強(qiáng)化計(jì)算機(jī)課程貫通教學(xué)深入面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)

施青松　陳文智

摘 要：面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)是社會(huì)日益急迫的需求，同時(shí)也是高校計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的重點(diǎn)。論文介紹了浙江大學(xué)在實(shí)踐中探索面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程建設(shè)以及計(jì)算機(jī)課程貫通教學(xué)的操作方法。教學(xué)實(shí)踐的分析表明，強(qiáng)化計(jì)算機(jī)課程貫通教學(xué)能有效提高學(xué)生的系統(tǒng)能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；系統(tǒng)觀教學(xué)；系統(tǒng)能力培養(yǎng)；貫通教學(xué)

一、計(jì)算思維和系統(tǒng)觀教學(xué)

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展和新穎軟硬件技術(shù)的出現(xiàn)，極大改變了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的模式，同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使得高校人才培養(yǎng)與社會(huì)對(duì)人才的需求之間的差距有不斷拉大的趨勢(shì)。擺在高校教師面前的迫切任務(wù)是如何改變這種局面，提高硬件和系統(tǒng)類(lèi)課程的教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生實(shí)踐能力與興趣[1]。這些挑戰(zhàn)和困惑歸納起來(lái)主要有四個(gè)方面：

（1）如何更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維；

（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展如何體現(xiàn)在課程教學(xué)中；

（3）新穎技術(shù)是否應(yīng)該應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐之中，如何應(yīng)用；

（4）還有一個(gè)老問(wèn)題，如何激發(fā)學(xué)生硬件實(shí)踐的興趣。

為了解決這些問(wèn)題，許多專(zhuān)家學(xué)者都在探索各種教學(xué)思想和方法，其中影響最大的是計(jì)算思維和系統(tǒng)觀、系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)思想[2-4]，為當(dāng)前的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革指明了方向。

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，如同所有人都具備“讀、寫(xiě)、算”（簡(jiǎn)稱(chēng)3R）能力一樣[2]，這是圖靈在20世紀(jì)30年代已經(jīng)證明的自動(dòng)計(jì)算理論。20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）的出現(xiàn)和系統(tǒng)軟件的成熟，標(biāo)志著計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題思想已經(jīng)形成。計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題教學(xué)思想在過(guò)去的幾十年里一直若隱若現(xiàn)地存在于計(jì)算機(jī)學(xué)科的教學(xué)和發(fā)展中，只是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的單一性，沒(méi)有被人們重視或全面體現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)新興硬件器件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具不斷涌現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)不是單一的程序就可解決的，它是以嵌入式計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、并行計(jì)算和基于服務(wù)計(jì)算為核心的集高性能處理、網(wǎng)絡(luò)（云）存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、富媒體和智能化為一體的綜合性應(yīng)用。在技術(shù)和應(yīng)用發(fā)生根本性變化的今天，人才培養(yǎng)的模式也將發(fā)生變革，而計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題教學(xué)思想是唯一可以與此相適應(yīng)的教學(xué)模式，也是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的解決途徑。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題教學(xué)思想需要系統(tǒng)觀思維，需要深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以具備和掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類(lèi)行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2，5]，其本質(zhì)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題思想，也需要具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。無(wú)論是哪種思維模式，都需要具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力以及這種能力的運(yùn)用。

培養(yǎng)具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的人才，深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基本問(wèn)題，也是關(guān)鍵問(wèn)題。浙江大學(xué)從20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始跟蹤國(guó)際上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的前沿發(fā)展和教學(xué)思想，采用了課程貫通教學(xué)思想，在課程建設(shè)實(shí)踐中提出了“面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)”，改變計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)思維和教學(xué)過(guò)程，并對(duì)面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)進(jìn)行了深入的探索。

二、面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的思想

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)目的是要培養(yǎng)能以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維處理問(wèn)題的人才，必須改變傳統(tǒng)各專(zhuān)業(yè)課程獨(dú)立設(shè)計(jì)建設(shè)和實(shí)施，缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體系統(tǒng)層概念，采用軟硬件課程貫通整體設(shè)計(jì)建設(shè)統(tǒng)一視圖、面向系統(tǒng)能力的課程體系；改變傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的孤立性，缺乏實(shí)驗(yàn)?zāi)K的整體性和應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力，采用具有確定目標(biāo)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

