。為此，有必要采用小班化實踐教學(xué)模式。原則上將教學(xué)班級人數(shù)控制在30人以內(nèi)，除了安排課程組的專任教師進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)外，針對復(fù)雜實踐項目和核心訓(xùn)練內(nèi)容，可從高年級選拔實踐能力強的優(yōu)秀本科生加入實踐教學(xué)團隊，為學(xué)生提供更及時的實踐指導(dǎo)，真正提高學(xué)生的實踐能力水平。

2）目標(biāo)化考核

由于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)起點高，在實踐過程中落到實處具有很大的挑戰(zhàn)性。因此，實踐過程的科學(xué)管理非常重要。在復(fù)雜度較高的實踐項目教學(xué)過程中，比如以CPU 設(shè)計實驗項目為例，課內(nèi)安排仍然執(zhí)行必要的課堂考勤制度，主要是為了保證每個學(xué)生都能夠充分參與到實踐訓(xùn)練過程當(dāng)中。另外，也應(yīng)充分考慮到學(xué)生的個性化需求，結(jié)合學(xué)生實際情況，以目標(biāo)為導(dǎo)向，以完成實踐任務(wù)為標(biāo)準(zhǔn)，給予學(xué)生一定的自由度。比如考勤與目標(biāo)完成相掛鉤，就是說如果學(xué)生達(dá)成了相應(yīng)的任務(wù)和實踐目標(biāo)，即認(rèn)為考勤任務(wù)也同步完成。在平時的實踐訓(xùn)練過程中，要求學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理，提高自我約束和管控能力。對此，可在實踐訓(xùn)練過程中將任務(wù)進(jìn)行階段性劃分，劃分為相對容易完成的子任務(wù)，使學(xué)生能夠在訓(xùn)練上逐步推進(jìn)，最終一步一步完成總體目標(biāo)。

針對實踐項目的完成質(zhì)量情況，可按照一定的參數(shù)進(jìn)行量化評估。比如設(shè)置功能完善度、代碼長度、文檔可讀性、資源消耗量、性能測試的缺陷率等。通過一系列量化評估，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量意識、標(biāo)準(zhǔn)意識和項目驗收能力，以此鞏固和強化系統(tǒng)能力培養(yǎng)成效。

3）興趣化引導(dǎo)

興趣是最好的“老師”。興趣可以使學(xué)生全身心地投入，通過持久性的探索和實踐，從而在系統(tǒng)能力培養(yǎng)上有更深層次的進(jìn)步[11]。從學(xué)生角度來說，以就業(yè)為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生通過實踐能力培養(yǎng)可獲得怎樣的競爭性就業(yè)機會。比如通過全國性的CPU設(shè)計大賽，河北大學(xué)參賽隊在多次的全國性比賽中取得了驕人成績，比賽中表現(xiàn)突出的學(xué)生在就業(yè)時成為大公司競相搶奪的對象。如果學(xué)生能夠充分認(rèn)識到系統(tǒng)能力培養(yǎng)給個人就業(yè)或職業(yè)發(fā)展帶來真正的改變，就會激發(fā)學(xué)生的無限潛能投入競賽活動當(dāng)中，并在此過程中真正學(xué)到知識，培養(yǎng)能力，收獲榮譽，更重要的是開辟了職業(yè)發(fā)展的廣闊空間。

4.3 建立校企聯(lián)合培養(yǎng)實踐平臺

一些世界一流大學(xué)的人才培養(yǎng)，在長期的教育實踐過程中形成了各自特色鮮明的人才培養(yǎng)模式。如哈佛大學(xué)以“注重學(xué)生個性發(fā)展與文化素質(zhì)提升”的全面發(fā)展模式；劍橋大學(xué)以“注重質(zhì)疑精神和理性思維培養(yǎng)”的自主探究模式；斯坦福大學(xué)以“校企合作和實踐為特色，強調(diào)創(chuàng)造力培養(yǎng)和學(xué)以致用”的實踐訓(xùn)練模式。每種模式都有各自的特色，并在長期的人才培養(yǎng)過程中形成了自己的學(xué)科優(yōu)勢、專業(yè)優(yōu)勢和人才培養(yǎng)優(yōu)勢。以斯坦福大學(xué)為例，其“校企合作和實踐為特色，強調(diào)創(chuàng)造力培養(yǎng)和學(xué)以致用”的實踐訓(xùn)練模式，最終使得斯坦福大學(xué)培養(yǎng)出來大量的具有創(chuàng)造力和很強實踐應(yīng)用能力的杰出人才。因此，在學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)和實踐應(yīng)用能力訓(xùn)練方面，可以借鑒這些成功經(jīng)驗，使人才培養(yǎng)走向社會。通過校企合作積極引進(jìn)優(yōu)質(zhì)企業(yè)資源，推動校企合作實習(xí)和實訓(xùn)計劃，如達(dá)內(nèi)實訓(xùn)、西普陽光教育等專業(yè)實踐培訓(xùn)機構(gòu)共同進(jìn)行相關(guān)課程的實驗教學(xué)及實踐項目訓(xùn)練。

