面向新工科的计算机类专业学生系统能力培养方法与实践

陈乃金，石建国

（安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000）

0 引言

2017 年2 月，教育部提出开展新工科建设，随后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等指导性文件，并在全社会发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，探索符合中国特色的工程教育新模式。计算机类专业作为典型的新工科专业，在专业人才培养方面具有就业渠道广、人才需求量大和专业素质要求高等特点。尤其是随着新工科专业建设在国内的持续开展与深入，工科专业人才培养方面的标准和层次正在不断提高，创新型与复杂应用型人才培养成为人才培养的重要方向。

因此，教育部高校计算机科学与技术专业教指委从能力培养的角度强调了对计算机学科学生的4项专业能力（表1）的培养，尤其强调计算机系统能力培养的重要意义和迫切需求。在此方面，国内一些高水平大学已经开始了系统能力培养的探索与实践，并取得了一些积极的效果，如清华大学在实践能力培养方面开发了THINPAD实验教学平台，该平台以单周期、多周期和流水线MIPS 处理器的设计为核心，通过MIPS指令设计完成CPU的基本算术运算和逻辑运算功能，从而加强核心硬件的设计能力；还有部分高校把CPU设计与编译器、操作系统以及外围接口电路的设计综合起来进行软硬件系统协同开发等，比如东南大学的以MiniSys-1ACPU为核心的软硬件综合实践平台[1]。

表1 四大基本能力及其权重

很多高校在系统能力培养的实践过程中，总结出一些具有实践指导意义和较高理论价值的研究成果，王志英等[2]提出计算机专业学生需要更多地关心计算系统的整体特性,详细阐述了系统能力培养和课程体系设置的总体思路；袁春风等[3]针对计算机系统能力培养提出了实验课程体系构建的基本方法，并总结了实验教学改革实践中存在的一些主要问题；刘卫东等[4]结合清华大学计算机类专业在系统能力培养方面所做的工作和实践成果，分析了课程体系建设和改革的关键内容，归纳了一种加强计算机系统能力培养的教学方案。高小鹏[5]从课程体系建设角度出发，提出了一种新颖的教学方法——工程化综合方法，旨在指导学生开发具有足够规模的系统。

1 计算机系统能力的内涵

计算机系统能力是运用系统原理和科学方法，结合计算机系统的整体性、结构性、耦合性、逻辑性和功能性特点，理解并把握计算机软硬件协同实现系统整体功能的能力[6]。计算机系统能力包含知识理解能力和实践应用能力两个层面。知识理解能力是从知识和原理性角度准确理解和把握计算机系统的工作原理、硬件层次结构、软件逻辑及软硬件在各层次间关联关系的知识逻辑；实践应用能力是运用系统工程及项目管理的方法实现计算机系统功能，并满足一定的实践应用和社会需求的系统开发与设计能力。

根据教育部计算机专业教学指导委员会的界定，计算机专业学生应具备计算思维能力、算法分析与设计能力、程序设计与实现能力和系统能力[7]，能力点分配见表1。从表中可以看出系统能力所占的能力点数最多，占比达75%。说明系统能力对计算机专业人才来讲尤为重要，从某种程度上来说，系统能力的高低决定了计算机专业人才培养的整体质量和最终成效。

具备上述四大基本能力，硬件设计人员才能够设计面向实际应用的高性价比的硬件产品，系统开发人员才能从整体上架构并组织面向系统软件的设计与开发，针对计算机硬件和操作系统才能设计并优化编译器的性能，面向应用的程序设计人员才能依据硬件设计逻辑、应用软件的实现功能及程序设计编程思想和算法，编写出高性能的应用软件。因此，计算机类专业系统能力的培养要求掌握计算机软件硬件各层次的工作原理及接口以及系统内各部件之间的逻辑关联，能够从整体上实现系统功能的优化和提高[8-9]。

由上可知，对计算机系统的全面理解需建立在计算机软件与硬件的有效协同对接的基础之上，因此，从专业教学角度看，必须研究如何贯通软硬件课程之间的知识联系。尤其是核心课程如数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、数据结构、编译原理和操作系统课程内容之间的衔接，以及这些核心课程综合性实验和系统性设计等实践项目有效“落地”。从学生学习角度看，也必须改变当前计算机类专业学生“知行不一”（重理论、轻实践）和“欺软怕硬”（重软件、轻硬件）的现象。

