基于系统能力培养的计算机课程体系改革与实践

2022-07-14胡东华朱付保

软件导刊 2022年7期

张旭，胡东华，朱付保

（郑州轻工业大学计算机与通信工程学院，河南郑州 450000）

0 引言

随着物联网、大数据、人工智能等新型计算机技术的快速发展与广泛应用，企业对掌握计算机核心技术人才的需求与日俱增，不仅要求员工能熟练运用编程语言和算法完成应用系统开发，还强调其应具有计算机系统的完整概念，能以系统级的观念完成软/硬件协同设计的复杂任务。2018 年，新一届计算机类专业教学指导委员会将全面推进系统能力培养作为首批确认的工作重点，高等院校的计算机人才培养模式由编程能力培养向系统能力培养转变，国内众多高校启动了系统能力培养项目研究，探索符合自身条件的教学改革。例如，文献［1］以标准化MIPS 指令系统为中心，利用自主开发的ThinPad 实验平台构建了一个完整的计算机系统；文献［2］通过阶段性综合实验和跨阶段实验链构建实践教学体系，实现了计算机的软硬件物理综合；文献［3］以“一个CPU、一个OS、一个编译器”作为教学目标，阐述了完整的计算机系统课程群的建设方案；文献［4］通过软硬件课程实践将系统能力培养分解为基础能力、专业能力和综合能力的培养，提出“三纵两横”的实践教学体系；文献［5］通过虚拟仿真技术实现了软件一体化实验平台，完成了计算机硬件实验课程的改革；文献［6］详细阐述了系统能力培养课程群（计算机系统基础、数字逻辑、计算机组成原理、操作系统以及编译原理）中实践课程内容的调整和优化方案；文献［7］提出的分层划分流水线CPU 实现方案适用于不同学习能力的学生，具有一定的通用性，为解决系统能力培养中处理器设计教学这一难点提供了有效方法；文献［8］以五段流水线处理器设计为主线，详细论述了计算机组成原理与程序设计、电子技术、操作系统、编译原理等课程的关联性，体现了软硬件协同的思想。

郑州轻工业大学在教学改革过程中以掌握计算机系统的分级结构和核心内容为出发点，根据相关课程内容衔接及与实践课程的关联度，对理论教学内容进行了优化调整，明确了各个课程的教学目标，将教学方法从以知识点为主转换为以系统视角为主。在实践教学中，以龙芯的MIPS 架构处理器+Ubuntu 操作系统+UCC 编译器为统一实践平台，从数字逻辑课程开始贯穿至毕业设计，既培养了学生的系统能力，又提高了其工程能力。

1 教学存在的问题

在工程认证背景下，系统能力培养要求学生深刻理解计算机软件与硬件之间的逻辑层级，掌握微指令集、指令集、操作系统和编译环境对程序执行结果和效率的影响，能够站在系统的高度进行软硬件协同设计，以底层技术解决复杂的实际工程问题。

以编程能力培养为导向的教学活动在计算机类专业人才培养中存在的主要问题包括：①专业基础课缺少统筹规划，重视专业课的建设和作用但弱化了系统构建，系统基础不足；②专业基础课的教学内容和教学目标由授课教师确定，这种“以课程为中心”的教学模式造成各门课程之间缺少衔接，甚至重复或脱节，使学生对计算机系统各个抽象层之间的相互关联以及影响理解不深刻，系统概念不清晰；③专业课程的实践教学活动往往紧密结合教学目标实施，软件类课程实验一般在计算机上完成，硬件类实验通常按照课程的开设情况配置相应的实验箱。实验平台分离使相关课程之间的实验或实训没有关联，实验规模小且多以验证性实验为主，学生无法胜任涉及软/硬件协同设计的复杂任务，系统能力弱。

