新質生產力視域下面向可持續競爭力培養的計算機硬件課程體系教學模式探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A

0引言

新質生產力是擺脫傳統經濟增長方式、生產力發展路徑的先進生產力質態，已經在我國經濟發展實踐中形成并展示出對高質量發展的強勁推動力、支撐力，其中科技創新是發展新質生產力的核心要素，關鍵之一為暢通人才良性循環[1]。因此，在高校中如何培養具備卓越應變能力、創新思維和持續競爭力的創新型高素質人才，已成為當前高等教育改革面臨的重要課題。這一挑戰不僅關乎人才培養模式的轉型升級，更直接影響著國家在未來國際競爭中的戰略地位。

本文以新質生產力人才需求為導向，從基于系統能力培養的角度出發，探索在計算機硬件課程教學過程中培養學生可持續競爭力的路徑，使學生具備勝任未來與計算機相關的工作能力，成為具有應變能力和競爭能力的創新型人才，適應經濟、科技和社會發展需求。

1可持續競爭力的含義

2019年“計算機教育20人論壇”藍皮書《計算機教育與可持續競爭力》中提出了可持續競爭力的概念，與《ACM/IEEECC2020》提出的“勝任力”模型相近，后被收錄到CC2020中。可持續競爭力是指面向未來社會變化和競爭的適應能力、基于使命和技術的創新能力、推動社會發展與科技進步的行動能力。可持續競爭力能夠體現面向未來培養創新型人才的時代要求和總體質量觀。新技術學科交叉性、新經濟發展跨界性與快速變化的特征要求計算機與工科人才培養更加注重提高學生的應變創變能力、創新創業能力和跨界整合能力。具有可持續競爭力的創新人才將成為未來社會與新經濟發展的第一資源[2-4]

2計算機硬件課程特點及教學中存在的問題

學生在學習計算機硬件課程時存在排斥心理，認為硬件課程晦澀難懂，有畏難情緒，之所以出現這種情況，原因有以下幾點：

（1）學生學習硬件課程的興趣不濃。學生普遍喜歡學習軟件課程，自己使用高級語言編寫程序，編譯生成可執行程序后能立即看到效果，有成就感；而硬件課程理論抽象，學生理解困難導致失去興趣，但硬件課程與課程間存在階梯式遞進關系，學生一門課程聽不懂，后續課程更不愿意學，形成惡性循環。

（2）理論與實踐脫節。在很多學校，計算機硬件課程教學對實驗條件要求較高，須具備實驗設備，學生在實驗過程中缺乏足夠的實踐機會；同時計算機硬件實驗設備集成化程度較高，難以進行創新性實驗，實驗內容多以驗證型為主，在實驗過程中，學生僅是進行簡單的線路連接，無法深入理解其工作原理，并且實驗項自之間關聯性不強，導致學生無法從系統角度理解計算機，去解決復雜工程問題，不利于學生后續課程的學習，也不利于學生系統能力的提高及創新能力的培養。

（3）教學目標以知識本位教育為主，在教學過程中偏重于理論知識講解，側重運用單一知識點解決問題的能力，導致學生無法將零散的知識點進行關聯，缺乏計算機系統思維能力培養，無法應對復雜問題的求解，硬件課程之間知識點存在冗余現象，課程內容陳舊，教學內容中引人的技術前沿知識較少，學生無法了解最新的技術動態和發展趨勢，不利于將來的職業發展。

（4）該課程考核以期末考試為主，過程性考核環節薄弱，難以客觀全面地衡量學生的學習效果及能力的培養。

3可持續競爭力在計算機硬件課程中的培養

計算機硬件課程教學依托可持續競爭力培養的教育理念，夯實專業基礎，以系統能力培養為核心規劃計算機硬件課程內容，構建迭代式進階項目驅動的實踐教學體系，制定過程性考核的評價機制，建立計算機系統能力和創新能力驅動、采用過程評價機制的計算機硬件課程教學模式。