2 新工科计算机类专业学生系统能力培养思路

在教育部新工科专业建设实践中，新工科专业建设注入了新的内涵，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系。结合新工科专业建设的内涵和基本要求，计算机类专业的学生系统能力培养的基本思想总结为[9]：建立计算机系统整体观念，打通计算机类专业核心软硬件课程知识联系，建立一体化课程教学体系，改造计算机类专业现有培养模式，要求学生具有扎实的理论知识，还要突出实践技能尤其是复杂工程能力和系统应用能力等高阶素养的培养，使学生具备适应新技术发展的整体素质和能力，教学方面，从顶层重新设置核心专业课程教学大纲，加强硬件实践环节能力训练。具体包括以下几方面：

1）从系统能力培养的角度统一编写高质量系统能力培养专门教材，建立新工科计算机类专业包括实践教程在内的课程教材体系。

2）完善系统能力培养方案，重新修订系统能力培养的不同层次实践教学内容，包括专业课的课内实验、课程设计、专业综合实践、生产实习和毕业设计等实践环节。

3）加强高校间的合作交流，提高专业教师的教学水平，包括教学和实践能力。参与各类计算机系统设计大赛，通过比赛提高学生的计算机系统分析和设计能力，并分析比赛过程中学生存在的问题，进一步思考在教学方面存在的薄弱环节，进而加以持续改进。

4）从学校制度设计和顶层设计着手，搭建校企合作平台，并建立联合企业进行项目合作研究的长效化机制。企业提供项目及需求，并提供项目开发的实践环境，高校将学生送到企业进行项目开发和实践锻炼，使学生的实践技能与社会需求能够有效对接。

5）以学生为中心进行教学设计，充分考虑到学生个体的发展需要。根据每一个学生的个体差异，给所有学生以平等的机会和多渠道的学习平台获得更好学习效果。

通过这些举措使学校人才培养与社会和行业需求建立联系，真正培养出社会需要的具有高阶系统能力和复杂工程应用能力的计算机专门人才。

3 计算机类专业学生系统能力培养教学设计

人才培养质量的高低最终要依靠学校的制度保障、教学设计、学习渠道和实践路径等方面来保证，从教学设计的角度看，主要是专业课程教学体系设计及教学方法设计[10-11]。

3.1 计算机类专业学生系统能力培养课程体系设计总体思路

为培养具有系统应用能力的计算机专门人才，需要建立一套新的符合计算机类专业人才培养目标的专业课程体系，尤其要加入一些贯穿计算机系统的综合性课程，按照新工科专业建设标准规划计算机核心课程分层次教学内容。为此，本文提出计算机专业系统能力培养的总体思路：首先从顶层理清计算机系统设计的思路和方法；再介绍底层各硬件系统的开发和子模块功能的实现方法；然后把顶层系统设计和底层硬件设计联系起来，介绍如何在硬件平台上通过软件程序设计实现系统各模块功能；随后按课程分类安排计算机硬件、软件、算法、数据库、操作系统和编译原理等相关教学内容，实现授课内容在深度和层次上由浅入深的层次递进；最后，经过对培养的几轮学生的系统能力进行评估，找出在能力培养方面的薄弱环节，进而加以优化和持续改进。

3.2 计算机类专业学生系统能力培养方法和教学内容设计

计算机类专业系统能力培养要求学生首先应有计算机系统整机观念，深刻理解计算机系统从硬件层次→软硬件接口层→软件层的层次化结构，能够从计算机设计的视角分析计算机应具备的功能，针对功能如何按层次化设计方法完成部件设计、接口设计和软件设计。这就要求必须理解各个层次之间的相互关系，并掌握指令集体系结构的工作原理和设计方法，具备使用EDA工具等进行硬件设计的基本技能，理解操作系统如何实现硬件管理、作业管理和进程调度等功能，掌握硬件的优化编译技术，掌握面向计算机硬件进行系统级程序设计的基本方法；能够进行CPU硬件电路设计、操作系统设计和编译器设计，具有系统设计与开发能力、系统优化与应用能力。

