面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程改革探討

劉會(huì)琴

（撫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 撫州 344000）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力可以表述為運(yùn)用系統(tǒng)觀理念促進(jìn)計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同運(yùn)作的綜合能力。從計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，越來越多的軟硬件技術(shù)應(yīng)用都需要運(yùn)用系統(tǒng)觀理念，從系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用等方面，做好各部分之間的抽象關(guān)聯(lián)與相互促進(jìn)。因此，探究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)各相關(guān)課程之間的內(nèi)在協(xié)同與邏輯關(guān)系，關(guān)注學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)成為業(yè)界共識(shí)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)4項(xiàng)必備專業(yè)能力之一，各重點(diǎn)高校都在積極探索系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實(shí)踐路徑，如清華大學(xué)提出的以“MIPSCPU”為核心的一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，東南大學(xué)提出的以“MiniSys-1A CPU”為核心的軟硬件綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)等都取得了良好教學(xué)成效。由此，立足撫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)際，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，提出計(jì)算機(jī)專業(yè)課程重構(gòu)建議。

1 現(xiàn)有學(xué)科課程體系的應(yīng)用現(xiàn)狀

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，要全面對(duì)接行業(yè)發(fā)展需求。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)要求學(xué)生具備較高的系統(tǒng)能力?，F(xiàn)有的課程結(jié)構(gòu)體系雖然也設(shè)置了與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)相關(guān)的課程，但這些課程相對(duì)獨(dú)立，如“數(shù)字邏輯電路”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“計(jì)算機(jī)組成原理”“編譯原理”“操作系統(tǒng)”“匯編語言”等課程，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性不夠。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)的總體目標(biāo)是培養(yǎng)具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，但從現(xiàn)有的課程實(shí)施來看，學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)并不到位[1]。在與學(xué)生訪談中發(fā)現(xiàn)，雖然一些學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)子系統(tǒng)了解得比較深刻，但是對(duì)各個(gè)系統(tǒng)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系了解不深，特別是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體分析上，學(xué)生綜合能力不足，導(dǎo)致課程結(jié)構(gòu)面臨“只見樹木，不見森林”的教學(xué)誤區(qū)?？傮w來說，問題體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

一是教學(xué)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，缺乏知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯銜接與互融。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)多，但課程與課程之間往往缺乏深度關(guān)聯(lián)。各門課程非常注重自身課程的教學(xué)，或者強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)部的系統(tǒng)性分析，忽視不同課程之間的銜接與整合，導(dǎo)致學(xué)生無法獲得完整的系統(tǒng)觀。

二是教學(xué)方法重理論講解，輕計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)的全面整合。課程內(nèi)容講解中，對(duì)相關(guān)理論講得很細(xì)、很深，導(dǎo)致學(xué)生雖然理解了核心概念，但是卻無法將之轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)必備能力。

三是實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于驗(yàn)證，缺乏學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)課程多圍繞計(jì)算機(jī)基本原理，對(duì)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，學(xué)生雖然具備一定的系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)能力，但是缺乏深度整合能力，在面對(duì)有難度的綜合問題時(shí)，暴露出實(shí)訓(xùn)不足等問題，進(jìn)而產(chǎn)生“盲人摸象”的混沌感?？梢姡?jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)需要整合學(xué)科內(nèi)相關(guān)知識(shí)，促進(jìn)課程之間的互通互融，而面向系統(tǒng)能力、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)成為課程改革的必然趨勢(shì)。

