計算機專(zhuān)業(yè)系統能力培養探索論文

　　摘要：在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，培養具備系統能力的計算機專(zhuān)業(yè)人才已成為國內外教育專(zhuān)家的普遍共識，但如何在應用型計算機專(zhuān)業(yè)中實(shí)施仍然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。結合應用型本科轉型改革，闡述了在計算機系統課程體系、教學(xué)內容、教學(xué)方式等方面的探索過(guò)程，將系統能力培養落實(shí)到計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中。

　　關(guān)鍵詞：系統能力培養；應用型計算機專(zhuān)業(yè)；教學(xué)改革

　　1概述

　　隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數據等新一代信息技術(shù)的興起，大量智能硬件如智能手機、傳感器、電子標簽、可穿戴設備等進(jìn)入到人們日常生活中，計算機科學(xué)與計算機產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，需要一大批“綜合應用硬件和軟件進(jìn)行計算機系統設計”的卓越工程師。因此，對計算機專(zhuān)業(yè)人才的培養要求正在由“程序”設計向“系統”設計層面轉移。ACM和IEEE聯(lián)合公布的CS2013計算機科學(xué)課程指南特別強調加強系統能力的培養。教育部高等學(xué)校計算機類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導委員會(huì )提出：計算機專(zhuān)業(yè)人才應具備四大專(zhuān)業(yè)能力，包括計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實(shí)現能力、系統能力，其中系統能力占總能力點(diǎn)的75%。因此，在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，培養具備系統能力的計算機專(zhuān)業(yè)人才已成為國內外教育專(zhuān)家的普遍共識。吉林大學(xué)珠海學(xué)院是廣東省普通本科高校向應用型本科高校轉變的試點(diǎn)單位，順應產(chǎn)業(yè)轉型升級和創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展需求，圍繞區域經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展戰略重點(diǎn)，實(shí)施了面向系統能力培養的計算機專(zhuān)業(yè)應用型人才培養模式，糾正學(xué)生“欺軟怕硬”的學(xué)習觀(guān)念，提高學(xué)生軟硬件協(xié)同設計的能力，培養學(xué)生成為一名具有系統能力的“軟硬件貫通”的計算機專(zhuān)業(yè)創(chuàng )新人才。

　　2課程體系的構建

　　計算機專(zhuān)業(yè)傳統課程體系是按照層次結構劃分各門(mén)課程，無(wú)意中割裂了計算機系統各個(gè)層次之間的關(guān)聯(lián)，客觀(guān)上導致了每門(mén)課程只是關(guān)注各自的知識體系的完整性，課程講授內容是相互獨立的。學(xué)生雖然學(xué)習了各門(mén)課程中計算機系統的相關(guān)知識，但是就如“盲人摸象”一樣，很難形成一個(gè)對計算機系統的整體認識。所以面向系統能力培養的課程體系需要重構培養學(xué)生對計算機系統認知、分析、設計和應用能力的教學(xué)模塊，其中最關(guān)鍵就是要求學(xué)生能以程序員的視角理解計算機硬件設計，從硬件設計者的角度理解程序的執行，掌握計算機系統各抽象層的實(shí)現及其相互轉換機制、計算機軟硬件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相互影響。我們分析了應用型計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生所需知識結構，堅持“因材施教，分類(lèi)指導”的指導方針，制訂了注重系統能力培養的課程體系：一是專(zhuān)業(yè)基礎課程，如數字邏輯設計、程序設計基礎等；二是專(zhuān)業(yè)核心課程，如計算機組成與結構、操作系統、計算機系統綜合課程設計等；三是專(zhuān)業(yè)應用課程，如嵌入式系統設計、嵌入式操作系統、智能手機軟件設計、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)等。作為一所應用型本科高校，考慮學(xué)生實(shí)際情況和培養目標，沒(méi)有設置編譯原理、形式語(yǔ)言與自動(dòng)機等理論性較強的課程。