在计算机类专业课程体系当中，一般以计算机体系结构、计算机组成原理、编译原理和操作系统这4门课程作为计算机系统能力培养的核心课程。在系统能力培养的知识和能力层次上，硬件设计能力起着基础和决定性作用，有了计算机组成原理等硬件课程的基础，学生将更容易从计算机系统整体的角度理解编译原理和操作系统等后续课程。因此，需要着重加强数字逻辑、计算机组成原理等硬件能力的培养，要求学生具有扎实的理论功底和实践技能。

1）数字逻辑。该课程主要涉及硬件设计的基本逻辑和功能实现。从CMOS和TTL最基本门电路的原理入手，进一步介绍组合逻辑电路和时序逻辑电路分析和设计方法，以及各种触发器的逻辑功能及硬件实现，在此基础上介绍随机和只读存储器硬件电路工作原理及逻辑实现，最后介绍硬件描述语言Verilog以及可编程逻辑器件，包括FPLA、PAL、GAL、EPLD 和FPGA设计等。该课程侧重培养学生基本数字逻辑电路设计能力，为学习计算机组成原理和微机原理及接口技术打下良好基础。

2）计算机组成原理。该课程运用了数字逻辑课程中提供的基本功能逻辑电路来设计计算机的功能部件，主要介绍计算机系统的基本组成，各物理部件工作原理、结构和功能实现等。包括计算机工作逻辑、系统总线、存储器、输入/输出系统、数据运算与表示、CPU、指令系统、控制器和微程序设计等。该课程侧重培养学生计算机硬件系统的认知、分析和设计能力，进一步为微机原理与接口技术、编译原理和操作系统等课程学习打下良好的系统级硬件基础。

3）计算机体系结构。主要介绍计算机体系结构的概念、工作原理、分析设计方法及最前沿的技术发展情况。具体内容包括高级流水线技术、并行处理系统、并行设计与编程技术、单周期和多周期处理器技术、多处理器系统和向量处理机等。首先从“高级语言程序→汇编语言程序→机器指令序列→控制时序”的路线分析程序从代码编程到编译解释，再到最终在CPU 上运行的整个过程。为建立计算机软件与硬件系统的整体概念打下基础。其次，将指令执行过程与异常、中断、I/O 和存储器访问等概念技术结合起来，说明CPU 执行指令过程中硬件与操作系统相互切换和协同工作的处理过程，从而深刻理解软硬件系统之间的关系和协同工作机制。最后从MIPS指令系统设计角度分析单周期和多周期处理器设计原理和方法。该课程侧重培养学生计算机系统的软硬件综合应用能力，为优化程序设计、操作系统设计和编译器设计打下基础。

4）编译原理。编译技术主要用于将高级语言源程序转换为计算机系统硬件能够自动执行的目标代码。而目标程序的执行效率则取决于编译器性能的高低，因此编译优化技术也是计算机类专业学生需重点掌握的核心技术。除此之外，该课程还介绍编译程序构造的一般原理、设计方法和主要实现技术，包括文法、自动机和语言的基础知识、词法分析、语法分析、语法制导的语义计算、语义分析、中间代码生成、运行时存储组织、目标代码生成、符号表管理和出错处理等内容。该课程侧重培养学生分析设计和实现编译程序方面的基本技能，为之后从事系统软件和应用软件的开发打下良好的理论和实践基础。

5）操作系统。该课程主要介绍操作系统的基本概念、结构、基本功能和实现原理等。具体包括设备管理、处理器管理、存储管理、文件管理、进程同步、通信和死锁、操作系统安全和保护、网络和分布式操作系统、UNIX 系统设计和各部分功能的具体实现等。该课程侧重培养学生系统软件的设计开发能力，包括解决操作系统领域有关问题的能力，比如系统安全与防护等。

在教学内容方面，计算机类专业核心课程理论知识体系已相对比较成熟，主要存在的问题表现在实践环节不够合理，包括实践课时数不足、实践内容脱节、实践项目综合性及复杂度较低等，因此，根据计算机专业课程体系教学内容安排，需针对性地补充和完善实践教学环节。具体增补内容如表2。

