计算机类专业系统能力培养模式的研究

张旭 胡东华 朱付保

摘 要：本研究论述了计算机系统能力培养模式以及计算机类人才培养存在的问题，阐述了基于系统能力培养的专业课程体系、统一实验平台的实践教学体系，探索了学生助教模式，并介绍了教学改革的成效，提出了适合高校计算机类专业的系统能力培养模式。

关键词：计算机类专业;系统能力培养;教学模式

在信息技术高速发展的背景下，要求计算机类专业人才具有计算机系统完整概念以及系统的设计、实现和应用能力。系统能力培养对计算机类专业的建设具有重大的意义和影响。为推动高校计算机类专业对学生系统能力的培养，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会（以下简称教指委）专门成立系统能力培养课题小组对系统课程设置进行研究，国内高校也已经开始进行有关尝试。其中，清华大学以标准化MIPS指令系统为中心，构建一个完整的计算机系统作为最终目标的课程群建设方案取得了重大突破;北京航空航天大学以“一个CPU、一个OS、一个编译器”作为教学目标的课程体系改革，取得了良好效果;华中科技大学以设计流水处理器为目标，基于Logisim工具将数字逻辑设计、计算机组成原理等课程有机结合在一起，并总结出一些可推广的方法。

一、计算机类人才培养存在的问题

系统能力培养已经成为计算机类专业教学改革的主要方向。课程组所在的郑州轻工业大学计算机与通信工程学院开设的计算机类专业主要有计算机科学与技术、物联网工程、大数据等。学院在计算机类人才培养过程中，尚存在以下问题：

一是各个专业归属不同的系部，缺少在专业基础课方面的统筹规划，突出强调专业课的建设和作用，没有为学生建立起完整的计算机系统知识结构，导致学生的系统构造观不足。

二是专业课程的实践教学活动大多依托该课程的实验平台来展开，各实验平台的分离使得相关联课程之间的实验结果无法融合成一个更大的系统架构，导致学生的系统开发能力和设计能力不强。

三是由于硬件类课程的实验箱通常采用模块化结构，灵活性和扩展性比较差，造成实验基本以验证性的实验为主，开设设计类和综合类实验的难度大，学生解决复杂工程问题的能力弱。

二、系统能力培养模式的研究

（一）基于系统能力培养的专业课程体系探索

首先，学院以计算机系统为立足点，重新规划计算机类专业的课程体系。将程序设计基础、数字逻辑电路、计算机组成原理、操作系统作为系统课程群，设置为各个专业的必修专业基础课，统一规划课程群中课程的教学内容，保证每门课程既有自己独立的知识体系，又是完整的计算机系统知识体系的组成部分。

程序设计基础课程在学生掌握基本程序结构、语法规则的基础上，适当增加常用算法及算法优化的内容，为学生开发计算机应用提供必要的编程能力。

数字逻辑电路课程在传统讲解组合逻辑电路和时序逻辑电路的基础上，侧重数值计算和数据处理部件的内容，如半加器、全加器、寄存器、移位器、存储器等内容，使学生掌握小规模数字逻辑电路设计方法，为其学习计算机组成原理课程打下基础。

计算机组成原理课程在传统讲解运算器、控制器、存储器、输入输出设备功能部件的构成和工作原理的基础上，增加MIPS架构处理器的指令格式、寻址方式、数据通路、流水线等内容，为操作系统课程提供必要的指令集的支持。

操作系统课程在介绍处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理的基础上，结合操作系统的内核源代码，增加交叉编译、工作队列、系统调用、驱动程序编写等内容，为学生学习高级语言的系统级编程提供必要的基础。

其次，学院在系统课程群的基础上根据专业方向，开设相关的专业课程，将其扩展成更大的课程群，从而改善以往相关课程间相互脱离、缺乏融合的不足。同时，在教学方法上，教师不仅注重对“知识点”的分析，而且强调“计算机系统”视角，以计算机系统及其应用进行完整教学，帮助学生构建完整、系统的知识体系架构，从而体现出能力培养与专业培养的层次性和连贯性。

