工程认证为导向的计算机组成与结构课程改革

施 展，钱 瑛，韩 磊

（南京工程学院 计算机工程学院，江苏 南京 211100）

0 引言

近年来，随着我国经济水平及综合国力的不断提升，对高等人才数量和质量的需求日益增强。作为一个工程教育大国，我国已于2016 年6月成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》第18 个正式会员国[1]。实施专业教育认证不仅有助于国际间专业及其培养人才的相互认可[2-3]，而且有利于加快高校工科专业依照国际工程教育先进理念进行教育教学改革，与发达国家工程人才培养模式接轨[4]。这意味着我国工程教育将逐步规范化、标准化、国际化。

工程教育专业认证的核心内涵是构建“以学生为中心、产出为导向”的人才培养体系，并突出持续改进[5]，其关键教育理念是显著增强学生的动手能力，解决实际问题能力以及工程实践能力。计算机科学与技术专业具备较强的工程背景，无论是理论教学还是实践环节都应充分遵循工程教育的原则与方法，以学生为主体，不断提升其实践操作能力。计算机组成与结构课程是计算机相关专业本科生的专业核心课程，主要学习计算机硬件系统中五大部件的基本结构、工作原理及实现方法，在课程体系中起着承上启下的重要作用。在教学中应在分析课程教学中存在的主要问题基础上，探索课程的教学改革模式，不断尝试理论教学与实践环节有机结合的教学方法，以满足工程教育认证的要求。

1 教学中存在的主要问题

目前，高校计算机科学与技术及其相关专业的计算机组成与结构课程在教学过程中存在着不少问题，主要有以下几个方面。

1）相关课程基础薄弱。

一般来说，在教学内容上计算机组成与结构课程的先导课程是计算机导论、数字电路与硬件描述语言或数字逻辑等，这些课程之间的知识存在密切的关联性，而不少计算机科学与技术及其相关专业的学生，往往“喜软怕硬”，特别是对数字电路、硬件描述语言等内容理解不深入、掌握不扎实，导致前期课程基础薄弱，使计算机组成与结构课程的学习有一定困难。

2）课程内容抽象，学生难以掌握。

计算机组成与结构是一门承上启下的课程，其涵盖的知识面宽、涉及内容多、课程跨度大，并且很多概念和方法都是芯片层面的，具有相当的抽象性，比如机器码的定义、运算，指令的格式、寻址方式，存储系统的字位扩展，微程序控制器结构、实现方式等。这些内容单凭课本、PPT 等方式讲解，很难让大多数学生掌握。

3）实践环节效果较差。

计算机组成与结构课程主要讲授计算机基本工作原理、硬件的基本结构和应用，很多知识内容除了理论学习以外，还需要进一步通过实践操作验证和理解。根据这一特点，在课程教学过程中要注重理论和实验紧密联系，理性认识和感性认识相互结合，才能保证学生的学习质量。传统的计算机组成与结构课程的实验设备是在开放的电路板上用插线方式搭建逻辑电路，学生通过互联对应的引脚构成特定的数据通路。这种方法虽然可以直观地显示计算机内部结构和运行情况，但无法编写程序，难以在实际开发中应用。目前，随着硬件技术的不断发展，越来越多的高校计算机组成与结构实验课采用了基于FPGA 的实验装置。比如清华大学设计了基于FPGA 的开放式教学的CPU 设计与测试系统综合实验平台[6]；南京大学和东南大学硬件教学通过Altera DE2 实验板开展基于硬件描述语言和 FPGA 的CPU 设计；浙江大学计算机组成原理课程的实验选用Xinlix NS3 的 FPGA 开发板完成[7]。这种方式对非计算机专业的学生来说，因为没有前期硬件描述语言、电子电路等基础，一时难以理解与接受；而对计算机专业的学生来说，也往往仅是按照教师的要求，参照实验指导书，完成验证性实验，对所学的知识点仍然是一头雾水，缺乏思考，不利于培养学生的创新能力。