2 面向系統(tǒng)能力課程改革的重要性

確立以系統(tǒng)能力為目標(biāo)的人才培養(yǎng)模式，要深刻認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)者，其研究的對(duì)象基于微程序機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級(jí)，所涵蓋的課程主要有“電路技術(shù)”“數(shù)字邏輯電路”“計(jì)算機(jī)組成原理”“微機(jī)原理”“嵌入式系統(tǒng)”等。對(duì)于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，其研究的對(duì)象為操作系統(tǒng)機(jī)器，主要涵蓋“操作系統(tǒng)”相關(guān)課程；對(duì)于匯編語言程序設(shè)計(jì)者，其研究的對(duì)象為匯編語言機(jī)器，課程以“匯編語言”為主；對(duì)于高級(jí)語言設(shè)計(jì)者，其研究的對(duì)象為高級(jí)語言機(jī)器，以及不同的應(yīng)用語言機(jī)器，所涵蓋的課程有“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”“算法設(shè)計(jì)與分析”“Java語言”“數(shù)據(jù)庫技術(shù)”“Linux系統(tǒng)”等。由此看來，針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層級(jí)，所涵蓋的課程結(jié)構(gòu)也有所不同。基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，在課程重構(gòu)中，不論是哪個(gè)層級(jí)的人才都要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能力的養(yǎng)成。

面對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，要讓學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)性，把握好各個(gè)層級(jí)的邏輯關(guān)系。面向未來，隨著多線程、多芯片、多核系統(tǒng)的應(yīng)用，需要學(xué)生能夠基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)化分析，設(shè)計(jì)出更具高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)能力并非讓所有學(xué)生都能夠成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者、研究者，而是要基于計(jì)算機(jī)基本理論和技術(shù)，能夠在系統(tǒng)觀基礎(chǔ)上更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。

3 面向系統(tǒng)能力課程改革的思路

3.1 確立課程改革目標(biāo)以增強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力

立足計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程重構(gòu)目標(biāo)，體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。一是強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的養(yǎng)成。依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改革軟硬件課程協(xié)同教學(xué)方案。圍繞完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)“圖形化+硬件描述語言編程”教學(xué)模式，主要涉及“匯編語言”“計(jì)算機(jī)組成原理”“操作系統(tǒng)”“接口技術(shù)”等課程改革，突出學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和解決問題的能力。二是強(qiáng)調(diào)課程間的邏輯銜接。確立“計(jì)算機(jī)組成原理”為核心課程，將“匯編語言”作為前導(dǎo)課程，“操作系統(tǒng)”作為后續(xù)課程，貫穿“CPU課程設(shè)計(jì)”知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)。優(yōu)化“接口技術(shù)”課程，深入探究“操作系統(tǒng)”軟件特征，讓學(xué)生掌握解決編程問題的能力，使他們能夠勝任較為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。三是注重綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合。打破過去單一目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)課程，注重學(xué)生軟硬件協(xié)同能力的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，引入模塊化理念，基于精簡(jiǎn)型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，重視計(jì)算機(jī)各系統(tǒng)、各部件之間的協(xié)同運(yùn)作，幫助學(xué)生建立整機(jī)觀念。四是搭建以實(shí)際工程為載體的教學(xué)科研項(xiàng)目，促進(jìn)理論與實(shí)踐一體化教學(xué)。面向系統(tǒng)能力，要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念、創(chuàng)新教學(xué)手段、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出真實(shí)項(xiàng)目案例的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生計(jì)算機(jī)工程能力。