表2 计算机系统类课程内容增补表

4 计算机专业面向系统能力培养的实践教学

实践教学体系侧重学生动手能力和基于项目的设计开发能力训练。要求学生以课内系统学习与课外项目训练为形式，围绕计算思维、系统思维和逻辑思维能力培养来展开。实践课程教学体系分基础硬件和软件设计能力、软硬件综合应用能力、系统级开发设计能力3个层次进行能力培养训练，在大一到大四分3个阶段完成，构建出“整体→局部→整体、实践→理论→实践、硬件→软件→整机系统”的多层次的计算机系统能力培养体系。

4.1 计算机软硬件实践教学内容

计算机软硬件实践教学以设计性和验证性实验为基础，进而通过特定专业课程的课程设计进行综合能力训练。在此基础上，开设可贯通软硬件的实践项目，包括基于特定研究项目的项目参与式实践，以及基于生产实习的实践项目开发，大四阶段还可以在毕业设计环节部署面向系统能力培养的复杂应用型设计课题，使学生基于软硬件层面的设计和开发能力有较大提升，计算思维、系统思维和逻辑思维能力得到有效锻炼。

计算机软硬件实践教学内容主要包括：数字逻辑课程实验、计算机组成原理课程实验及课程设计、微机原理与接口课程实验及课程设计、编译原理课程实验及课程设计、操作系统课程实验课程设计等。具体如表3所示：

表3 计算机软硬件实践教学体系

通过这些实践项目的训练，强化学生关于时序和组合逻辑电路设计、接口设计、CPU 设计、编译器设计、操作系统和系统软硬件综合集成的系统能力。这些能力的培养依赖于对FPGA等相关软硬件设计工具平台的熟练运用。为此，我们采用基于FPGA 和EDA环境的实验平台，将一些核心课程的实验项目迁移到该平台上。FPGA 平台消除了实验平台分离、实验内容孤立对系统设计与实现能力训练的制约，将实现完整计算机系统的任务划分为在FPGA开发板上可调试运行的子模块，不同子模块对应不同课程的实验内容，从而解决各课程实验内容孤立不能融合为完整计算机系统的难题。

为配合上述实践项目的训练，需要对传统实验教学模式进行改进，主要包括3个层次：

1）重新定位实验目标

传统的验证性实验束缚了学生在实验过程中的能动性，采用EDA的实验方法要求学生对硬件组成部件的功能和结构要有深刻的了解，才能顺利达成实验目标。因此应重设实验目标，不设定具体实验步骤及过程，使学生能发挥自我创新意识进行实验内容的规划和自我设计。

2）实践内容的变革

由于改进后的实验不设定具体实验步骤，也不设定实验时间的长短，实验可以由学生在课外时间完成，使学生有充分的想象空间和时间以保证实践效果。在具体操作上，可将实践环节分为课程实验和课程设计两个方面。在课程实验阶段，可在学院层面建立联合开放实验室，由学生自主安排实验时间，教师可设定实验完成标准，由学生结合标准自主完成，在课程结束后进入课程设计环节，该环节可限定在固定的一至两周时间内由学生自主完成，由于课程设计综合性较强，可通过分组方式由学生自由结合，每组人数3人左右，由组内成员分工合作某一规定课题的课程设计。这样既锻炼了综合实践能力，也发挥了团队合作精神，并可整体上加快课程设计完成进度。

3）实验方法的改进

传统的实验方法依赖于现有的实验指导书所提供的实验过程及步骤，严格按照实验步骤在实验工具箱硬件平台上完成，实验限定时间在实验室完成，由于依赖于实验工具箱，学生在课外离开实验室则实验将无法进行。如果采用EDA的实验方法，则学生可根据实验要求自主完成从硬件电路设计，到软件编程、调试和功能验证的整个过程，确保设计目标达成后，可进一步嵌入到FPGA 开发板中，通过FPGA 平台进行实际运行调试，进一步验证实验功能完成情况。在这种实验方案中，除嵌入FPGA 开发板进行调试验证外，其他过程均可在实验室外通过个人电脑进行自主设计和开发。这样就拓展了学生实验时间和空间范围，实验的灵活性大大提高。

