工程認(rèn)證為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程改革

施 展，錢 瑛，韓 磊

（南京工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平及綜合國(guó)力的不斷提升，對(duì)高等人才數(shù)量和質(zhì)量的需求日益增強(qiáng)。作為一個(gè)工程教育大國(guó)，我國(guó)已于2016 年6月成為國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》第18 個(gè)正式會(huì)員國(guó)[1]。實(shí)施專業(yè)教育認(rèn)證不僅有助于國(guó)際間專業(yè)及其培養(yǎng)人才的相互認(rèn)可[2-3]，而且有利于加快高校工科專業(yè)依照國(guó)際工程教育先進(jìn)理念進(jìn)行教育教學(xué)改革，與發(fā)達(dá)國(guó)家工程人才培養(yǎng)模式接軌[4]。這意味著我國(guó)工程教育將逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際化。

工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心內(nèi)涵是構(gòu)建“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向”的人才培養(yǎng)體系，并突出持續(xù)改進(jìn)[5]，其關(guān)鍵教育理念是顯著增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，解決實(shí)際問(wèn)題能力以及工程實(shí)踐能力。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)具備較強(qiáng)的工程背景，無(wú)論是理論教學(xué)還是實(shí)踐環(huán)節(jié)都應(yīng)充分遵循工程教育的原則與方法，以學(xué)生為主體，不斷提升其實(shí)踐操作能力。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)本科生的專業(yè)核心課程，主要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中五大部件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)方法，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。在教學(xué)中應(yīng)在分析課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題基礎(chǔ)上，探索課程的教學(xué)改革模式，不斷嘗試?yán)碚摻虒W(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的教學(xué)方法，以滿足工程教育認(rèn)證的要求。

1 教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

目前，高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程在教學(xué)過(guò)程中存在著不少問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面。

1）相關(guān)課程基礎(chǔ)薄弱。

一般來(lái)說(shuō)，在教學(xué)內(nèi)容上計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的先導(dǎo)課程是計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、數(shù)字電路與硬件描述語(yǔ)言或數(shù)字邏輯等，這些課程之間的知識(shí)存在密切的關(guān)聯(lián)性，而不少計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，往往“喜軟怕硬”，特別是對(duì)數(shù)字電路、硬件描述語(yǔ)言等內(nèi)容理解不深入、掌握不扎實(shí)，導(dǎo)致前期課程基礎(chǔ)薄弱，使計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)有一定困難。

2）課程內(nèi)容抽象，學(xué)生難以掌握。

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)是一門承上啟下的課程，其涵蓋的知識(shí)面寬、涉及內(nèi)容多、課程跨度大，并且很多概念和方法都是芯片層面的，具有相當(dāng)?shù)某橄笮裕热鐧C(jī)器碼的定義、運(yùn)算，指令的格式、尋址方式，存儲(chǔ)系統(tǒng)的字位擴(kuò)展，微程序控制器結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方式等。這些內(nèi)容單憑課本、PPT 等方式講解，很難讓大多數(shù)學(xué)生掌握。

3）實(shí)踐環(huán)節(jié)效果較差。

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程主要講授計(jì)算機(jī)基本工作原理、硬件的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，很多知識(shí)內(nèi)容除了理論學(xué)習(xí)以外，還需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)踐操作驗(yàn)證和理解。根據(jù)這一特點(diǎn)，在課程教學(xué)過(guò)程中要注重理論和實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系，理性認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)相互結(jié)合，才能保證學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在開(kāi)放的電路板上用插線方式搭建邏輯電路，學(xué)生通過(guò)互聯(lián)對(duì)應(yīng)的引腳構(gòu)成特定的數(shù)據(jù)通路。這種方法雖然可以直觀地顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，但無(wú)法編寫程序，難以在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)用。目前，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的高校計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課采用了基于FPGA 的實(shí)驗(yàn)裝置。比如清華大學(xué)設(shè)計(jì)了基于FPGA 的開(kāi)放式教學(xué)的CPU 設(shè)計(jì)與測(cè)試系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[6]；南京大學(xué)和東南大學(xué)硬件教學(xué)通過(guò)Altera DE2 實(shí)驗(yàn)板開(kāi)展基于硬件描述語(yǔ)言和 FPGA 的CPU 設(shè)計(jì)；浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)驗(yàn)選用Xinlix NS3 的 FPGA 開(kāi)發(fā)板完成[7]。這種方式對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，因?yàn)闆](méi)有前期硬件描述語(yǔ)言、電子電路等基礎(chǔ)，一時(shí)難以理解與接受；而對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，也往往僅是按照教師的要求，參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)仍然是一頭霧水，缺乏思考，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4）教學(xué)方法單一，學(xué)生興趣不高。