3.1以系統能力培養為核心梳理計算機硬件課程體系

系統能力是指能夠站在系統的高度考慮并解決問題，具有系統層面的認知和設計能力[5-6]，同時，在工程教育認證中對學生的系統能力提出了更為具體的要求—能夠設計計算機領域復雜問題的解決方案[7]。因此，培養學生的系統能力尤其重要。以體現計算機硬件方面系統能力的“模擬電路”“數字電路”“計算機組成原理”“計算機系統結構\"4門課程為主線，從縱向視角統一知識體系，明確層次之間的銜接點。“模擬電路”主要講解最基礎的電路元器件、常用電路的分析及應用，深入了解電子電路的工作原理；“數字電路”從邏輯層次講解組合邏輯電路和時序邏輯電路的原理、應用及常用的邏輯部件，是構成計算機硬件的核心；“計算機組成原理”側重講解計算機的基本組成原理及實現方法；“計算機系統結構”的講解從單機擴展到多機及集群的各種計算系統中采用的流水線處理技術、并行體系結構等問題。這4門課程使學生能夠掌握由電子電路構成完整計算機系統的原理及方法，能夠自主設計和實現一臺簡單原型計算機，培養學生的系統觀，提升系統能力[8]依據“普遍-特殊”的哲學原理，在學生理解了計算機的普遍原理、形成系統觀后，以體現基于系統觀應用的“單片機原理與應用”“嵌入式系統原理”“微機原理與接口技術\"3門課程，從最簡單的8位8051單片機一嵌入式ARM芯片—8086計算機逐級遞進，增加系統的復雜度，從簡單到復雜，提升學生的系統應用開發能力。同時從橫向視角梳理每門課程的主要知識點，保證每門課程內容的完整性。具體計算機硬件課程體系結構如圖1所示。

圖1計算機硬件課程體系結構

3.2采用“系統基礎 + 系統能力 + 系統應用 + 系統綜合”的四階段人才培養模式

培養具有可持續競爭力的創新人才，應該具備“專”與“通\"2方面的能力。“專”是指專業方面的能力，包括理論分析與抽象能力、問題理解與求解能力、系統分析與設計能力、系統開發與實現能力、系統應用與管理能力、實踐經驗與動手能力及持續學習與改進能力等；“通”是指跨文化交流溝通能力、項目組織與團隊協作能力、經營管理能力、創新意識與能力及國際競爭能力等。同時，新工科還要培養學生具備良好的創新人才素質，包括身心素質、文化素質、個性素質、社會素質、研究素質、工程素質、精英素質、職業素養等[9]

采用四階段式專業培養模式，將知識型課程重構為能力型課程，使學生從模糊目標逐漸清晰化為精準目標。第一階段強調“系統基礎”，面向模擬電路、數字電路專業基礎課程實施，使學生打好電路基礎。第二階段強調“系統能力”，針對計算機組成原理、計算機系統結構專業核心課程實施，主要培養學生分析和解決復雜問題的工程能力，通過這2個階段夯實專業基礎，使學生能夠形成完整的系統觀。第三階段強調“系統應用”，圍繞單片機原理與應用、嵌人式系統原理、微機原理與接口技術專業方向課程實施，騰出教學空間，引入新知識體系，新增方向，強化“該新則新、該深則深”，提高學生的系統應用能力，同時鼓勵學生積極參加電子類學科競賽、大學生創新創業訓練項目等，培養學生的自主創新能力及團隊合作能力。第四階段強調“系統綜合”，通過課程設計和畢業設計，完成系統綜合設計，培養學生自主學習能力和終身學習的意識，如表1所示。以上4個階段學習過程能夠很好地兼顧厚度、深度和廣度的平衡。

表1培養階段、對應課程及對應可持續競爭力能力關系

3.3構建基于計算機硬件課程間的“層次遞進、合成系統”的項目驅動實踐教學體系

貫徹統一的系統能力培養教學理念，遵循“層次遞進、合成系統”的體系設計思想，基于統一的Logisim仿真軟件，以培養學生的計算機系統設計和實現能力為目標，構建基于數字電路、計算機組成原理及計算機系統結構課程間迭代式進階項目驅動的實踐教學體系[10-12]。實踐教學設計以實現簡單原型計算機為目標進行模塊劃分并將子模塊細化到不同的課程，基于Logisim仿真軟件進行實現并驗證。通過“層次遞進，合成系統”的實踐教學，使學生從硬件工程師的角度，從邏輯門電路開始進行電路設計，逐步完成運算器、存儲器、控制器、接口及完整的MIPS流水CPU，既能鞏固課程中學習的原理性知識，又能作為整體綜合實驗的模塊使用，實現實驗體系的迭代遞進，逐步提升對計算機系統的分析設計能力與開發能力。