2 系统能力培养改革措施

面向系统能力培养的教学改革是一个涉及多门课程的综合性工程，需要从教学内容和目标、实验平台、教学手段、持续改进措施等方面开展一系列工作。

2.1 教学目标一体化

计算机系统是一个复杂的由软/硬件组成的整体，其分层结构如图1 所示，除第1 级之外，每一级都向上一层提供必要的支持，其中1-2 级属于计算机硬件，4-6 级属于计算机软件，第3 级操作系统由计算机硬件实现的指令系统构成，一般认为是混合级。基于计算机分层结构的统一视图重新规划计算机类专业的课程体系，将第4 层以下涉及的数字逻辑电路、计算机组成原理、操作系统原理、编译原理作为系统课程群，使学生掌握计算机系统的核心内容和知识点，建立计算机的分层思想；第4 层以上为专业课程群，根据专业方向设置相应专业课，结合具体的计算机应用体现专业特色。该课程体系通过程序员的视角将从计算机底层硬件的实现到上层的计算机应用全部贯通，加强了系统能力培养，体现了OBE（Outcomes-based Education）理念，为学生专业能力培养打下了良好的基础。

Fig.1 Computer hierarchy图1 计算机层级结构

根据系统能力培养要求，传统的以课程知识点为重点的教学方式不再适用，所有课程均以构建计算机系统为教学目标，做到教学目标一体化。为此，课程组对系统课程群的教学内容进行了优化和调整，使每门课程既有独立的教学内容，又能为后续课程提供必要支撑。所有课程的知识点构成一个完整的计算机系统知识体系，使学生从先导课程与后继课程知识点的关联之中深入理解计算机的系统层次结构，从而改变以往课程间相互独立、缺乏直接联系的不足，建立起计算机系统的完整概念。各课程的教学内容与目标见表1。

Table 1 Teaching content and teaching objectives of each course表1 各课程教学内容与目标

2.2 实验平台一体化

一个完整的计算机系统由多个硬件和软件模块组成，硬件部分主要包括中央处理器、存储器、中断管理、接口电路，软件部分包括操作系统、编译器、编辑器等，计算机系统模块的衔接关系如图2 所示。由学生实现一个完整的计算机系统难度大、周期长，故在不同课程的实践环节中有计划地分步实现计算机系统模块，然后在基于FPGA 的统一实验平台上将各个课程的实验结果进行集成和综合，最终实现计算机系统，这样不仅能够解决原本独立的每一门课程实验项目规模小、课程之间实验内容缺少关联的问题，还能提高实践环节的可执行性，使学生掌握计算机系统的设计和实现方法，培养其系统观，同时也使其产生成就感，体会到学习的快乐。

相关课程的实践教学过程统一在龙芯的CPU FPGA实验教学平台上完成，分为3 个阶段：①通过系统课程群的实验，在FPGA 开发板上搭建一个基于MIPS 架构处理器+Ubuntu 操作系统+UCC 编译器的计算机系统平台，使学生掌握计算机系统核心内容，各个课程的实践教学内容和目标如表2 所示；②学生在实训期间利用第一阶段实现的平台和输入输出接口模块，结合相关专业课知识进行计算机应用系统开发，要求体现专业特色，达到学以致用、用中促学的效果；③在毕业设计期间，对不同专业学生进行分组，分工合作，设计和实现一个涉及计算机系统软/硬件的复杂工程问题解决方案，如此有助于培养学生的系统层次视野和大工程观，也有助于培养团队精神。

在实践教学实施过程中，各课程组定期组织教学研探讨会，对实验大纲和内容持续改进，逐步形成前期培养系统能力、中期培养专业能力、后期培养工程能力的实践教学体系。

Fig.2 Connection relationship of computer system module图2 计算机系统模块的衔接关系

Table 2 Practice teaching contents and goals表2 实践教学内容与目标

2.3 线上线下混合教学手段

在基于系统能力培养的教学过程中，相关课程的教学内容较传统教学内容进行了调整并且难度增大。单纯的线下教学面临着学时数不足、教学内容无法展开、学生问题得不到及时解答等多种问题。为解决教学改革面临的问题，数字逻辑电路、计算机组成原理、操作系统原理课程均在爱课程平台开设了独立SPOC，采用线上线下结合的混合教学模式，线上提供重点、要点和难点的相关教学视频，以及课件等自学资源，并添加了作业、测试等对学生的学习情况进行跟踪评价；线下除传统教学外，利用慕课堂等工具进行签到、随堂测试等教学活动，充分利用线上教学无时间和空间限制的优势，补充教学内容，培养学生的自学能力，及时掌握学生的学习状态，进而调整教学进度和教学内容。调查问卷反馈显示，87%的学生表示引入线上教学后的混合教学方式对学习有很大帮助，自身自学能力、表达能力、总结分析能力等均得到了培养和提高。