4）教学方法单一，学生兴趣不高。

虽然目前高校基本都采用现代化的教学手段，但是计算机组成与结构课程内容非常抽象、理解难度大，很多内容往往涉及计算机芯片内部的运行情况。如果仅凭借课本、PPT 以及课堂讲授等形式进行“填鸭式”或者“满堂灌”等方式的教学，则缺少直观、形象的教学手段，学生的学习积极性不高，并且对知识理解、掌握的难度也会加大。另外，单一的教学方法也容易使学生逐渐对课件产生过分的依赖，进而导致其缺乏自主学习的积极性，不利于教学效果的达成。

2 工程认证导向下的课程改革

工程教育专业认证坚持以能力为导向的认证理念，在教学过程中，突出以学生学习为中心，传授知识、培养能力和养成素质。为了能实现这些目标，必须注重课程改革与建设，尤其是专业核心课程的进一步优化对于人才培养的质量更是至关重要。同时，专业认证采用OBE（Outcome Based Education）思想，强调首先要明确学习成果或毕业要求，而后按照毕业要求安排教学活动，并对毕业要求的达成情况进行评价。这种以成果或者能力为导向的教学设计要遵循反向设计原则。为了更好地适应工程教育认证的要求，需要对计算机组成与结构课程进行再梳理，进而优化课程教学目标、改进教学方法、增强实践环节、提升学生自主学习能力、改革考核方式。以能力为导向的计算机组成与结构课程改革的总体思路见图1。

图1 课程改革基本思路

2.1 优化课程教学目标

课程的教学大纲是执行人才培养方案和实现人才培养目标的指导性文件，是组织课程教学、检查学生学习效果和评价教师教学质量的重要依据，也是课程建设和教学评估的重要内容。对于教学大纲，其中的课程目标起到统领大纲、指明方向的关键作用。计算机组成与结构课程目标的优化是工程教育认证下课程改革的基础和必要环节，要与毕业要求达成一致。因此，确定课程目标与毕业能力对应关系表，见表1。

根据认证标准中关于计算机专业毕业的12条要求，我们将课程目标、课程任务等分为7 个方面，分别支撑毕业要求中的相关指标点，从而使课程目标从传统的“传授知识”转变为“培养能力”。

2.2 完善课程教学内容

课程的教学内容是教学大纲的重要组成部分，在依照工程教育专业认证要求确定课程目标之后，应进一步完善课程的教学内容，以更好地实现以能力为导向的教学，为此，可从以下几个方面着手。

1）适当取舍，完善内容。

一般来说，开设计算机组成与结构课程的对象是计算机科学与技术及其相关专业的本科生，使用由清华大学出版社或高等教育出版社等出版的相关教材。针对传统课程的内容，结合工程教育专业认证、学校等方面的要求，我们将教学目标对各项毕业要求指标点的支撑细分到每一章节或某些章节中，并对传统教学内容进行适当取舍，给出相应知识点的掌握程度和教学手段，从而进一步确定授课过程中课堂教学内容和要求。

2）加强知识衔接，构建整体认知。

计算机组成与结构这门课程主要介绍计算机各个组成部分及其工作原理，属于偏硬件方面的课程。该课程的先导课主要有计算机导论、数字电路等课程；而其本科阶段后续课有计算机网络原理、操作系统等。这些课程之间知识衔接紧密，例如在学习加法器、存储器的硬件电路中，将涉及数字电路的相关知识和如何由硬件描述语言进一步设计相应部件，也会涉及高级语言程序的相关知识；在学习存储系统过程中，Cache、内存和虚拟存储器的知识与操作系统中的存储管理之间相互联系、互为补充。因此，在授课过程中，如果仅仅讲解课程本身内容，学生很难理解相关课程之间的联系，也不利于掌握该课程知识，更难以建立对计算机系统的理解。为了解决这些问题，我们尝试加强课程之间知识衔接，构建学生对计算机系统的整体认知。

