林 姍，葉志偉，歐陽勇

（湖北工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引言

高等工科院校各專業(yè)開展工程教育專業(yè)認(rèn)證，是提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量、建設(shè)國家一流本科專業(yè)、推進(jìn)工程教育國際互認(rèn)的重要舉措。我國工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要參考美國《華盛頓協(xié)議》，工程教育的主要目標(biāo)是培養(yǎng)具備解決復(fù)雜工程問題的能力，使學(xué)生能夠在掌握工程原理、專業(yè)知識和工程知識的基礎(chǔ)上，深入運(yùn)用這些原理和知識解決本專業(yè)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題[1]。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，應(yīng)根據(jù)學(xué)校定位和社會需求明確專業(yè)自身的培養(yǎng)目標(biāo)，同時隨著工程教育理念的不斷深化，制訂符合專業(yè)人才培養(yǎng)的畢業(yè)要求及指標(biāo)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上以學(xué)生計算機(jī)系統(tǒng)能力提升為目標(biāo)，對課程體系重新進(jìn)行整合，明確計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程的課程教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)，通過對課程教學(xué)效果的合理考核與評價不斷發(fā)現(xiàn)新問題并持續(xù)改進(jìn)。

1 計算機(jī)系統(tǒng)類課程教學(xué)改革

1.1 本專業(yè)的復(fù)雜工程問題

除專業(yè)知識及技能的傳授外，面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)更側(cè)重對復(fù)雜工程問題的選擇和設(shè)計，在教學(xué)環(huán)節(jié)中綜合運(yùn)用課程所學(xué)的工程原理和工程知識對復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別、表達(dá)、方案設(shè)計及研究、優(yōu)化與改進(jìn)等。

目前，計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)已從強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計向強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計轉(zhuǎn)變，更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀及軟硬件協(xié)同設(shè)計。因此本專業(yè)選擇的復(fù)雜工程問題為計算機(jī)領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)系統(tǒng)的知識和原理，設(shè)計和開發(fā)基于嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)。

本專業(yè)的計算機(jī)系統(tǒng)類主要課程包括數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、微機(jī)接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、編譯原理、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)等，還包括課程設(shè)計和綜合設(shè)計等相關(guān)實踐環(huán)節(jié)。在課程體系規(guī)劃及設(shè)計上，對這些課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，從而為學(xué)生構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)所需要的知識體系和知識結(jié)構(gòu)，使學(xué)生掌握計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的知識點(diǎn)，并能融會貫通加以應(yīng)用，培養(yǎng)其計算機(jī)復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計和開發(fā)能力。

1.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

基于對本專業(yè)復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，計算機(jī)系統(tǒng)類課程的教學(xué)改革首先將知識體系進(jìn)行梳理，在計算機(jī)系統(tǒng)7 個抽象層[2]的基礎(chǔ)上明確各課程教學(xué)內(nèi)容，完善各門課程橫向和縱向的知識點(diǎn)：橫向確定各課程的主要知識點(diǎn)，避免冗余并保證同層次內(nèi)容的完整性；在縱向建立計算機(jī)系統(tǒng)層次間的聯(lián)系，明確課程之間知識點(diǎn)的銜接，保證系統(tǒng)各層次的完整性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)基于計算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用。

以數(shù)字邏輯課程為例，其教學(xué)內(nèi)容圍繞計算機(jī)系統(tǒng)抽象層中的最底層邏輯門層展開，重點(diǎn)為組合電路和時序電路，其中邏輯門電路著重于邏輯功能、外部特性和典型應(yīng)用，如對與非門、三態(tài)門等只介紹其功能、符號及主要應(yīng)用,不再深入講解電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理分析。另外，將觸發(fā)器的主要內(nèi)容縮減為一小節(jié)，只通過基于與非門構(gòu)成的基本R-S 觸發(fā)器介紹觸發(fā)器的基本工作原理，特別強(qiáng)調(diào)為何觸發(fā)器具有存儲功能并能實現(xiàn)時序電路，然后對基本R-S 觸發(fā)器的不足進(jìn)行分析，并針對這些不足進(jìn)行改進(jìn)，引入JK觸發(fā)器、D 觸發(fā)器及T 觸發(fā)器等常用器件，對各類觸發(fā)器的內(nèi)部實現(xiàn)電路不做詳細(xì)展開，側(cè)重于觸發(fā)器的功能、外部符號及特性，并能將其用于時序邏輯電路的分析與設(shè)計。

組合邏輯電路和時序邏輯電路部分的教學(xué)，則結(jié)合實際生活中的計數(shù)器、譯碼器等電路的設(shè)計過程讓學(xué)生掌握基于小規(guī)模邏輯電路的設(shè)計思路和方法。在此基礎(chǔ)上，引入加法器、寄存器等器件的設(shè)計，讓學(xué)生能夠理解計算機(jī)系統(tǒng)基本功能單元的實現(xiàn)，并與計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行銜接。