綜上而述，面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的總體思路是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（或SOC，System On Chip）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐過(guò)程為手段，以深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能程序設(shè)計(jì)為目標(biāo)，貫通計(jì)算機(jī)組成原理與設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯、操作系統(tǒng)和編譯技術(shù)等課程；以系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為統(tǒng)一視圖，建立層次化、循序遞進(jìn)、開(kāi)放式的課程體系和實(shí)踐目標(biāo)，讓學(xué)生在校期間遞進(jìn)式逐步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易但完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或SOC，并用自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（或SOC）和系統(tǒng)軟件管理運(yùn)行自己的應(yīng)用程序。

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求充分掌握和利用現(xiàn)代新穎計(jì)算機(jī)理論和技術(shù)，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的理解程度和應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題的能力；在此基礎(chǔ)上以嵌入式系統(tǒng)為綜合實(shí)踐舞臺(tái)，提高學(xué)生根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)（嵌入式）系統(tǒng)應(yīng)用的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有軟硬協(xié)同能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用型人才。同時(shí)引導(dǎo)有興趣和潛力的同學(xué)進(jìn)入計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域。

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)目的不是要求所有學(xué)生都成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究者，因此配合的系統(tǒng)能力教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)力求簡(jiǎn)單而豐富，設(shè)計(jì)目標(biāo)明確而開(kāi)放，實(shí)踐過(guò)程要求完整且有可操作性。針對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件工程等專(zhuān)業(yè)提出兩個(gè)層次、高中低三類(lèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程感性地深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高性能程序設(shè)計(jì)，以更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能[2]。

三、貫通教學(xué)是面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的充分必要手段

要具備系統(tǒng)觀能力，高校教學(xué)必須建立面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)手段。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的建設(shè)，我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)已形成了很大的規(guī)模，形成了一套相對(duì)穩(wěn)定的人才培養(yǎng)模式。但從工程教育的觀點(diǎn)來(lái)看，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)建設(shè)存在一些普遍問(wèn)題：由于核心課程獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施，難于實(shí)現(xiàn)課程體系的整體優(yōu)化，導(dǎo)致學(xué)生很難建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，缺乏系統(tǒng)能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)，也難以激發(fā)學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的興趣。雖然已有很多文章討論過(guò)計(jì)算思維和系統(tǒng)觀思想，但鮮有相關(guān)可操作性的方法和手段的研究。現(xiàn)在越來(lái)越多的專(zhuān)家和教師認(rèn)同系統(tǒng)觀和面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式，但如何實(shí)施及可操作的方法也不夠具體，缺少明確的示范。

浙江大學(xué)在面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革實(shí)踐中，總結(jié)出理論實(shí)踐融合的深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)思想，那就是理論上采取軟硬件課程貫通教學(xué)，實(shí)踐上給出確定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和EDA技術(shù)的發(fā)展完全可以做到這兩點(diǎn)，在可行性上沒(méi)有任何問(wèn)題，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的實(shí)踐也已經(jīng)證明了這一點(diǎn)并探索出一套可操作的方法。

浙江大學(xué)在課程計(jì)劃上整體貫通軟硬件課程建立課程體系。根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要素，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分解到數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、接口與匯編、OS和編譯技術(shù)等各門(mén)課程中，課程間構(gòu)成輸入輸出關(guān)系。

這樣的面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)思想，改變了以往課程間缺乏直接聯(lián)系和簡(jiǎn)單驗(yàn)證的不足，轉(zhuǎn)向課程緊密聯(lián)系的整體教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不斷完善的漸進(jìn)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段和過(guò)程。