3.4制定過程性考核的教學評價機制

計算機硬件課程教學評價機制主要側重于對學生的過程性考核、評價和反饋，主要包括學生課堂表現、課后知識單元作業、隨堂小考、實驗、大作業、期末考試6部分。課堂表現部分涵蓋學生的考勤情況及課堂上的參與度（如回答問題的準確性），側重對學生的規則意識、表達能力和思維能力進行考查；課后知識單元作業通過在線平臺布置，要求學生獨立完成后提交，主要針對課堂知識點的考查，讓學生鞏固課程內容；隨堂小考在上課前10分鐘進行，檢驗學生上次課程內容的掌握情況；實驗從學生的實驗完成情況、答辯情況及實驗報告情況3方面考查學生的實踐操作能力和解決問題的能力；大作業要求學生課程學完后，應用所學課程知識解決實際復雜問題，主要考查學生知識綜合應用能力；期末考試作為總結性評價，全面考查學生對課程知識點的掌握程度及運用知識靈活應用解決問題的能力。學生綜合成績的計算須要同時體現學生的過程性學習和期末考試在評價中的主導地位，采用較為合理的權重分配：課堂表現 .×5% 、課后知識單元作業 .×5% 、隨堂小考 ?×10% 、實驗 ?×10% 、大作業 × 10% 、期末考試 ×60% ，如表2所示。

表2評價內容及其權重分配

4教學改革效果

該教學模式在學院計算機科學與技術專業2021級學生開始實施，學生從最初排斥硬件課程、對硬件學習沒興趣到慢慢產生興趣，再到能夠用所學知識完成簡單的CPU模型，擁有了極大的成就感，大大提高了硬件課程學習的熱情，初步具備了計算機系統能力，在實踐中能夠主動探究、解決問題，提高了學生系統分析設計問題及創新能力。

5結語

面向可持續競爭力培養的計算機硬件課程教學模式改革極大地提高了學生對硬件課程的學習興趣，提升了學生的系統能力及解決復雜問題的能力，增強了學生自主學習和終生學習的意識。后續要將“操作系統原理”“編譯原理”等課程融人可持續競爭力培養理念，對計算機專業課程體系進行整體規劃，培養學生的計算機系統能力和綜合能力。

參考文獻

[1]習近平.發展新質生產力是推動高質量發展的內在 要求和重要著力點[EB/OL].（2024-05-01）[2025- 06-20]. https：//www. gov. cn/yaowen/liebiao/20240 5/content_6954761.htm.

[2]“計算機教育20人論壇”報告編寫組.計算機教育與可持續競爭力［M].北京：高等教育出版社，2019.

[3]徐曉飛.面向未來可持續競爭力的敏捷教育體系與開放教育生態[J].計算機教育，2023（4）：15-20

[4]徐曉飛.數字化時代面向可持續競爭力的計算機教育創新與發展趨勢[J].計算機教育，2024（6）：2-7.

[5]袁春風，王帥.大學計算機專業教育應重視“系統觀\"培養[J].中國大學教學，2013（12）：41-46.

[6]GANESH L G. Automata and computability： aprogrammer’s perspective[M].Boca Raton：Chapmanand Hall/CRC，2019.

[7]黃嵐，呂春利，史銀雪，等.面向工程認證的計算機組成原理課程建設探索［J].教育教學論壇，2018（12）：260-262.

[8]鄭緯民.計算機專業大學生的系統能力培養[J].中國大學教學，2021（5）：19-23.

[9]徐曉飛，丁效華.面向可持續競爭力的新工科人才培養模式改革探索［J].中國大學教學，2017（6）：6-10.

[10]譚志虎，秦磊華，胡迪青.面向系統能力培養的計算機專業實踐教學模式［J].中國大學教學，2017（9） ：80-84.

[11]王偉征，潘顯民.數字電路實驗教學改革的探索與實踐[J].計算機教育，2024（6）：162-166.

［12]吳榮海.Logisim在“計算機組成原理”教學中的應用實踐[J].大理大學學報，2016（12）：96-100.

（編輯 王雪芬）

Abstract：Theproposal of new quality productivity requiresuniversities to cultivate talents with sustainable competitiveness.Tosolve theproblemsof insufficient systemcapabilityand student interest inthe teaching processof computer hardware courses，this paper propose areform idea for computer hardware course teaching with the concept of cultivating sustainable competitiveness.We plan the content ofcomputer hardware courses with system capability cultivationasthe core，construct a project driven practical teaching systemof“hierarchical progression and synthesis system”，develop an evaluation mechanism forprocessassessment，and provide some ideas for thecultivation of innovative talentswith sustainable competitiveness.

Key words：new quality productivity；sustainable competitiveness；systemcapability；computer hardware