以系统性实践训练CPU设计为例，说明一下实践教学流程：

CPU 设计实验项目有算术逻辑运算单元（ALU）设计、寄存器设计和基于MIPS32指令的单周期（多周期）CPU 设计实验3 大模块，3 个模块按先后顺序排列，由于设计的复杂性，教学课时内无法完成的内容由学生依托FPGA 云平台在课外完成。其中ALU 设计要求学生实现1 个32 位加法器，1 个具有算术运算控制、溢出控制、结果选择控制功能的控制器，1 个能够进行算术运算输出、逻辑运算输出等功能的运算器；寄存器设计要求学生设计1个包含若干32位寄存器的寄存器组，有相应的写入和读出端口；MIPS单周期（多周期）CPU设计要求学生完成10条以上MIPS指令的单周期（多周期）的CPU 设计并进行测试。CPU设计要在ALU 设计、寄存器设计的基础上，添加指令译码器、组合逻辑控制器、地址转换、位扩展等部件。

4.2 实践教学原则

1）小班化教学

为保证实践教学效果，必须为学生提供专门的有针对性的指导。为此，有必要采用小班化实践教学模式。原则上将教学班级人数控制在30人以内，除了安排课程组的专任教师进行现场指导外，针对复杂实践项目和核心训练内容，可从高年级选拔实践能力强的优秀本科生加入实践教学团队，为学生提供更及时的实践指导，真正提高学生的实践能力水平。

2）目标化考核

由于系统能力培养的目标起点高，在实践过程中落到实处具有很大的挑战性。因此，实践过程的科学管理非常重要。在复杂度较高的实践项目教学过程中，比如以CPU 设计实验项目为例，课内安排仍然执行必要的课堂考勤制度，主要是为了保证每个学生都能够充分参与到实践训练过程当中。另外，也应充分考虑到学生的个性化需求，结合学生实际情况，以目标为导向，以完成实践任务为标准，给予学生一定的自由度。比如考勤与目标完成相挂钩，就是说如果学生达成了相应的任务和实践目标，即认为考勤任务也同步完成。在平时的实践训练过程中，要求学生能够实现自我管理，提高自我约束和管控能力。对此，可在实践训练过程中将任务进行阶段性划分，划分为相对容易完成的子任务，使学生能够在训练上逐步推进，最终一步一步完成总体目标。

针对实践项目的完成质量情况，可按照一定的参数进行量化评估。比如设置功能完善度、代码长度、文档可读性、资源消耗量、性能测试的缺陷率等。通过一系列量化评估，培养学生的质量意识、标准意识和项目验收能力，以此巩固和强化系统能力培养成效。

3）兴趣化引导

兴趣是最好的“老师”。兴趣可以使学生全身心地投入，通过持久性的探索和实践，从而在系统能力培养上有更深层次的进步[11]。从学生角度来说，以就业为导向引导学生通过实践能力培养可获得怎样的竞争性就业机会。比如通过全国性的CPU设计大赛，河北大学参赛队在多次的全国性比赛中取得了骄人成绩，比赛中表现突出的学生在就业时成为大公司竞相抢夺的对象。如果学生能够充分认识到系统能力培养给个人就业或职业发展带来真正的改变，就会激发学生的无限潜能投入竞赛活动当中，并在此过程中真正学到知识，培养能力，收获荣誉，更重要的是开辟了职业发展的广阔空间。

4.3 建立校企联合培养实践平台

一些世界一流大学的人才培养，在长期的教育实践过程中形成了各自特色鲜明的人才培养模式。如哈佛大学以“注重学生个性发展与文化素质提升”的全面发展模式；剑桥大学以“注重质疑精神和理性思维培养”的自主探究模式；斯坦福大学以“校企合作和实践为特色，强调创造力培养和学以致用”的实践训练模式。每种模式都有各自的特色，并在长期的人才培养过程中形成了自己的学科优势、专业优势和人才培养优势。以斯坦福大学为例，其“校企合作和实践为特色，强调创造力培养和学以致用”的实践训练模式，最终使得斯坦福大学培养出来大量的具有创造力和很强实践应用能力的杰出人才。因此，在学生的系统能力培养和实践应用能力训练方面，可以借鉴这些成功经验，使人才培养走向社会。通过校企合作积极引进优质企业资源，推动校企合作实习和实训计划，如达内实训、西普阳光教育等专业实践培训机构共同进行相关课程的实验教学及实践项目训练。