通過(guò)一個(gè)確定應(yīng)用目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，已足夠讓學(xué)生深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其解決問(wèn)題的思想；同時(shí)讓學(xué)生理解計(jì)算思維的核心思想和理解系統(tǒng)觀角度思考解決問(wèn)題，對(duì)激發(fā)學(xué)生提高計(jì)算機(jī)硬件及系統(tǒng)軟件課程的興趣和創(chuàng)造力也是必要的。

作者認(rèn)為，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)采用課程貫通教學(xué)和確定目標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是可行的，也是充分必要的，但在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上可以根據(jù)不同教學(xué)對(duì)象和培養(yǎng)要求采取分層設(shè)計(jì)。

四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程貫通教學(xué)的操作方法

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)采用貫通計(jì)算機(jī)硬件之間的教學(xué)，貫通計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的教學(xué)，系統(tǒng)將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分解到各個(gè)課程中。每門(mén)課程作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不同階段，完成課程及相應(yīng)的模塊知識(shí)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并提供給后繼課程相應(yīng)的模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程貫通涉及課程較多，是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須探索一套切實(shí)可行的操作方法，否則將會(huì)流于形式，而達(dá)不到良好的效果。要達(dá)到目標(biāo)需要解決四個(gè)問(wèn)題：首先需要建立課程貫通教學(xué)的載體，其次就是要建立課程貫通的教學(xué)思想，再次是建立課程統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后是師資培訓(xùn)。

1.貫通教學(xué)的載體

貫通教學(xué)的載體就是“確定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”，這個(gè)載體需要與當(dāng)前社會(huì)實(shí)踐應(yīng)用接近，但又具備高度可行性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，類(lèi)同于一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工程開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，在學(xué)習(xí)的同時(shí)完成這個(gè)項(xiàng)目。有了這個(gè)載體，貫通課程教學(xué)建設(shè)就有了可操作內(nèi)容和方向，能切實(shí)有效地建立課程體系和教學(xué)大綱。

課程貫通教學(xué)不是簡(jiǎn)單地把課程內(nèi)容打通，而是要圍繞面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)這個(gè)目標(biāo)，建立課程間的有機(jī)聯(lián)系，各課程的理論教學(xué)以本課程知識(shí)點(diǎn)為核心，圍繞（服務(wù)）整個(gè)確定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這樣每門(mén)課既有自己獨(dú)立的知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)，同時(shí)又面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)，為后繼課程提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)、技能和部件（子系統(tǒng)）。

2.貫穿始終的教學(xué)思想和思維方法

必須明白的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是手段，系統(tǒng)能力培養(yǎng)才是最為關(guān)鍵的目的。因此在課程貫通教學(xué)指導(dǎo)上還必須建立貫穿始終的教學(xué)思想和思維方法，把握課程與整體之間的教學(xué)脈絡(luò)。浙江大學(xué)在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)概括了貫穿課程間總體教學(xué)思想是系統(tǒng)能力培養(yǎng)，其思維方法是計(jì)算思維（以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思想解決問(wèn)題），同時(shí)總結(jié)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)四大核心課程的教學(xué)思想和思維方法，以引導(dǎo)課程內(nèi)教學(xué)。

“數(shù)字電路”課程的貫穿教學(xué)思想是數(shù)字系統(tǒng)解題思想，貫穿的思維方法是有限狀態(tài)機(jī)和寄存器傳輸控制思維。

“計(jì)算機(jī)組成”課程的貫穿教學(xué)思想是程序（匯編）解題思想，貫穿的思維方法是圖靈機(jī)（無(wú)限狀態(tài)機(jī)處理）和三指令（Load、Store和ALU）思維。

“操作系統(tǒng)”課程的貫穿教學(xué)思想是協(xié)同管理（程序/進(jìn)程、資源和交互等）解題思想，貫穿的思維方法是管理、調(diào)度、驅(qū)動(dòng)思維。

“編譯原理”課程的貫穿教學(xué)思想是讓程序更聰明地解題思想，貫穿的思維方法是如何讓目標(biāo)具有更好的性能思維。

更重要的一點(diǎn)是為什么要采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題，在從數(shù)字邏輯課程教學(xué)向計(jì)算機(jī)組成課程教學(xué)過(guò)渡上還需要強(qiáng)調(diào)數(shù)字系統(tǒng)解題存在的困難，并以普適圖靈機(jī)思想從數(shù)字系統(tǒng)解題轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解題，引導(dǎo)轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)組成教學(xué)。