4.4 以賽促教開展團隊合作式項目競賽

鑒于目前國內(nèi)人才培養(yǎng)方面存在的系統(tǒng)能力不足、工程應(yīng)用能力不強等現(xiàn)實問題，教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會在全國舉辦了一系列有影響力的競賽項目，受到了各高校的高度重視和學(xué)生的普遍歡迎。比如全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽、全國大學(xué)生計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽等。還有一些省內(nèi)舉辦的重要比賽，比如安徽省單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能賽、安徽省大學(xué)生程序設(shè)計大賽、機器人大賽、安徽省大數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用賽等。這些競賽一般采用開放式命題，但設(shè)計難度相對較高，這樣有利于充分發(fā)揮參賽者的創(chuàng)意和個人潛能，也利于團隊成員培養(yǎng)合作意識。在教學(xué)中有意識地引導(dǎo)學(xué)生組隊參加各類競賽，以參賽來促進(jìn)專業(yè)知識的更深入學(xué)習(xí)，并根據(jù)比賽情況總結(jié)學(xué)生在系統(tǒng)能力和實踐技能上的短板，進(jìn)而在教學(xué)方面加以改進(jìn)，最終實現(xiàn)“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促改、以賽促建”的教學(xué)目標(biāo)。

5 培養(yǎng)效果驗證與分析

為驗證計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)情況，我們從主觀和客觀兩個方面指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)查與驗證，從理論和實踐教學(xué)成效兩方面進(jìn)行分析。

5.1 主客觀指標(biāo)調(diào)查與驗證

主觀方面通過調(diào)查問卷了解學(xué)生對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的認(rèn)知情況，為此，我們設(shè)計了調(diào)查問卷，問卷共包括11道題目，參與問卷的學(xué)生比較分散，人數(shù)相對較少，調(diào)查對象來源于未開始系統(tǒng)能力培養(yǎng)的歷屆計算機類專業(yè)畢業(yè)生，問卷調(diào)查結(jié)果如圖1。

從調(diào)查結(jié)果來看，學(xué)生普遍對系統(tǒng)能力培養(yǎng)持認(rèn)可態(tài)度，認(rèn)為系統(tǒng)能力培養(yǎng)重要和非常重要的達(dá)到95.45%的比例。但對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的了解方面有54.55%的學(xué)生選擇了“了解，但不深刻”。經(jīng)過近年來的培養(yǎng)實踐，今年首屆學(xué)生開始就業(yè)，我們從往屆學(xué)生就業(yè)率、薪資和就業(yè)去向等方面進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，與2022年畢業(yè)生就業(yè)情況進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)就業(yè)率每年相差并不明顯，基本維持在90%～95%，應(yīng)屆畢業(yè)生薪資水平比往屆有一定程度的提升，原因是經(jīng)過系統(tǒng)能力培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)競爭力有了提升，但在就業(yè)去向方面有了比較明顯的變化，更傾向于南京、上海等發(fā)達(dá)城市的高科技公司從事軟件或硬件設(shè)計等工作崗位。

5.2 理論和實踐教學(xué)成效分析

系統(tǒng)能力培養(yǎng)從理論和實踐層次上來看，學(xué)生方面對學(xué)習(xí)的積極性和競賽的參與度明顯提高，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

1）提高了學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的能力，激發(fā)了對計算機類專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性。由于設(shè)計后的教學(xué)體系中各門課程間的理論和實踐內(nèi)容關(guān)聯(lián)性更強，促使學(xué)生在頂層設(shè)計目標(biāo)的引導(dǎo)下，使原本枯燥的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為一個個目標(biāo)逐級實現(xiàn)，充分挖掘了學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能。

2）增強了學(xué)生的就業(yè)競爭力，通過參與各類全國性計算機類大賽，學(xué)生的實踐技能和綜合素養(yǎng)得到有效鍛煉，考研學(xué)生在復(fù)試階段錄取率也有了明顯提升。

從教師的角度來看，在帶領(lǐng)學(xué)生參與各類計算機方面的比賽過程中，教師的實踐能力也有了較大提升，根據(jù)比賽過程中學(xué)生存在的主要問題，可以及時反饋到課堂教學(xué)上，使得教師的教學(xué)水平也有了很大提高。為后續(xù)教學(xué)改革和提高教學(xué)和辦學(xué)質(zhì)量奠定了堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一個漸進(jìn)的過程，需要在高校計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)方面進(jìn)行不斷實踐并總結(jié)經(jīng)驗，找出更適合各高校計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的合理方案和改進(jìn)措施。本文簡要分析了當(dāng)前在計算機類人才培養(yǎng)方面存在的問題，提出了在新工科背景下計算機類學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思路，今后將按照新工科關(guān)于工程教育的理念在整個人才培養(yǎng)過程中實現(xiàn)以學(xué)生為中心，以結(jié)果為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)教學(xué)體系，并加以持續(xù)改進(jìn)，包括對專業(yè)課程體系設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)方法選擇、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、課外競賽及實習(xí)訓(xùn)練等方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)過程和內(nèi)容。這樣才能不斷完善計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法，真正實現(xiàn)該專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

圖1 計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)問卷調(diào)查