4.4 以赛促教开展团队合作式项目竞赛

鉴于目前国内人才培养方面存在的系统能力不足、工程应用能力不强等现实问题，教育部教学指导委员会在全国举办了一系列有影响力的竞赛项目，受到了各高校的高度重视和学生的普遍欢迎。比如全国大学生电子设计大赛、物联网设计竞赛、全国大学生计算机系统能力培养大赛等。还有一些省内举办的重要比赛，比如安徽省单片机与嵌入式系统应用技能赛、安徽省大学生程序设计大赛、机器人大赛、安徽省大数据与人工智能应用赛等。这些竞赛一般采用开放式命题，但设计难度相对较高，这样有利于充分发挥参赛者的创意和个人潜能，也利于团队成员培养合作意识。在教学中有意识地引导学生组队参加各类竞赛，以参赛来促进专业知识的更深入学习，并根据比赛情况总结学生在系统能力和实践技能上的短板，进而在教学方面加以改进，最终实现“以赛促教、以赛促学、以赛促改、以赛促建”的教学目标。

5 培养效果验证与分析

为验证计算机类专业学生系统能力培养情况，我们从主观和客观两个方面指标进行了调查与验证，从理论和实践教学成效两方面进行分析。

5.1 主客观指标调查与验证

主观方面通过调查问卷了解学生对系统能力培养的认知情况，为此，我们设计了调查问卷，问卷共包括11道题目，参与问卷的学生比较分散，人数相对较少，调查对象来源于未开始系统能力培养的历届计算机类专业毕业生，问卷调查结果如图1。

从调查结果来看，学生普遍对系统能力培养持认可态度，认为系统能力培养重要和非常重要的达到95.45%的比例。但对系统能力培养的了解方面有54.55%的学生选择了“了解，但不深刻”。经过近年来的培养实践，今年首届学生开始就业，我们从往届学生就业率、薪资和就业去向等方面进行了跟踪调查，与2022年毕业生就业情况进行对比。发现就业率每年相差并不明显，基本维持在90%～95%，应届毕业生薪资水平比往届有一定程度的提升，原因是经过系统能力培养学生的就业竞争力有了提升，但在就业去向方面有了比较明显的变化，更倾向于南京、上海等发达城市的高科技公司从事软件或硬件设计等工作岗位。

5.2 理论和实践教学成效分析

系统能力培养从理论和实践层次上来看，学生方面对学习的积极性和竞赛的参与度明显提高，主要表现在以下两个方面。

1）提高了学生探究式学习的能力，激发了对计算机类专业学习的积极性。由于设计后的教学体系中各门课程间的理论和实践内容关联性更强，促使学生在顶层设计目标的引导下，使原本枯燥的教学内容转化为一个个目标逐级实现，充分挖掘了学生的学习潜能。

2）增强了学生的就业竞争力，通过参与各类全国性计算机类大赛，学生的实践技能和综合素养得到有效锻炼，考研学生在复试阶段录取率也有了明显提升。

从教师的角度来看，在带领学生参与各类计算机方面的比赛过程中，教师的实践能力也有了较大提升，根据比赛过程中学生存在的主要问题，可以及时反馈到课堂教学上，使得教师的教学水平也有了很大提高。为后续教学改革和提高教学和办学质量奠定了坚实的基础。

6 结束语

计算机系统能力的培养是一个渐进的过程，需要在高校计算机类专业人才培养方面进行不断实践并总结经验，找出更适合各高校计算机类专业人才培养的合理方案和改进措施。本文简要分析了当前在计算机类人才培养方面存在的问题，提出了在新工科背景下计算机类学生系统能力培养的基本思路，今后将按照新工科关于工程教育的理念在整个人才培养过程中实现以学生为中心，以结果为导向的人才培养教学体系，并加以持续改进，包括对专业课程体系设计、教学内容组织、教学方法选择、实践教学环节、课外竞赛及实习训练等方面进行优化，进一步改进教学过程和内容。这样才能不断完善计算机类专业学生系统能力培养方法，真正实现该专业学生系统能力培养的目标。

图1 计算机系统能力培养问卷调查