计算机专业系统能力培养课程体系改革研究
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摘要：应用型计算机本科专业系统核心课程教学长期以来存在重理论轻实践、各门课程各自为政、缺乏关联性等问题，导致学生对计算机软硬件缺乏系统、整体的认识。为此，构建一套适用于地方本科院校系统能力培养的理论、实践课程体系。该体系着眼于系统性与整体性，强化各门课程之间的关联、衔接，强化实践教学环节，旨在帮助学生建立各门课程间的关联，巩固加深对计算机软硬件的整体认识，提高学生系统能力。该理论实践课程体系可向应用转型的二类计算机本科专业推广，其构建思路、方法可为其它专业系统能力培养提供借鉴。
关键词：系统能力;课程体系;应用型计算机专业
DOI：10.11907/ejdk.191007开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
中图分类号：G434文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0217-03
0引言
计算机专业课程体系设置了大量与计算机系统相关的课程，如《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《编译原理》、《操作系统》等。体系总体目标是使学生建立完整的计算机软硬件系统知识结构，整体的计算机系统能力培养在课程体系中占有重要地位，是计算机科学与技术专业的核心教学内容。然而，目前普遍存在的问题是大量系统类课程学习并没有全面提升学生计算机系统能力，主要原因包括：
（1）教学内容上，各门课程独立规划、独立教学，造成知识体系中知识点冗余、衔接不够。一方面，每门课程强调自身知识体系完整性和系统性，造成一些知识重复讲述;另一方面，各课程知识点间缺乏前后衔接与有效整合，难以形成完整的计算机系统知识体系。
（2）教学方法上，各课程采取分析式教学方法较多，突出系统原理讲解，而由于条件限制，缺乏对完整计算机系统较为全面的说明。其后果是学生掌握了基本概念，却无法理解相关课程的作用、意义，导致学生对计算机软硬件缺乏系统、整体认识，无法将知识运用到实际系统设计开发之中。
（3）实验方法上，侧重于对原理的简单验证，缺乏对复杂系统的综合设计实践。虽然小规模实验可帮助学生掌握某门课程的主要原理，但由于缺乏完整、关联的系统实践设计环节，使在运行时可能出现的问题无法凸现出来。所以，学生虽然经过了训练，但因训练效度不足，不能对系统知识有较为深刻的掌握，仅停留在“盲人摸象”的认知阶段。计算机系统本身具有整体性、关联性、层次性、动态性和开放性等特点，但由于其复杂性，若课程体系各课程之间缺乏有效沟通和相互协作机制，则会引起学生系统能力培养和训练上的不足。
针对以上问题，国内外很多计算机教学科研组织、高校均提出了面向系统能力培养的教学改革方案。如ACM/IEEE公布的计算机科学课目CS2013给出了新的教学调整方案C，更强调系统能力培养，增加了4个涉及计算机系统知识的内容;美国一些顶尖大学，包括MIT、UC Berkley等均设置了各具特色的计算机系统相关课程。2013年，中国教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会提出计算机系统能力培养的举措，之后南京大学袁春风教授”’出版了相应教材，其倡导面向计算机系统能力培养的理论、实践课程体系，在南京大学、北京航空航天大学、清华大学、北京大学、浙江大学、国防科技大学等国内一流大学计算机科学与技术专业推广，并取得了一定成效。
以上教学成果主要集中在国内外研究型大学，其它高校即使开展了该项工作，也主要是照搬一类本课科院校的模式，而在二类本科院校，尤其是向应用转型的计算机专业，应用背景与一类本科院校差别较大。一方面，对于应用型计算机专业本科生，系统能力是重要的能力指标，决定该类学生能否从整体、全局的角度进行应用系统开发，能否在工作中具有持续学习能力，而不是一种“只见树木、不见森林”的状态，这也是高校毕业生与一般社会培训机构培养的从业人员的最大不同和优势;另一方面，从课程设置的目标、难度等因素考虑，不能照搬国内一流大学的课程体系。上述教学改革的高校人才培养目标均为培养研究型人才，起点较高，教学内容上更强调对复杂系统的分析、设计与研究，对于二类院校的学生难度太大，国内少数水平较高的二类院校曾试点引进南京大学的课程体系，但效果不理想，学生很难接受和适应，不及格率过高。
基于以上现状分析，本文着眼于系统性与整体性，强化各门课程之间的关联、衔接，强化实践教学环节，构建一套适用于应用型计算机本科的系统能力培养理论、实践教学体系，并在学校2016级计算机科学与技术专业实施。
1课程体系构建
课题组充分调研已经开展该项教学改革的院校，特别是向应用转型的计算机本科专业，提出适合于应用型计算机专业、涵蓋《计算机系统基础》、《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《操作系统》、《编译原理》5门课程、由浅入深、由整体到细节、循序递进的系统能力培养课程体系初步方案。各门课程统一制定教学大纲，明确各门课程的边界、衔接，注重课程之间的教学内容关联。原有培养方案中与计算机系统能力相关的课程有《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《操作系统》和《编译原理》4门课程，《计算机系统基础》课程为新增设的课程。