雖然目前高?；径疾捎矛F(xiàn)代化的教學(xué)手段，但是計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容非常抽象、理解難度大，很多內(nèi)容往往涉及計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部的運(yùn)行情況。如果僅憑借課本、PPT 以及課堂講授等形式進(jìn)行“填鴨式”或者“滿堂灌”等方式的教學(xué)，則缺少直觀、形象的教學(xué)手段，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，并且對(duì)知識(shí)理解、掌握的難度也會(huì)加大。另外，單一的教學(xué)方法也容易使學(xué)生逐漸對(duì)課件產(chǎn)生過(guò)分的依賴，進(jìn)而導(dǎo)致其缺乏自主學(xué)習(xí)的積極性，不利于教學(xué)效果的達(dá)成。

2 工程認(rèn)證導(dǎo)向下的課程改革

工程教育專業(yè)認(rèn)證堅(jiān)持以能力為導(dǎo)向的認(rèn)證理念，在教學(xué)過(guò)程中，突出以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力和養(yǎng)成素質(zhì)。為了能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須注重課程改革與建設(shè)，尤其是專業(yè)核心課程的進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)于人才培養(yǎng)的質(zhì)量更是至關(guān)重要。同時(shí)，專業(yè)認(rèn)證采用OBE（Outcome Based Education）思想，強(qiáng)調(diào)首先要明確學(xué)習(xí)成果或畢業(yè)要求，而后按照畢業(yè)要求安排教學(xué)活動(dòng)，并對(duì)畢業(yè)要求的達(dá)成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種以成果或者能力為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)要遵循反向設(shè)計(jì)原則。為了更好地適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，需要對(duì)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行再梳理，進(jìn)而優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)、改進(jìn)教學(xué)方法、增強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、改革考核方式。以能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程改革的總體思路見(jiàn)圖1。

圖1 課程改革基本思路

2.1 優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)

課程的教學(xué)大綱是執(zhí)行人才培養(yǎng)方案和實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)性文件，是組織課程教學(xué)、檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果和評(píng)價(jià)教師教學(xué)質(zhì)量的重要依據(jù)，也是課程建設(shè)和教學(xué)評(píng)估的重要內(nèi)容。對(duì)于教學(xué)大綱，其中的課程目標(biāo)起到統(tǒng)領(lǐng)大綱、指明方向的關(guān)鍵作用。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程目標(biāo)的優(yōu)化是工程教育認(rèn)證下課程改革的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)，要與畢業(yè)要求達(dá)成一致。因此，確定課程目標(biāo)與畢業(yè)能力對(duì)應(yīng)關(guān)系表，見(jiàn)表1。

根據(jù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的12條要求，我們將課程目標(biāo)、課程任務(wù)等分為7 個(gè)方面，分別支撐畢業(yè)要求中的相關(guān)指標(biāo)點(diǎn)，從而使課程目標(biāo)從傳統(tǒng)的“傳授知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”。

2.2 完善課程教學(xué)內(nèi)容

課程的教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)大綱的重要組成部分，在依照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求確定課程目標(biāo)之后，應(yīng)進(jìn)一步完善課程的教學(xué)內(nèi)容，以更好地實(shí)現(xiàn)以能力為導(dǎo)向的教學(xué)，為此，可從以下幾個(gè)方面著手。

1）適當(dāng)取舍，完善內(nèi)容。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的對(duì)象是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的本科生，使用由清華大學(xué)出版社或高等教育出版社等出版的相關(guān)教材。針對(duì)傳統(tǒng)課程的內(nèi)容，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證、學(xué)校等方面的要求，我們將教學(xué)目標(biāo)對(duì)各項(xiàng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐細(xì)分到每一章節(jié)或某些章節(jié)中，并對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)取舍，給出相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和教學(xué)手段，從而進(jìn)一步確定授課過(guò)程中課堂教學(xué)內(nèi)容和要求。

2）加強(qiáng)知識(shí)銜接，構(gòu)建整體認(rèn)知。

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)這門課程主要介紹計(jì)算機(jī)各個(gè)組成部分及其工作原理，屬于偏硬件方面的課程。該課程的先導(dǎo)課主要有計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、數(shù)字電路等課程；而其本科階段后續(xù)課有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、操作系統(tǒng)等。這些課程之間知識(shí)銜接緊密，例如在學(xué)習(xí)加法器、存儲(chǔ)器的硬件電路中，將涉及數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)和如何由硬件描述語(yǔ)言進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)部件，也會(huì)涉及高級(jí)語(yǔ)言程序的相關(guān)知識(shí)；在學(xué)習(xí)存儲(chǔ)系統(tǒng)過(guò)程中，Cache、內(nèi)存和虛擬存儲(chǔ)器的知識(shí)與操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)管理之間相互聯(lián)系、互為補(bǔ)充。因此，在授課過(guò)程中，如果僅僅講解課程本身內(nèi)容，學(xué)生很難理解相關(guān)課程之間的聯(lián)系，也不利于掌握該課程知識(shí)，更難以建立對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解。為了解決這些問(wèn)題，我們嘗試加強(qiáng)課程之間知識(shí)銜接，構(gòu)建學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)知。

