面向系统能力培养计算机专业课程改革探讨

2022-02-18刘会琴

科技创新与生产力 2022年2期

刘会琴

（抚州职业技术学院，江西抚州 344000）

计算机系统能力可以表述为运用系统观理念促进计算机软硬件协同运作的综合能力。从计算机行业发展趋势来看，越来越多的软硬件技术应用都需要运用系统观理念，从系统认知、设计、开发、应用等方面，做好各部分之间的抽象关联与相互促进。因此，探究计算机系统、计算机各相关课程之间的内在协同与逻辑关系，关注学生系统能力培养成为业界共识。计算机系统能力作为计算机科学与技术专业4项必备专业能力之一，各重点高校都在积极探索系统能力培养的实践路径，如清华大学提出的以“MIPSCPU”为核心的一体化教学实验平台，东南大学提出的以“MiniSys-1A CPU”为核心的软硬件综合实训平台等都取得了良好教学成效。由此，立足抚州职业技术学院实际，面向系统能力培养目标，提出计算机专业课程重构建议。

1 现有学科课程体系的应用现状

提高人才培养质量，要全面对接行业发展需求。计算机科学与技术专业要求学生具备较高的系统能力。现有的课程结构体系虽然也设置了与计算机系统能力培养相关的课程，但这些课程相对独立，如“数字逻辑电路”“计算机系统结构”“计算机组成原理”“编译原理”“操作系统”“汇编语言”等课程，系统关联性不够。计算机科学与技术课程教学的总体目标是培养具备计算机系统能力的高素质应用型人才，但从现有的课程实施来看，学生系统能力的培养并不到位[1]。在与学生访谈中发现，虽然一些学生对计算机系统相关子系统了解得比较深刻，但是对各个系统之间的内在逻辑关系了解不深，特别是基于计算机系统的整体分析上，学生综合能力不足，导致课程结构面临“只见树木，不见森林”的教学误区。总体来说，问题体现在以下三点。

一是教学内容相对独立，缺乏知识点之间的逻辑衔接与互融。计算机科学与技术学科，相关课程知识点多，但课程与课程之间往往缺乏深度关联。各门课程非常注重自身课程的教学，或者强调课程内部的系统性分析，忽视不同课程之间的衔接与整合，导致学生无法获得完整的系统观。

二是教学方法重理论讲解，轻计算机系统知识点的全面整合。课程内容讲解中，对相关理论讲得很细、很深，导致学生虽然理解了核心概念，但是却无法将之转换为计算机必备能力。

三是实验教学侧重于验证，缺乏学生综合设计与系统应用。实验课程多围绕计算机基本原理，对原理进行简单验证，学生虽然具备一定的系统开发与设计能力，但是缺乏深度整合能力，在面对有难度的综合问题时，暴露出实训不足等问题，进而产生“盲人摸象”的混沌感。可见，计算机系统能力的培养需要整合学科内相关知识，促进课程之间的互通互融，而面向系统能力、优化课程结构成为课程改革的必然趋势。

2 面向系统能力课程改革的重要性

确立以系统能力为目标的人才培养模式，要深刻认识到计算机系统多级层次结构的特点。对于硬件设计者，其研究的对象基于微程序机器级、传统机器语言机器级，所涵盖的课程主要有“电路技术”“数字逻辑电路”“计算机组成原理”“微机原理”“嵌入式系统”等。对于操作系统设计者，其研究的对象为操作系统机器，主要涵盖“操作系统”相关课程；对于汇编语言程序设计者，其研究的对象为汇编语言机器，课程以“汇编语言”为主；对于高级语言设计者，其研究的对象为高级语言机器，以及不同的应用语言机器，所涵盖的课程有“数据结构”“高级语言程序设计”“算法设计与分析”“Java语言”“数据库技术”“Linux系统”等。由此看来，针对计算机系统不同层级，所涵盖的课程结构也有所不同。基于系统能力培养目标，在课程重构中，不论是哪个层级的人才都要强调系统能力的养成。

面对计算机系统，要让学生深刻领会计算机系统的整体性、系统性，把握好各个层级的逻辑关系。面向未来，随着多线程、多芯片、多核系统的应用，需要学生能够基于计算机系统的系统化分析，设计出更具高性能的计算机软硬件系统。因此，系统能力并非让所有学生都能够成为计算机系统的设计者、研究者，而是要基于计算机基本理论和技术，能够在系统观基础上更好地发挥计算机系统性能。