3.2 梳理核心課程和知識(shí)點(diǎn)以發(fā)展學(xué)生系統(tǒng)能力

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，根據(jù)人才培養(yǎng)的層次需要優(yōu)化核心課程和教學(xué)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，其核心課程有“計(jì)算機(jī)組成原理”“數(shù)字邏輯電路”“編譯原理”“操作系統(tǒng)”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等，這些課程構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用的基礎(chǔ)。針對(duì)不同的核心課程，要注重課程間的銜接與綜合?！皵?shù)字邏輯電路”課程涵蓋數(shù)字電路、電路技術(shù)等知識(shí)點(diǎn)，包括對(duì)基本電路、元器件的學(xué)習(xí)和對(duì)時(shí)序邏輯的講解等，這些內(nèi)容為后續(xù)展開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?！皵?shù)字邏輯電路”課程在系統(tǒng)化教學(xué)中要將“組合邏輯電路”“時(shí)序邏輯電路”“同步時(shí)序邏輯電路分析”“中大規(guī)模集成電路”等作為重點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生了解布爾代數(shù)和數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)，能夠利用數(shù)字邏輯電路來展開硬件電路分析、設(shè)計(jì)與檢錯(cuò)、調(diào)適等工作。“計(jì)算機(jī)組成原理”課程應(yīng)該將“組合邏輯電路”“時(shí)序邏輯電路”“計(jì)算機(jī)指令集”“偽指令集”等作為教學(xué)重點(diǎn)，讓學(xué)生能夠基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)來認(rèn)識(shí)各系統(tǒng)構(gòu)成部分之間的關(guān)系[2]。如計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，各子系統(tǒng)之間的協(xié)作關(guān)系；抓住總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各功能部件及工作原理，能夠?qū)ⅰ坝?jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)”“編譯原理”“微機(jī)原理”“接口技術(shù)”等課程進(jìn)行綜合運(yùn)用?！安僮飨到y(tǒng)”課程要與“匯編語言”“高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言”相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)基本概念、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方法的學(xué)習(xí)。如處理器管理方法、存儲(chǔ)管理、通信與鎖死、進(jìn)程同步、系統(tǒng)安全與保護(hù)、分布式操作系統(tǒng)、Linux實(shí)例學(xué)習(xí)等。注重“操作系統(tǒng)”課程與其他軟件的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠從操作系統(tǒng)中提高軟件分析、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力?！熬幾g原理”課程位于高級(jí)語言與操作系統(tǒng)之間，主要承擔(dān)高級(jí)語言向匯編語言等目標(biāo)代碼的轉(zhuǎn)換功能。在系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)上，讓學(xué)生能夠深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠運(yùn)用編譯器來完成程序設(shè)計(jì)調(diào)適、編譯工作。教學(xué)知識(shí)點(diǎn)包括詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、目標(biāo)程序調(diào)適與運(yùn)行等。將“編譯原理”課程與高級(jí)語言編程相結(jié)合，幫助學(xué)生夯實(shí)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程主要基于機(jī)器語言，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的概念、原理和分析方法，如計(jì)算機(jī)性能分析、并行處理、并行算法、單芯片多處理器技術(shù)、云計(jì)算、集群技術(shù)等。課程教學(xué)要強(qiáng)調(diào)與“編譯技術(shù)”“編程技術(shù)”“計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)”等課程的銜接，特別是在并行領(lǐng)域，讓學(xué)生能夠掌握并行操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編譯方法。

3.3 搭建實(shí)踐體系培養(yǎng)軟硬件綜合能力

突出學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，要從計(jì)算機(jī)基本能力、專業(yè)能力、綜合能力三方面協(xié)調(diào)好軟件技術(shù)課程、硬件技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)。參照每個(gè)學(xué)段計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)安排，提出“三橫兩縱”綜合實(shí)踐教學(xué)體系。所謂“三橫”，指的是第一年以基礎(chǔ)課程、基礎(chǔ)實(shí)踐能力為主，如“電路與電子技術(shù)”課程，“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課程和與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程；第二年，以專業(yè)課程、專業(yè)實(shí)踐為主，如“計(jì)算機(jī)原理”課程及實(shí)驗(yàn)課程、“操作系統(tǒng)”課程及實(shí)驗(yàn)課程、“算法設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)”課程等；第三年，以“嵌入式系統(tǒng)”課程、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程為主，整合“數(shù)據(jù)庫原理實(shí)驗(yàn)”課程、“編譯原理實(shí)驗(yàn)”課程等，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。所謂“兩縱”，指的是主要從硬件技術(shù)、軟件課程兩個(gè)領(lǐng)域注重學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。如在硬件層面，圍繞“數(shù)字邏輯電路”課程拓展相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生動(dòng)手參與多路選擇器、編碼器、譯碼器、比較器、加法器等電路設(shè)計(jì)[3]；在軟件層面，主要加強(qiáng)軟件類課程的學(xué)習(xí)與程序設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握軟件開發(fā)、軟件調(diào)試、軟件編譯及運(yùn)行管理等能力。

4 結(jié)束語

從系統(tǒng)能力視角重構(gòu)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系，對(duì)教師也提出了更高要求，要把握系統(tǒng)能力育人導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)對(duì)計(jì)算機(jī)類相關(guān)課程的貫通教學(xué)，特別是基于不同層級(jí)引入系統(tǒng)化教育理念和思維，以提高學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等綜合能力。