1.1课程内容设置
《计算机系统基础》课程内容设置从向应用转型的二类本科院校计算机专业学生角度出发，重点介绍程序员如何利用计算机系统相关知识编写更有效的程序。以高级语言程序的开发和运行为依托，将该过程中每个环节涉及的软硬件基本概念关联起来，使学生建立一个完整的计算机系统层次框架，具体内容包括：程序中处理的数据在计算机中的表示和运算、程序中各类控制语句对应的机器代码结构、可执行目标代码的链接生成、可执行目标代码中指令序列在机器上的执行过程、存储访问过程等。
1.2课程内容整合
统一规划各门课程的教学内容和教学方法，理顺各门课程间的联系，以ACM与计算机教学指导委员会发布的计算机专业课程知识体系为蓝本，结合专业向应用转型的需要，查找各课程知识点和教学内容的不足，进行补充和完善，去除重复的教学内容，重点强化各课程教学内容间的衔接。课程体系注重能力培养的层次性，从系统总体出发，到硬件基础知识学习，再到硬件系统组成、操作系统构建、编译系统附着，最后到应用软件移植的完整系统教学进程，形成系统认知能力、系统分析能力、系统设计能力、系统实现能力的层次化能力培养体系。本文以《计算机组成原理》为例，分析其与其它课程间的关系及整合方案。 1.2.1与《数字逻辑》课程的关系及整合方案
两门课程间主要存在基本运算部件内容的重复。半加器、全加器和无符号加法器是《数字逻辑》的主要内容，将其从《计算机组成原理》课程中删除，所以SN74181芯片、SN74182芯片等不作为《计算机组成原理》课程的主要内容。如果在课程教学中涉及到SN74181、SN74182芯片，只需让学生了解现代CPU如何用快速进位方式实现加法器原理即可。
1.2.2与《操作系统》课程的关系及整合方案
《操作系统》的核心思想是如何管理计算机资源，《计算机组成原理》课程内容也包括相关资源，如CPU、存储器和I/O，故这两门课程内容联系非常紧密。《计算机组成原理》课程涉及指令系统，而《操作系统》是通过硬件提供的指令系统直接对底层硬件进行控制和处理。中断处理是改变用户进程正常执行的方式，会改变CPU运行模式。硬件上需要提供相应支持，软硬件协调处理才能完成CPU模式转换。在传统《计算机组成原理》课程中缺乏对CPU模式的介绍，所以增加该部分知识介绍，并在《操作系统》课程中加以巩固。两门课程均包含虚拟存储机制的内容，所以删除《计算机组成原理》课程中的该部分知识点。输入输出系统部分也存在重复知识点，《计算机组成原理》课程侧重介绍硬件，《操作系统》课程侧重介绍对输入输出硬件的管理。
1.2.3与《编译原理》课程的关系及整合方案
编译器的作用是将高级语言程序转换为机器语言程序，而机器语言是《计算机组成原理》课程的主要内容，因此，这两门课也存在密切关系。程序翻译涉及到采用何种类型的寄存器存储数据，而寄存器是《计算机组成原理》课程的重要内容，所以，强化两门课之间的联系可使学生建立计算机系统的整体观念。
2实践教学体系构建
实践环节在计算机系统能力培养中占有很大比重，学生能否运用所学的原理知识，解决实际计算机系统设计中的问题，是检验教学效果的重要标准。为了打破原有课程实验项目的简单验证性、各门课程实验教学的孤立性，本课题组精心规划、设计了贯穿于各门课程间的实验教学体系，围绕教学改革目标设置各课程阶段子目标与相应实验内容，完成模块设计和实现后，再通过综合实验进行集成，合理控制复杂度和难度，突出主要问题，最终完成一个相对完整、简单的计算机系统设计，形成涵盖硬件和软件、难度适中、适合应用型本科专业的统一的计算机系统综合实验平台。
2.1实验平台构建
大连海洋大学的课程教学团队与龙芯中科的实验平台开发团队合作，根据地方院校学生实际和计算机系统知识结构及特点共同研究了打通《计算机系统基础》、《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《操作系统》、《编译原理》5门课程的实验教学平台构建方案，减少了验证性孤立实验项目，设计了既可结合生产实际、难度适中，又贯穿所有课程内容的综合实验项目，还聘请专家进行实验教学平台构建方案论证，在此基础上，确定实验教学平台构建方案。
2.2实践教学系统构建
操作系统在计算机系统中，向下连接硬件系统，向上连接应用軟件系统，是系统能力培养的重要环节。但是由于操作系统的复杂性，设计一套既能明确各部分原理、可实际使用的精简系统，又能保证应用型计算机本科学生可以接受的实验教学内容难度较大。因此，本文以《操作系统》课程为切入点，设计开发原理突出、结构简单、用于实验教学的小型操作系统范例，这些精简的范例具有良好的移植性、裁剪性，该实验系统可为学生在后续课程中构建编译系统、应用软件系统提供平台支持。
3结语
本文提出了构建二类本科院校计算机科学与技术专业系统能力培养的课程体系，对增设的课程内容与已有课程内容的整合进行了详细阐述，同时构建了相应实践教学体系，该方案已在2016级计算机科学与技术专业实施，并取得了初步成效。下一步计划在课程体系建设与实验平台构建方案工作的基础上，进行实验平台开发和实施，并对实验内容进行整理，开展适合于应用型计算机本科的系统能力培养的系列教材建设，组织以高校教师为主的理论教材编写组与以高校教师为主、以企业实验平台开发团队为辅的实验教学指导书编写组，编写适合于二类本科院校系统能力培养的教材，促进该类院校计算机科学与技术专业人才培养。
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