（二）基于统一实验平台的实践教学体系探索

学院围绕系统能力培养目标，以小核心、模块化、大整合作为指导思想，在龙芯FPGA实验平台上，统一规划和设计各门课程的教学目标和实验内容，使各门课程的实验结果模块化，且相关课程的实验构成输入输出关系。

数字逻辑电路课程以基本逻辑门、全加器、寄存器、存储器等和调试手段为主要学习内容，为开展计算机组成原理课程的实践教学提供必要的基本知识模块。

计算机组成原理课程以实现MIPS指令架构的处理器为目标，开设数据通路、ALU模块、寄存器堆、单周期CPU、多周期CPU等实验。通过实验，学生可以掌握Vivado集成开发环境下库IP的调用与设计方法。同时，这些实验可以为操作系统课程实验提供必要的硬件运行环境。

操作系统课程通过交叉编译技术向龙芯平台移植Linux，需要学生完成内核编程、工作队列、系统调用、驱动程序设计等实验。该实验可以让学生掌握操作系统的设置能力，同时为高级语言提供完整的编译工具链。

在统一的实验平台上，通过各门课程实验结果的综合与集成，学生实现了一个MIPS指令系统+Linux计算机系统平台操作。这样的设计既保证了实践环节的连贯性和工程性，又使实践教学具有可执行性。

（三）大实训分组及学生助教模式探索

学院在大实训学期，结合程序设计课程及相关专业课程的知识，利用龙芯平台提供的输入输出接口和模块，让学生进行计算机應用的开发。教师可以将不同专业的学生进行组队，让他们分工合作，完成一个从流水处理器、指令集、应用软件到外设的完整计算机系统的解决方案。这样既有助于培养学生的系统层次视野与大工程观，也有助于培养学生的团队精神。

在开展实践教学的过程中，由于学生的FPGA基础不足、工业级的处理器结构复杂、操作系统内核源代码规模庞大，教师必须考虑不同专业、不同层次学生的知识储备。在相关课程的实践教学中，采用模块化教学是使实践过程具有可持续性的重要手段。在数字逻辑电路和计算机组成原理的课程实验中，教师要让学生利用Verilog语言完成相应模块的设计，并进行验证，然后为学生提供对应的IP核;在操作系统课程实验中，教师要让学生编写缺失少量核心源代码的内核模块，并进行验证，然后为学生提供完整的模块。这样既能让学生以工业标准为基础完善自己的设计方案，又能为下一阶段的实践教学提供必要的知识储备。

在系统能力培养过程中，实验环节中指导教师人数不足是课程教学面临的突出问题。针对这一问题，课程组采用了学生助教模式。实验指导教师记录实验过程中出现的问题，选取成绩优异的学生，定期组织研讨会，对问题进行分析研讨。同时，为每一个学生分配指定任务，让他们在实践教学过程中配合实验指导教师一起完成实验指导工作。实践表明，学生助教模式有效提高了指导效率。

三、改革的成效

郑州轻工业大学计算机与通信工程学院紧密结合教指委关于系统能力培养的要求，结合自身实际情况，积极开展相关的教学改革实践，取得了以下成效：

基于学生系统能力培养的课程体系构建，增加了相关课程间的关联性，改变了传统的以课程知识点为主的教学方式，体现了计算机系统的层次性，可以有效培养学生计算机系统的结构观;基于统一实验平台的实践教学体系采用统一的实验平台，实验过程具有延续性，独立的实验可以融合成更大的系统，能够培养学生的计算机系统设计能力，有效提高了教学质量;大实训分组以及学生助教模式，能够培养学生的团队合作能力以及解决复杂工程问题的能力，满足工程认证的要求。

参考文献：

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[2]刘卫东，张悠慧，向勇，等.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J].中国大学教学，2014（8）.

[3]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学，2014（8）.

[4]谭志虎，秦磊华，胡迪青.面向系统能力培养的计算机专业实践教学模式[J].中国大学教学，2017（9）.

责编：初 心