3）融入前沿知识，开阔学生视野。

在计算机组成与结构课程教学中，不仅强调重点基础知识的讲授，而且适当融入学科前沿知识、硬件成果以及研究热点，引导学生学会关注领域动态，可以弥补传统教学的不足，极大地提高学生学习兴趣，让学生体会学以致用的成就感，并以此为动力形成终身学习的能力。

4）采用多元教学方法，提升学生学习质量。

课程教学在实施过程中，既要让学生牢固掌握知识，又要提升学生的能力和素养。为此，在教学中应以学生为中心，改进教学效果，针对不同的教学内容采用多元化的教学方法，比如案例式、问题驱动式、启发式及参与式等模式，以打破传统的“填鸭式”或“灌输式”教学方式，提高学生的学习积极性和主动性。例如，根据计算机组成与结构的课程目标与教学内容，设置多种类型的实践任务，学生以小组形式完成相应的科研内容，并在课堂上进行介绍，从而使学生能够将课堂讲授内容与实际应用紧密结合，达到理论联系实际的目的，同时训练了学生的实践动手能力、团队合作能力以及沟通表达能力等。

表1 课程目标与毕业支撑对应表

2.3 加强课程实践环节

根据工程教育专业认证的理念，课程实践环节的目标不仅是对已学知识的验证，还要培养学生的实践动手能力以及根据所学知识解决复杂工程问题的能力。因此，对于计算机组成与结构课程，应加强其课内上机实践环节，从而深化课堂教学的效果。在上机实验中，尝试建立以验证性实验为基础、设计性实验为主导、综合性实验为引领的实践模式，以提升学生的学习兴趣和动手能力以及合作沟通能力。在课程初始阶段，将每班学生分成若干小组，由组长负责，分工协作，有步骤、有计划地共同完成相应的上机实验。验证型实验强调学生编写基础程序、调试程序的能力；在此基础上，进一步完成设计型实验，该类型的实验以设计单元部件为目标，强化学生对课堂理论的理解；最后，将设计型实验的结果进一步扩展成综合型实验，即单周期CPU 系统的设计与实现，以训练学生查阅文献、搜集资料，进而增强分析问题和解决问题的能力。

2.4 改进课程考核制度

课程考核不仅是检验学生学习效果的试金石，也是检验教学质量、教学效果的主要方式。一般来说，学生的本门课程成绩主要由平时成绩、期末考试成绩以及实验成绩组成，虽然这种考核方式考虑了一定的过程评价因素，但在工程教育专业认证的导向下，这种考核模式有不少弊端，不能很好地对学生的相关能力进行评价。为改进课程考核制度，应采用教学过程中的全程化考核方法，采用分阶段、分目标、分形式，以达到对学生学习过程和能力培养的多方面考核。首先，应根据课程目标、课程内容、课程任务以及对应支撑的指标点来确定相应部分的分数值、考核形式、评分依据等内容。总体来说，课程成绩可由下面几部分组成：理论考试成绩、课堂表现、作业成绩、问题分析能力、实验动手能力、书写报告能力、团队协作能力和表达能力等。这些部分的占比权重，可以结合学校要求、课程目标、学生情况等进行合理分配。其中，问题分析能力、实验动手能力、团队协作能力和表达能力可以在实践环节进行考核，通过每个实验小组对实验过程、步骤、遇到问题的解决办法和实验效果演示等方面的自我说明，再结合教师的随机提问，从而给出相应的能力考核结果。

3 结语

以工程教育认证为导向的计算机组成与结构课程改革有利于提升教学质量，优化教学过程。这项工作也是一个不断思考、探索的过程。针对目前计算机组成与结构课程存在的主要问题，笔者提出工程教育认证下的课程改革主要思路及其步骤，结合工程教育专业认证、学校等方面的要求，通过认真梳理，优化课程目标、完善课程内容、加强课程实践以及改进课程考核制度，使学生更好地理解和掌握了计算机整体系统的概念，提升了学生解决复杂工程问题的能力。