计算机专业系统能力培养探索

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摘要：在移动互联时代，培养具备系统能力的计算机专业人才已成为国内外教育专家的普遍共识，但如何在应用型计算机专业中实施仍然是一个有待解决的问题。结合应用型本科转型改革，阐述了在计算机系统课程体系、教学内容、教学方式等方面的探索过程，将系统能力培养落实到计算机专业教学实践中。

关键词：系统能力培养；应用型计算机专业；教学改革

1概述

随着移动互联网、物联网、云计算和大数据等新一代信息技术的兴起，大量智能硬件如智能手机、传感器、电子标签、可穿戴设备等进入到人们日常生活中，计算机科学与计算机产业正在发生深刻的变革，需要一大批“综合应用硬件和软件进行计算机系统设计”的卓越工程师。因此，对计算机专业人才的培养要求正在由“程序”设计向“系统”设计层面转移。ACM和IEEE联合公布的CS2013计算机科学课程指南特别强调加强系统能力的培养。教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会提出：计算机专业人才应具备四大专业能力，包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、系统能力，其中系统能力占总能力点的75%。因此，在移动互联时代，培养具备系统能力的计算机专业人才已成为国内外教育专家的普遍共识。吉林大学珠海学院是广东省普通本科高校向应用型本科高校转变的试点单位，顺应产业转型升级和创新驱动发展需求，围绕区域经济社会发展战略重点，实施了面向系统能力培养的计算机专业应用型人才培养模式，纠正学生“欺软怕硬”的学习观念，提高学生软硬件协同设计的能力，培养学生成为一名具有系统能力的“软硬件贯通”的计算机专业创新人才。

2课程体系的构建

计算机专业传统课程体系是按照层次结构划分各门课程，无意中割裂了计算机系统各个层次之间的关联，客观上导致了每门课程只是关注各自的知识体系的完整性，课程讲授内容是相互独立的。学生虽然学习了各门课程中计算机系统的相关知识，但是就如“盲人摸象”一样，很难形成一个对计算机系统的整体认识。所以面向系统能力培养的课程体系需要重构培养学生对计算机系统认知、分析、设计和应用能力的教学模块，其中最关键就是要求学生能以程序员的视角理解计算机硬件设计，从硬件设计者的角度理解程序的执行，掌握计算机系统各抽象层的实现及其相互转换机制、计算机软硬件间的关联关系及相互影响。我们分析了应用型计算机专业学生所需知识结构，坚持“因材施教，分类指导”的指导方针，制订了注重系统能力培养的课程体系：一是专业基础课程，如数字逻辑设计、程序设计基础等；二是专业核心课程，如计算机组成与结构、操作系统、计算机系统综合课程设计等；三是专业应用课程，如嵌入式系统设计、嵌入式操作系统、智能手机软件设计、物联网控制技术等。作为一所应用型本科高校，考虑学生实际情况和培养目标，没有设置编译原理、形式语言与自动机等理论性较强的课程。