3 面向系统能力课程改革的思路

3.1 确立课程改革目标以增强学生系统设计能力

立足计算机科学与技术学科，面向系统能力培养的课程重构目标，体现在以下4个方面。一是强调学生综合实践能力的养成。依托计算机系统设计，改革软硬件课程协同教学方案。围绕完整的计算机系统构成，实现“图形化+硬件描述语言编程”教学模式，主要涉及“汇编语言”“计算机组成原理”“操作系统”“接口技术”等课程改革，突出学生系统设计、工程实践和解决问题的能力。二是强调课程间的逻辑衔接。确立“计算机组成原理”为核心课程，将“汇编语言”作为前导课程，“操作系统”作为后续课程，贯穿“CPU课程设计”知识，增强学生对计算机指令系统的直观认识。优化“接口技术”课程，深入探究“操作系统”软件特征，让学生掌握解决编程问题的能力，使他们能够胜任较为复杂的系统设计工作。三是注重综合性实验项目整合。打破过去单一目标的实验课程，注重学生软硬件协同能力的培养。在实验内容上，引入模块化理念，基于精简型计算机结构，重视计算机各系统、各部件之间的协同运作，帮助学生建立整机观念。四是搭建以实际工程为载体的教学科研项目，促进理论与实践一体化教学。面向系统能力，要转变教学观念、创新教学手段、优化教学内容，突出真实项目案例的学习与实践，增强学生计算机工程能力。

3.2 梳理核心课程和知识点以发展学生系统能力

计算机系统能力，根据人才培养的层次需要优化核心课程和教学知识点内容。围绕系统能力培养目标，其核心课程有“计算机组成原理”“数字逻辑电路”“编译原理”“操作系统”“计算机系统结构”等，这些课程构成了计算机系统设计、应用的基础。针对不同的核心课程，要注重课程间的衔接与综合。“数字逻辑电路”课程涵盖数字电路、电路技术等知识点，包括对基本电路、元器件的学习和对时序逻辑的讲解等，这些内容为后续展开计算机系统设计奠定了基础。“数字逻辑电路”课程在系统化教学中要将“组合逻辑电路”“时序逻辑电路”“同步时序逻辑电路分析”“中大规模集成电路”等作为重点内容，让学生了解布尔代数和数字逻辑电路的特点，能够利用数字逻辑电路来展开硬件电路分析、设计与检错、调适等工作。“计算机组成原理”课程应该将“组合逻辑电路”“时序逻辑电路”“计算机指令集”“伪指令集”等作为教学重点，让学生能够基于计算机系统整体结构来认识各系统构成部分之间的关系[2]。如计算机运行过程中，各子系统之间的协作关系；抓住总线系统结构各功能部件及工作原理，能够将“计算机硬件与操作系统”“编译原理”“微机原理”“接口技术”等课程进行综合运用。“操作系统”课程要与“汇编语言”“高级程序设计语言”相结合，强化学生对操作系统基本概念、操作系统设计原理和方法的学习。如处理器管理方法、存储管理、通信与锁死、进程同步、系统安全与保护、分布式操作系统、Linux实例学习等。注重“操作系统”课程与其他软件的学习与设计，让学生能够从操作系统中提高软件分析、设计和创新能力。“编译原理”课程位于高级语言与操作系统之间，主要承担高级语言向汇编语言等目标代码的转换功能。在系统能力培养目标上，让学生能够深刻理解计算机系统结构，能够运用编译器来完成程序设计调适、编译工作。教学知识点包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、目标程序调适与运行等。将“编译原理”课程与高级语言编程相结合，帮助学生夯实软件设计、系统开发基础。“计算机系统结构”课程主要基于机器语言，让学生认识与计算机系统结构相关的概念、原理和分析方法，如计算机性能分析、并行处理、并行算法、单芯片多处理器技术、云计算、集群技术等。课程教学要强调与“编译技术”“编程技术”“计算机硬件结构”等课程的衔接，特别是在并行领域，让学生能够掌握并行操作系统设计与编译方法。

3.3 搭建实践体系培养软硬件综合能力

突出学生计算机系统能力，要从计算机基本能力、专业能力、综合能力三方面协调好软件技术课程、硬件技术课程实践教学。参照每个学段计算机专业相关课程的教学安排，提出“三横两纵”综合实践教学体系。所谓“三横”，指的是第一年以基础课程、基础实践能力为主，如“电路与电子技术”课程，“高级语言程序设计”课程和与之相关的实验课程；第二年，以专业课程、专业实践为主，如“计算机原理”课程及实验课程、“操作系统”课程及实验课程、“算法设计与分析实验”“数据结构实验”课程等；第三年，以“嵌入式系统”课程、“微机原理与接口技术”课程为主，整合“数据库原理实验”课程、“编译原理实验”课程等，培养学生的综合能力。所谓“两纵”，指的是主要从硬件技术、软件课程两个领域注重学生计算机系统能力的培养。如在硬件层面，围绕“数字逻辑电路”课程拓展相关实验课程，让学生动手参与多路选择器、编码器、译码器、比较器、加法器等电路设计[3]；在软件层面，主要加强软件类课程的学习与程序设计，让学生掌握软件开发、软件调试、软件编译及运行管理等能力。