　　3課程教學(xué)內容的調整

　　計算機系統由于涉及多門(mén)計算機專(zhuān)業(yè)的軟、硬件課程，知識體系龐大，各門(mén)課程的教學(xué)內容交叉多。所以計算機系統能力建設需要多門(mén)課程之間的銜接與聯(lián)動(dòng)，僅僅對某一門(mén)課程進(jìn)行教學(xué)內容調整并不能取得良好效果，我們確定要以數字邏輯設計、計算機組成與結構、操作系統等課程作為主線(xiàn)，將所有與計算機系統密切相關(guān)的課程都有機串聯(lián)融合起來(lái)，構建基于課程群的系統能力建設模式。課程教學(xué)內容的調整思路是：從程序設計視角出發(fā)，改變傳統軟硬件分離的教學(xué)方法，理順各層次課程之間的銜接關(guān)系，改變各門(mén)課程知識結構離散、部分內容重疊的現象，給學(xué)生提供了一個(gè)完整而清晰的學(xué)習路線(xiàn)。數字邏輯設計課程的教學(xué)重點(diǎn)在邏輯器件應用和數字系統設計能力。因此，以組合邏輯與時(shí)序邏輯作為基礎，加入FPGA設計知識，引入EDA設計工具和Verilog硬件描述語(yǔ)言，加強以計算機功能部件作為設計實(shí)例的教學(xué)，能設計基本邏輯部件與組件如編碼器、譯碼器、計數器、寄存器、多路選擇器、算術(shù)邏輯運算單元等，掌握復雜系統狀態(tài)機設計能力和時(shí)序分析能力，為計算機系統的設計打下基礎。計算機組成與結構課程重點(diǎn)解析計算機硬件系統基本組成、運行原理和協(xié)同工作機制，分析計算機組成對系統性能的影響，闡述計算機系統的基本設計方法，幫助學(xué)生建立計算機整機系統的概念。課程教學(xué)需增加有關(guān)計算機硬件系統、操作系統、軟件系統如何協(xié)同工作的知識點(diǎn)，例如將指令執行過(guò)程和異常、中斷、存儲訪(fǎng)問(wèn)、I/O訪(fǎng)問(wèn)等重要概念和技術(shù)結合起來(lái)進(jìn)行介紹；講述與程序設計有密切關(guān)系的體系結構內容，如數據表示、信息存放、操作數尋址、過(guò)程調用、程序訪(fǎng)問(wèn)局部性等。操作系統課程的理論教學(xué)定位于操作系統的組成及運行機理，側重從系統軟件角度管理計算機軟硬件資源，以L(fǎng)inux為例講述操作系統的基本概念和方法、設計原理和實(shí)現技術(shù)，主要內容包括進(jìn)程管理、內存管理、文件系統、設備管理、系統調用與中斷處理、任務(wù)調度和切換等知識點(diǎn)，特別需強調軟硬件依賴(lài)關(guān)系和協(xié)同工作機制，即操作系統與CPU之間在中斷、同步等方面的銜接關(guān)系。

　　4課程教學(xué)方式的改革

　　計算機系統課程如果按照傳統教學(xué)方式，一般是先在課堂講授相關(guān)理論知識，再到實(shí)驗室做實(shí)驗。由于計算機系統各層次課程涉及的知識點(diǎn)十分繁雜而抽象，學(xué)生只會(huì )越學(xué)越覺(jué)得計算機系統高深莫測，既枯燥無(wú)味又不容易掌握，久而久之就會(huì )產(chǎn)生對硬件的畏難情緒，而且在實(shí)驗之前還需要花費時(shí)間進(jìn)行復習。計算機系統課程教學(xué)借鑒CDIO工程教育模式，以解決“教師本位”向“學(xué)生本位”轉變的問(wèn)題，將課堂教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)融為一體，采用“做中學(xué)”和“按需教”的教學(xué)組織模式。其目的就是通過(guò)對計算機系統課程的教學(xué)與實(shí)驗環(huán)節的一體化設計，綜合設計教學(xué)與實(shí)驗內容，使學(xué)生在“做”的過(guò)程中，通過(guò)自己的動(dòng)手體驗，通過(guò)自己對知識的獲取、歸納與總結，能夠深刻理解計算機系統整體概念，獲得遠超課堂教學(xué)的教學(xué)效果。計算機系統課程將采用“項目驅動(dòng)、案例導向”的教學(xué)模式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，以計算機系統設計項目為手段，采用FPGA+ARM+Linux作為統一實(shí)驗平臺，按照“基本邏輯部件、計算機功能部件、計算機綜合系統”的思想逐層開(kāi)展，將計算機系統設計實(shí)踐完整地貫穿于各層次課程之中，構建了一個(gè)階段化、層次化、系統化的教學(xué)實(shí)驗體系，形成“學(xué)習、構思、設計、實(shí)現”的CDIO工程教育完整過(guò)程。首先，數字邏輯設計課程需要從門(mén)電路開(kāi)始來(lái)設計基本邏輯部件如譯碼器、選擇器、寄存器等，使學(xué)生能熟悉EDA設計的全過(guò)程；然后，計算機組成與結構課程通過(guò)計算機功能部件如運算器、控制器、存儲器和I/O接口的設計，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力；最終，計算機系統綜合課程設計則增加指令系統、中斷、數據通路的設計，并將計算機各功能部件通過(guò)總線(xiàn)互聯(lián)為一個(gè)完整的計算機系統，使學(xué)生全面理解計算機系統層次結構，理清軟硬件之間的聯(lián)系，加深對計算機整個(gè)系統的理解。

　　5結論

　　在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，計算機專(zhuān)業(yè)人才培養由強調程序設計變?yōu)閺娬{系統設計，學(xué)生是否能夠建立計算機系統觀(guān)、具備計算機系統設計能力是計算機專(zhuān)業(yè)創(chuàng )新人才培養關(guān)鍵標志。我們根據學(xué)校發(fā)展定位、師資學(xué)生情況和課程建設現狀，重新規劃計算機系統課程體系，調整優(yōu)化教學(xué)內容和教學(xué)方式，將系統能力的培養落實(shí)到計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中。計算機系統能力的培養是一項系統工程，面向系統能力培養的教學(xué)改革仍需要在實(shí)施過(guò)程中不斷進(jìn)行完善。

　　參考文獻：

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