2.4 企业导师制度和工程项目案例实践教学

在系统能力培养过程中，教师团队的工程能力起到至关重要的作用，但普通本科高校中具有工程背景、工程实践经验的双师型教师很少。为了提升实践教学环节的教学质量，达到工程能力培养的最终目标，学院与中科龙芯、新开普等国内知名企业建立了稳定的合作关系，一方面聘请企业的资深技术人员作为企业导师，在培养目标、教学大纲的制定和实践教学项目的审定方面给予指导性建议，同时对学生在实验过程中出现的问题进行线上指导；另一方面在综合性实训和毕业设计过程中，以专业培养方案和毕业要求为标准，将企业的实际工程案例导入实践环节作为课程资源包，由企业工程师将工程项目案例融入教学环节，与学生团队和教师行技术交流，能有效保证实践教学环节的系统性、工程性和延续性。问卷反馈显示，91%的学生表示企业导师制度对提升实验在线指导效率、了解企业项目真实需求有重要意义。

2.5 持续改进机制

OBE 也称为产出导向，是当前国际上高等工科教育普遍采用的一种先进教学理念，其核心理念是以学生为中心、产出为导向持续改进。采用OBE 教学理念能有效提升学生的系统能力和专业能力。

在系统能力培养过程中，各个课程的教学均以学生为中心，最终目标是使学生动手实现一个中央处理器（CPU）、一个操作系统（OS）和一个编译器，最终组成计算机系统，在此基础上根据各个课程的理论教学和实践教学目标建立3层评价和反馈机制。

第1 层评价机制主要用于课程内改进。评价依据为课程目标达成度评价报告，报告中的课程目标达成度由学生的作业、期末考试单题分数、实验成绩等按照一定的权重综合计算得到，评价责任人为任课教师。任课教师可根据课程目标达成情况，找出学生在学习过程中的薄弱点，进而改进教学方法或授课重点，提高教学质量。

第2 层评价机制用于课程组间改进。在期中和期末向学生发放调查问卷，对先导课程的知识点是否掌握、未掌握的原因等进行调查并统计反馈，评价责任人为课程组组长。如果课程组组长根据多个班级的调查反馈数据判断为先导课程的教学问题，则召开课程组的教学研探讨会，优化和调整相关课程组的教学内容和教学重点，做好教学支撑。

第3 层评价机制用于课外改进。由于现代计算机知识不断更迭，新的计算机技术与系统架构不断出现，为保证计算机系统能力培养能够适应社会需求，在系统能力课程群授课一个周期后，学院通过用人单位反馈、走访专家和工程技术人员等形式，结合自身人才培养方案，调整课程教学大纲和实验教学方案，构建符合工程需求的计算机系统能力培养体系。

3 系统能力培养改革成效

郑州轻工业大学紧密结合计算机教学指导委员会关于系统能力培养的要求，同时结合自身实际情况，于2019年启动计算机系统能力培养项目，对未启动教改的2017级学生和启动教改的2018 级学生每门课程的实验完成率进行了统计，并通过调查问卷方式对学生的学习效果进行了反馈，结果如表3所示。

Table 3 Teaching reform achievements表3 教学改革效果（%）

由于学生FPGA 编程水平不足，加之处理器结构复杂，操作系统源代码规模大，编译器实现难度高，实验过程中虽然采用了模块替代法，但实验完成率在教改后还是有所下降，但学习效果满意度得到了提升，主要原因为：①基于计算机系统视角的教学方法增强了课程知识点的相互关联与融合，能有效协助学生建立计算机系统的分层概念，掌握现代计算机技术；②采用统一的实验平台，实验成果逐层递进，实现了计算机软硬件的物理综合，培养了学生解决涉及软/硬件协同设计复杂工程问题的系统观和团队合作能力，符合新工科和工程认证的要求，同时能激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

此外，教学改革项目组的教师通过交流和学习，掌握了国内外先进的教学理念和方法，提高了教学水平，形成了教学成果，为项目的进一步推动打下了基础。