3.貫通的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

第三個(gè)問(wèn)題是建立貫通的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)踐中，浙江大學(xué)采用多個(gè)Xilinx FPGA建立了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架，建立實(shí)驗(yàn)成果庫(kù)，構(gòu)建系列化、遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)體系，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)讀者參閱相關(guān)文獻(xiàn)[1]。目前正在重新設(shè)計(jì)更適合數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、匯編與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程使用的貫通的統(tǒng)一新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上運(yùn)用工程化SOC集成綜合實(shí)現(xiàn)方法。SOC設(shè)計(jì)在工程上主要采用IP（Intellectual Property right）核集成實(shí)現(xiàn)，浙江大學(xué)采用與SOC設(shè)計(jì)相同的工程化思想，實(shí)驗(yàn)時(shí)提供基本模塊的IP軟核。從系統(tǒng)視角對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作頂層分解，采用IP核集成調(diào)用方法構(gòu)成自頂向下的SOC集成框架（頂層模塊），每個(gè)IP核都可以替換（猶如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱IC插座），是基于FPGA實(shí)體的虛擬實(shí)驗(yàn)箱。

這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性好，有利于擴(kuò)充和升級(jí)。在具體實(shí)現(xiàn)上，采用自底向上逐個(gè)用自己所設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行替換，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

這種采用分解模塊IP核化和系統(tǒng)開(kāi)源方式，可降低實(shí)現(xiàn)難度，避免直接自底向上從零開(kāi)始、積木化存在的問(wèn)題，同時(shí)豐富各課程內(nèi)容，也讓學(xué)生掌握問(wèn)題的分解能力和系統(tǒng)集成能力。

SOC集成方法便于操作，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生從邏輯開(kāi)始設(shè)計(jì)部件，到計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)接口課，逐步替換IP核，猶如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱。這種結(jié)構(gòu)適合各類(lèi)不同的高校，在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)教學(xué)對(duì)象取舍，可以要求很簡(jiǎn)單，只替換部分IP核模塊，如CPU設(shè)計(jì)替換集成，甚至只做IP核SOC集成（作為CPU/微控制器應(yīng)用或嵌入式系統(tǒng)的一種課程設(shè)計(jì)）；也可以高層次要求，如替換所有的IP核并創(chuàng)新增加個(gè)性核。

該方法的另一優(yōu)點(diǎn)是解決了學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K在硬件物理層的調(diào)試和測(cè)試問(wèn)題。

4.師資隊(duì)伍建設(shè)

最后一個(gè)問(wèn)題是師資隊(duì)伍建設(shè)。針對(duì)目前計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)，從認(rèn)識(shí)上和知識(shí)儲(chǔ)備上來(lái)講，這是最關(guān)鍵的問(wèn)題。

（1）教師首先要學(xué)會(huì)課程貫通教學(xué)。課程貫通教學(xué)需要了解計(jì)算機(jī)綜合設(shè)計(jì)所需要的知識(shí)和組成模塊，這些知識(shí)和對(duì)應(yīng)模塊以往是分散在各個(gè)課程里獨(dú)立教學(xué)的，現(xiàn)在要通過(guò)不同層次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)把知識(shí)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)[1]，從系統(tǒng)整體的角度關(guān)聯(lián)（貫通）教學(xué)。同時(shí)運(yùn)用貫穿的教學(xué)思想和思維方法引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)知曉系統(tǒng)需要的子模塊在系統(tǒng)整體中的作用和位置并完成模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。貫通教學(xué)不是把所有課程知識(shí)簡(jiǎn)單混合在一起，而是需要有目標(biāo)和指導(dǎo)思想。