3）融入前沿知識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生視野。

在計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，不僅強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)的講授，而且適當(dāng)融入學(xué)科前沿知識(shí)、硬件成果以及研究熱點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注領(lǐng)域動(dòng)態(tài)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)以致用的成就感，并以此為動(dòng)力形成終身學(xué)習(xí)的能力。

4）采用多元教學(xué)方法，提升學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。

課程教學(xué)在實(shí)施過(guò)程中，既要讓學(xué)生牢固掌握知識(shí)，又要提升學(xué)生的能力和素養(yǎng)。為此，在教學(xué)中應(yīng)以學(xué)生為中心，改進(jìn)教學(xué)效果，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容采用多元化的教學(xué)方法，比如案例式、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式、啟發(fā)式及參與式等模式，以打破傳統(tǒng)的“填鴨式”或“灌輸式”教學(xué)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。例如，根據(jù)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置多種類型的實(shí)踐任務(wù)，學(xué)生以小組形式完成相應(yīng)的科研內(nèi)容，并在課堂上進(jìn)行介紹，從而使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂講授內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，同時(shí)訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及溝通表達(dá)能力等。

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)支撐對(duì)應(yīng)表

2.3 加強(qiáng)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的目標(biāo)不僅是對(duì)已學(xué)知識(shí)的驗(yàn)證，還要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力以及根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。因此，對(duì)于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程，應(yīng)加強(qiáng)其課內(nèi)上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而深化課堂教學(xué)的效果。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，嘗試建立以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)、綜合性實(shí)驗(yàn)為引領(lǐng)的實(shí)踐模式，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力以及合作溝通能力。在課程初始階段，將每班學(xué)生分成若干小組，由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)，分工協(xié)作，有步驟、有計(jì)劃地共同完成相應(yīng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生編寫基礎(chǔ)程序、調(diào)試程序的能力；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，該類型的實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)單元部件為目標(biāo)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課堂理論的理解；最后，將設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步擴(kuò)展成綜合型實(shí)驗(yàn)，即單周期CPU 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以訓(xùn)練學(xué)生查閱文獻(xiàn)、搜集資料，進(jìn)而增強(qiáng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

2.4 改進(jìn)課程考核制度

課程考核不僅是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的試金石，也是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果的主要方式。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生的本門課程成績(jī)主要由平時(shí)成績(jī)、期末考試成績(jī)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成，雖然這種考核方式考慮了一定的過(guò)程評(píng)價(jià)因素，但在工程教育專業(yè)認(rèn)證的導(dǎo)向下，這種考核模式有不少弊端，不能很好地對(duì)學(xué)生的相關(guān)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。為改進(jìn)課程考核制度，應(yīng)采用教學(xué)過(guò)程中的全程化考核方法，采用分階段、分目標(biāo)、分形式，以達(dá)到對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和能力培養(yǎng)的多方面考核。首先，應(yīng)根據(jù)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程任務(wù)以及對(duì)應(yīng)支撐的指標(biāo)點(diǎn)來(lái)確定相應(yīng)部分的分?jǐn)?shù)值、考核形式、評(píng)分依據(jù)等內(nèi)容?？傮w來(lái)說(shuō)，課程成績(jī)可由下面幾部分組成：理論考試成績(jī)、課堂表現(xiàn)、作業(yè)成績(jī)、問(wèn)題分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、書寫報(bào)告能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和表達(dá)能力等。這些部分的占比權(quán)重，可以結(jié)合學(xué)校要求、課程目標(biāo)、學(xué)生情況等進(jìn)行合理分配。其中，問(wèn)題分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和表達(dá)能力可以在實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行考核，通過(guò)每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、步驟、遇到問(wèn)題的解決辦法和實(shí)驗(yàn)效果演示等方面的自我說(shuō)明，再結(jié)合教師的隨機(jī)提問(wèn)，從而給出相應(yīng)的能力考核結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程改革有利于提升教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程。這項(xiàng)工作也是一個(gè)不斷思考、探索的過(guò)程。針對(duì)目前計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程存在的主要問(wèn)題，筆者提出工程教育認(rèn)證下的課程改革主要思路及其步驟，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證、學(xué)校等方面的要求，通過(guò)認(rèn)真梳理，優(yōu)化課程目標(biāo)、完善課程內(nèi)容、加強(qiáng)課程實(shí)踐以及改進(jìn)課程考核制度，使學(xué)生更好地理解和掌握了計(jì)算機(jī)整體系統(tǒng)的概念，提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。