3课程教学内容的调整

计算机系统由于涉及多门计算机专业的软、硬件课程，知识体系庞大，各门课程的教学内容交叉多。所以计算机系统能力建设需要多门课程之间的衔接与联动，仅仅对某一门课程进行教学内容调整并不能取得良好效果，我们确定要以数字逻辑设计、计算机组成与结构、操作系统等课程作为主线，将所有与计算机系统密切相关的课程都有机串联融合起来，构建基于课程群的系统能力建设模式。课程教学内容的调整思路是：从程序设计视角出发，改变传统软硬件分离的教学方法，理顺各层次课程之间的衔接关系，改变各门课程知识结构离散、部分内容重叠的现象，给学生提供了一个完整而清晰的学习路线。数字逻辑设计课程的教学重点在逻辑器件应用和数字系统设计能力。因此，以组合逻辑与时序逻辑作为基础，加入FP⁃GA设计知识，引入EDA设计工具和Verilog硬件描述语言，加强以计算机功能部件作为设计实例的教学，能设计基本逻辑部件与组件如编码器、译码器、计数器、寄存器、多路选择器、算术逻辑运算单元等，掌握复杂系统状态机设计能力和时序分析能力，为计算机系统的设计打下基础。计算机组成与结构课程重点解析计算机硬件系统基本组成、运行原理和协同工作机制，分析计算机组成对系统性能的影响，阐述计算机系统的基本设计方法，帮助学生建立计算机整机系统的概念。课程教学需增加有关计算机硬件系统、操作系统、软件系统如何协同工作的知识点，例如将指令执行过程和异常、中断、存储访问、I/O访问等重要概念和技术结合起来进行介绍；讲述与程序设计有密切关系的体系结构内容，如数据表示、信息存放、操作数寻址、过程调用、程序访问局部性等。操作系统课程的理论教学定位于操作系统的组成及运行机理，侧重从系统软件角度管理计算机软硬件资源，以Linux为例讲述操作系统的基本概念和方法、设计原理和实现技术，主要内容包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理、系统调用与中断处理、任务调度和切换等知识点，特别需强调软硬件依赖关系和协同工作机制，即操作系统与CPU之间在中断、同步等方面的衔接关系。

4课程教学方式的改革

计算机系统课程如果按照传统教学方式，一般是先在课堂讲授相关理论知识，再到实验室做实验。由于计算机系统各层次课程涉及的知识点十分繁杂而抽象，学生只会越学越觉得计算机系统高深莫测，既枯燥无味又不容易掌握，久而久之就会产生对硬件的畏难情绪，而且在实验之前还需要花费时间进行复习。计算机系统课程教学借鉴CDIO工程教育模式，以解决“教师本位”向“学生本位”转变的问题，将课堂教学与实验教学融为一体，采用“做中学”和“按需教”的教学组织模式。其目的就是通过对计算机系统课程的教学与实验环节的一体化设计，综合设计教学与实验内容，使学生在“做”的过程中，通过自己的动手体验，通过自己对知识的获取、归纳与总结，能够深刻理解计算机系统整体概念，获得远超课堂教学的教学效果。计算机系统课程将采用“项目驱动、案例导向”的教学模式进行启发式教学，以计算机系统设计项目为手段，采用FPGA+ARM+Linux作为统一实验平台，按照“基本逻辑部件、计算机功能部件、计算机综合系统”的思想逐层开展，将计算机系统设计实践完整地贯穿于各层次课程之中，构建了一个阶段化、层次化、系统化的教学实验体系，形成“学习、构思、设计、实现”的CDIO工程教育完整过程。首先，数字逻辑设计课程需要从门电路开始来设计基本逻辑部件如译码器、选择器、寄存器等，使学生能熟悉EDA设计的全过程；然后，计算机组成与结构课程通过计算机功能部件如运算器、控制器、存储器和I/O接口的设计，锻炼学生的工程实践能力；最终，计算机系统综合课程设计则增加指令系统、中断、数据通路的设计，并将计算机各功能部件通过总线互联为一个完整的计算机系统，使学生全面理解计算机系统层次结构，理清软硬件之间的联系，加深对计算机整个系统的理解。

5结论

在移动互联时代，计算机专业人才培养由强调程序设计变为强调系统设计，学生是否能够建立计算机系统观、具备计算机系统设计能力是计算机专业创新人才培养关键标志。我们根据学校发展定位、师资学生情况和课程建设现状，重新规划计算机系统课程体系，调整优化教学内容和教学方式，将系统能力的培养落实到计算机专业教学实践中。计算机系统能力的培养是一项系统工程，面向系统能力培养的教学改革仍需要在实施过程中不断进行完善。

参考文献：

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作者:张荣高 梁艳春 冯广慧 单位:吉林大学珠海学院计算机科学与技术系