計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容圍繞著邏輯門層的上一層展開，講述如何連接邏輯門層的硬件設(shè)備以形成更高抽象層次上的功能器件，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生按照指令集設(shè)計數(shù)據(jù)通路和控制器的能力，即學(xué)生能夠應(yīng)用CPU 控制器的組成原理進(jìn)行簡單的CPU 控制邏輯設(shè)計。同時結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和復(fù)雜工程問題所涉及的應(yīng)用系統(tǒng)的特征，學(xué)生通過計算機(jī)組成原理的學(xué)習(xí)，加深對計算機(jī)各部件工作原理的理解，從而能夠站在系統(tǒng)程序員的角度來認(rèn)識和理解計算機(jī)，編制出高效運(yùn)行的程序。按照以上思路，計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容可以進(jìn)行以下幾個方面的優(yōu)化整合。

（1）運(yùn)算器部分結(jié)合C 語言來講解數(shù)據(jù)在底層的表示、存儲、類型轉(zhuǎn)換、運(yùn)算等。將C 語言中的運(yùn)算轉(zhuǎn)換成匯編語言，并與MIPS 指令集的實現(xiàn)相結(jié)合，使學(xué)生能夠從程序員的角度理解硬件實現(xiàn)，能夠更有效地提升程序效率。

（2）中央處理器部分的內(nèi)容摒棄了大量基本原理的介紹，側(cè)重在掌握MIPS 指令系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，以具體的指令集為例分析每條指令的格式和實現(xiàn)過程，構(gòu)建數(shù)據(jù)通路，設(shè)計組合邏輯控制器和微程序控制器。

（3）通過對高速緩存、流水線、動態(tài)分支預(yù)測等的學(xué)習(xí)引入性能問題。通過以MIPS 指令集為基礎(chǔ)，講解功能部件、單周期CPU、多周期CPU 及流水線CPU 的設(shè)計思路與實現(xiàn)，使學(xué)生更好地建立計算機(jī)系統(tǒng)的概念、掌握相關(guān)原理、理解工程實現(xiàn)中各方面可能存在的沖突及解決方法，并將其應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問題。

2 計算機(jī)系統(tǒng)類課程實踐環(huán)節(jié)改革

2.1 課程實驗

計算機(jī)系統(tǒng)類課程的實踐環(huán)節(jié)主要包括課程實驗和綜合設(shè)計兩個部分。課程實驗仍以數(shù)字邏輯和計算機(jī)組成原理2 門課的實驗教學(xué)改革為例。

以往這2 門課程都是采用的實驗箱完成課程實驗，實驗過程繁瑣，另外實驗箱數(shù)量有限且必須在實驗室完成實驗，嚴(yán)重限制了學(xué)生實驗時間和地點(diǎn)。目前的實驗主要采用Logisim 仿真軟件實現(xiàn)，該仿真軟件便于電路的設(shè)計與仿真，學(xué)生可以利用自己的電腦在任何時間完成實驗要求。

實驗項目也根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合與優(yōu)化。數(shù)字邏輯實驗安排了3 個主題：基本邏輯門電路和觸發(fā)器功能測試、組合邏輯電路設(shè)計和時序邏輯電路設(shè)計。除第1 個主題為驗證型實驗外，其他2 個均為基于項目式的實驗，組合邏輯電路以加法器的實現(xiàn)為主題，時序邏輯電路以計算器的實現(xiàn)為主題。計算機(jī)組成原理的實驗項目也是3 個，均以項目式實驗展開，包括ALU 設(shè)計、寄存器堆設(shè)計及單周期CPU 設(shè)計。

2.2 綜合設(shè)計

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生解決本專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力，在課程體系里增加了綜合設(shè)計環(huán)節(jié)。本專業(yè)的綜合設(shè)計是在學(xué)完所有計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程之后，綜合利用所學(xué)的計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫原理及技術(shù)等專業(yè)知識和工程知識完成一個基于嵌入式的實際應(yīng)用系統(tǒng)——無線點(diǎn)菜系統(tǒng)。學(xué)生從該實際應(yīng)用項目需求分析開始，經(jīng)過方案選擇、系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件開發(fā)、仿真調(diào)試等環(huán)節(jié)，綜合考慮各類非技術(shù)因素，最終實現(xiàn)該應(yīng)用系統(tǒng)。在這個過程中，從知識運(yùn)用、問題分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)綜合等4個方面培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。該教學(xué)環(huán)節(jié)主要支撐的畢業(yè)要求與課程教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 綜合設(shè)計課程畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