（2）教師必須掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成教學(xué)的重點(diǎn)，專(zhuān)業(yè)教師在對(duì)知識(shí)熟悉優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，只需增加對(duì)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程的教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)。這在理論教學(xué)上僅是調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)，沒(méi)有增加新的內(nèi)容；實(shí)踐教學(xué)上只是將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)改為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，工作量沒(méi)有增加，僅需要教師學(xué)會(huì)利用現(xiàn)代EDA工具實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并掌握這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)過(guò)程。現(xiàn)代EDA工具較10年前有了很大的改進(jìn)和發(fā)展，簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)難度。

（3）教師必須掌握新技術(shù)的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展與其他學(xué)科相比，新理論和新技術(shù)層出不窮，作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的教師需要及時(shí)了解和掌握這些新的內(nèi)容并充實(shí)到教學(xué)中。因此，計(jì)算機(jī)學(xué)科的教師必須了解或掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代編譯優(yōu)化技術(shù)和操作系統(tǒng)相關(guān)的新技術(shù)。這本來(lái)就是不斷學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)教學(xué)過(guò)程。對(duì)基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式來(lái)講，硬件（數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成）教師還必須了解EDA相關(guān)理論和學(xué)會(huì)EDA技術(shù)，軟件（編譯、OS）教師還必須了解和掌握系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中計(jì)算機(jī)學(xué)科對(duì)EDA技術(shù)要求比較簡(jiǎn)單，部分硬件教師沒(méi)有接觸過(guò)現(xiàn)代硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)，需要增加EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。這些EDA技術(shù)主要涉及硬件描述語(yǔ)言、硬件描述模塊（或系統(tǒng)）綜合、邏輯電路模塊的仿真（模擬）、綜合后的電路約束實(shí)現(xiàn)及相關(guān)軟件工具，這些對(duì)硬件教師來(lái)講并不是非常難。硬件教師具體要學(xué)會(huì)掌握如下內(nèi)容：一是學(xué)會(huì)一種硬件描述語(yǔ)言，建議使用Verilog HDL，這種語(yǔ)言風(fēng)格與C語(yǔ)言非常類(lèi)似，學(xué)習(xí)非常容易，對(duì)硬件教師來(lái)講沒(méi)有難度；二是學(xué)會(huì)一種FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)工具的編輯、綜合、模擬和實(shí)現(xiàn)，目前主要FPGA平臺(tái)有Xilinx的ISE和Altera的Quartus II，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇。

對(duì)于編譯和OS課程的系統(tǒng)軟件教師來(lái)講，程序設(shè)計(jì)本來(lái)就是強(qiáng)項(xiàng)，增加編譯支持和OS移植或?qū)崿F(xiàn)難度也不會(huì)太大。

五、貫通教學(xué)的實(shí)踐成果

幾年來(lái)的實(shí)踐表明通過(guò)貫通教學(xué)模式，學(xué)生不僅了解了運(yùn)用不同思想和途徑解決相同問(wèn)題的方法，而且更明確地知道了為什么要用計(jì)算機(jī)解題的思維模式，增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)解題思維的能力。具體效果有如下幾個(gè)方面。

（1）激發(fā)了學(xué)生興趣。傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，變被動(dòng)機(jī)械式操作為主動(dòng)靈活的自主設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生的興趣油然而生，參與度極大提高。為了實(shí)現(xiàn)選題目標(biāo)，課程知識(shí)的重要性和課程間的相互依賴(lài)關(guān)系越來(lái)越重要，學(xué)生對(duì)理論課的學(xué)習(xí)也越來(lái)越重視，枯燥的理論知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案需要的支持。

（2）充分激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新潛力。教學(xué)實(shí)踐初期，課程組比較擔(dān)心兩個(gè)問(wèn)題：一是“基本要求”中如何用豐富的案例來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，二是“高級(jí)要求”的難度系數(shù)是否合適。由于年輕人有天然的想象力和豐富的創(chuàng)造力，在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生為我們提供了非常豐富和有創(chuàng)新的作品（作業(yè)），如LED交互版有打乒乓、手指跳舞機(jī)或打地鼠等十幾種有趣的案例；VGA交互版有基于數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的俄羅斯方塊和基于匯編實(shí)現(xiàn)的俄羅斯方塊，基于自主設(shè)計(jì)的CPU系統(tǒng)和移植操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的圍棋，基于數(shù)字系統(tǒng)和匯編分別實(shí)現(xiàn)的彈幕游戲，都具有非常復(fù)雜的算法和VGA的畫(huà)面顯示。這表明學(xué)生的興趣和潛力被激發(fā)出來(lái)后，這些問(wèn)題并沒(méi)有形成阻力，反而成為動(dòng)力，給后繼的同學(xué)做出了示范，也豐富了教學(xué)案例。