在教學(xué)過程中首先對學(xué)生明確課程目標(biāo)及無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的具體工作任務(wù)。該系統(tǒng)任務(wù)的實現(xiàn)涉及底層硬件、接口、操作系統(tǒng)、編譯、數(shù)據(jù)存儲與訪問、應(yīng)用層等，需要運(yùn)用深入的工程原理才能解決問題，并且該系統(tǒng)包含多個相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，還要考慮環(huán)保、工程倫理等方面的因素，是一個典型的計算機(jī)復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)。該應(yīng)用系統(tǒng)各個層次工作任務(wù)與主要支撐課程的對應(yīng)關(guān)系見表2。

綜合設(shè)計各教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)之間的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表2 綜合設(shè)計課程工作任務(wù)與主要課程的對應(yīng)關(guān)系

表3 綜合設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生能力培養(yǎng)的對應(yīng)關(guān)系

續(xù)表

在綜合設(shè)計教學(xué)過程中，以工程實際項目（無線點(diǎn)菜系統(tǒng)）為驅(qū)動，將工作任務(wù)細(xì)化，同時加強(qiáng)過程指導(dǎo)與監(jiān)督，讓學(xué)生能夠識別問題、設(shè)計方案、解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生問題分析、系統(tǒng)研究、方案設(shè)計、自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作等能力。并此外，通過報告撰寫和答辯質(zhì)疑等環(huán)節(jié)讓學(xué)生對系統(tǒng)實現(xiàn)方案及效果進(jìn)行評價和反思，從而培養(yǎng)學(xué)生工程綜合素養(yǎng)，如溝通能力、環(huán)保意識、工程倫理等。

3 課程評價及持續(xù)改進(jìn)

3.1 課程的考核與評價

課程科學(xué)合理的考核方式及評價是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要保證，也是發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的重要依據(jù)。

計算機(jī)系統(tǒng)類課程的教學(xué)改革對課程的考核評價方式也進(jìn)行了改進(jìn)，不再局限于期末卷面考試，根據(jù)課程特點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容對課程考核分階段并以多種形式進(jìn)行。以理論課程考核為例，目前采用了課程作業(yè)、分階段課堂測試、實驗、期末閉卷考試、文獻(xiàn)閱讀及報告撰寫、課程三問等考核方式，其中課程三問是學(xué)生針對課程學(xué)習(xí)提出與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的3 個問題或課題，并給出提出問題的背景及依據(jù)，以及對問題進(jìn)行思考后的解決思路或初步解決方案。因此，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，不再單一的以平時作業(yè)和期末考試卷面成績?yōu)橹鳎且院侠淼倪^程性評價為主，將期末閉卷成績占總評成績的比例降低，并提高學(xué)生平時過程性考核表現(xiàn)所占的比重。以數(shù)字邏輯課程為例，表4 中給出了課程目標(biāo)與考核方式的對應(yīng)關(guān)系，在最近一學(xué)期該課程的學(xué)習(xí)成果評價中，期末考試與平時過程性評價各占總評成績的50%。

表4 數(shù)字邏輯課程目標(biāo)與考核方式的關(guān)系

3.2 持續(xù)改進(jìn)

根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達(dá)成度對課程教學(xué)進(jìn)行分析，找出學(xué)生某些課程目標(biāo)達(dá)成效果不夠理想的原因，如教學(xué)方法不適用于教學(xué)內(nèi)容，沒有很好地對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)督，學(xué)習(xí)成果要求太高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不夠等。教師根據(jù)不同原因有針對性地制定持續(xù)改進(jìn)策略，比如提升教學(xué)能力，根據(jù)學(xué)生實際情況制定學(xué)習(xí)成果要求，利用實際案例引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等。

另外，某些學(xué)習(xí)效果的提升可能需要進(jìn)一步強(qiáng)化專業(yè)技能，而這些技能涉及多門課程，因此要通過對這些課程學(xué)習(xí)效果的綜合分析，合理改進(jìn)教學(xué)方式，彼此協(xié)調(diào)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，甚至可能要優(yōu)化課程體系，讓多門課程有效參與，從而使學(xué)生有足夠的專業(yè)訓(xùn)練[3]，達(dá)到畢業(yè)要求。

4 結(jié)語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證過程中，要在真正理解“復(fù)雜工程問題”內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，明確本專業(yè)畢業(yè)要求和指標(biāo)點(diǎn)，合理設(shè)計課程體系并確定課程的教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)、考核內(nèi)容及評價標(biāo)準(zhǔn)上以學(xué)生為中心從課程特點(diǎn)出發(fā)，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

湖北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)生能力要求，開展了以解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為核心的計算機(jī)系統(tǒng)類課程教學(xué)改革，將整體目標(biāo)細(xì)化為各門課程應(yīng)達(dá)成的具體目標(biāo)，通過優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)、合理制定考核方式及持續(xù)改進(jìn)策略等，有效促進(jìn)了學(xué)生解決專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題能力的提升。