（3）學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有了更深入的理解，提高了用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力。這個(gè)結(jié)果在課后調(diào)查和學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以反映出來(lái)。計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)綜合課后的問(wèn)卷調(diào)查題“你認(rèn)為此課程的實(shí)驗(yàn)對(duì)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有多大的幫助”，共5個(gè)層次選項(xiàng)。組成課的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)給出80%的同學(xué)認(rèn)為有很大的幫助，14%的同學(xué)認(rèn)為有較大幫助，4%的同學(xué)保持中立，2%的同學(xué)認(rèn)為幫助不大。后續(xù)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)綜合實(shí)踐課程問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有40%的同學(xué)認(rèn)為有很大的幫助，35%的同學(xué)認(rèn)為有較大的幫助，23%的同學(xué)認(rèn)為有幫助，2%的同學(xué)認(rèn)為幫助不大。此數(shù)據(jù)包含來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)、上海大學(xué)、武漢科技大學(xué)和石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)生的調(diào)查數(shù)據(jù)。

（4）提高了學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力。教師的指導(dǎo)僅給出最基本的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（包括方案和部分代碼，以IP核或關(guān)鍵問(wèn)題描述方法）并引導(dǎo)出現(xiàn)問(wèn)題的解決方向，但是在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題，這是無(wú)法避免的。這個(gè)過(guò)程使得學(xué)生必須自己去解決問(wèn)題。大部分同學(xué)在老師的指導(dǎo)下都能找到解決方法，或者通過(guò)其他各種方法很快找到了解決方法。這個(gè)過(guò)程既讓學(xué)生鍛煉了自主解決問(wèn)題的能力，又讓學(xué)生體驗(yàn)了實(shí)際工程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中解決問(wèn)題的過(guò)程。教學(xué)抽樣調(diào)查顯示，100%的學(xué)生提交了自主選題的課程設(shè)計(jì)，60%的學(xué)生創(chuàng)新或改造了課程組提供的案例，20%的學(xué)生完成了有較大難度的選題設(shè)計(jì)，16%的學(xué)生完成了課程組給定的選題，4%的學(xué)生完成得較差或沒(méi)有完成。

（5）增強(qiáng)了學(xué)生走向社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)能力。貫通教學(xué)和確定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采用了目前最新的計(jì)算機(jī)發(fā)展成果、新穎技術(shù)和工程方法。這些新成果、新技術(shù)和新方法與社會(huì)實(shí)際工作是一致的，其學(xué)習(xí)使用不僅培養(yǎng)了系統(tǒng)能力，更進(jìn)一步增加了學(xué)生進(jìn)入社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)力，以達(dá)到畢業(yè)即就業(yè)。同時(shí)，學(xué)生在出國(guó)申請(qǐng)時(shí)，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐作為自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也充分證明了這一點(diǎn)。

（6）為深化計(jì)算機(jī)教學(xué)改革提供了許多案例和經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)改革的許多思想和案例都來(lái)自這個(gè)改革實(shí)踐，學(xué)生的作業(yè)、問(wèn)題豐富了課程的經(jīng)驗(yàn)積累，學(xué)生的熱忱也給學(xué)院和教師帶來(lái)了持續(xù)進(jìn)行面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳文智，陳越，莊越挺. 面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的教學(xué)改革探索[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2013（20）.

[2] 陳國(guó)良，董榮勝. 計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（1）.

[3] Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J]. Communication of the ACM， 2006， 49（3）.

[4] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才專(zhuān)業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：余大品]