劉 彥,趙 歡,楊科華,黃麗達(dá)

（湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

近年來,我國提出并實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略,以互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的理論和技術(shù)突破促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級。技術(shù)的創(chuàng)新與實施需要大量具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。人才的培養(yǎng)依賴于高質(zhì)量的高等教育體系,高等工程教育需要持續(xù)為國家科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級輸送滿足新時代要求的新型工程科技人才。2017年,教育部高教司發(fā)布了關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知,并組織了相關(guān)的研討,形成了復(fù)旦共識、天大行動和北京指南等新工科建設(shè)指導(dǎo)意見[1-2]。新工科人才培養(yǎng)新模式的內(nèi)涵包括更新人才培養(yǎng)理念、重構(gòu)培養(yǎng)目標(biāo)和知識結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變培養(yǎng)方式等[3]。隨著工程教育認(rèn)證的逐步推行,推進(jìn)新工科背景下的計算機類專業(yè)課程教學(xué)改革,確定新的課程目標(biāo)與內(nèi)容,并將以學(xué)生為中心和面向產(chǎn)出的教學(xué)實踐落到實處已成為當(dāng)前實際教學(xué)活動中迫切需要解決的問題。

1 新工科背景下的計算機系統(tǒng)課程教學(xué)改革思路

新工科不僅是高等工程教育對未來工程發(fā)展新態(tài)勢和新需求的回應(yīng),更是工程教育領(lǐng)域依據(jù)國家、產(chǎn)業(yè)和科技領(lǐng)域重大需求而進(jìn)行的突破性變革[3-4]。新工科說到底是人才培養(yǎng)方式的創(chuàng)新,最終需要通過高等學(xué)校在專業(yè)設(shè)置、培養(yǎng)計劃修訂和課程教學(xué)實踐中具體實行并落到實處。目前,以O(shè)BE為核心思想來重新梳理教學(xué)目標(biāo)并改進(jìn)教學(xué)設(shè)計和完善評價方法已經(jīng)成為新工科背景下的課程教學(xué)改革的主要方法。OBE理念強調(diào)課程的設(shè)計者要能夠回答“學(xué)生需要學(xué)什么,如何幫助、評價和確保學(xué)生取得既定的學(xué)習(xí)成果”這個核心的問題,一切的課程教學(xué)活動均需要圍繞解決該問題展開。

計算機系統(tǒng)課程是一門面向計算機專業(yè)大類招收大學(xué)二年級學(xué)生的核心基礎(chǔ)課,現(xiàn)有諸多教學(xué)環(huán)節(jié)中暴露出一系列問題。首先,學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識和操作能力水平不一,部分同學(xué)對課程教學(xué)內(nèi)容的理解和完成有困難;其次,很多同學(xué)沒有接觸過基于命令行的編程和調(diào)試,從而對現(xiàn)場演示教學(xué)和課程實驗的完成有困難;最后,教材內(nèi)容比較豐富,涉及計算機系統(tǒng)的各個方面卻又深淺不一,很多同學(xué)會有學(xué)了后似懂非懂的困惑。針對這些挑戰(zhàn),教學(xué)組以O(shè)BE理念中“以學(xué)生為中心”“反向設(shè)計”和“持續(xù)改進(jìn)”為引導(dǎo),從課程目標(biāo)、教學(xué)體系和評價方法3個方面改革計算機系統(tǒng)課程的教學(xué)。

2 新的課程目標(biāo)

課程目標(biāo)的制定應(yīng)該遵循反向設(shè)計的原則,需要從專業(yè)培養(yǎng)計劃和畢業(yè)要求的角度出發(fā)確定教學(xué)的出發(fā)點和內(nèi)容。首先,合理制定課程目標(biāo)最為關(guān)鍵的是由“教師想教什么”到“學(xué)生培養(yǎng)成才需要學(xué)什么”的觀念轉(zhuǎn)變。其次,課程目標(biāo)應(yīng)該使用縱向分解的方式以便于更好地評估課程目標(biāo)的完成程度[5-6]。由傳統(tǒng)的課程目標(biāo)橫向分解的方式轉(zhuǎn)換為縱向分解是基于OBE課程教學(xué)改革的重要步驟。計算機系統(tǒng)的課程目標(biāo)是讓學(xué)生掌握計算機系統(tǒng)及其構(gòu)成的基本組件與組成原理,了解程序執(zhí)行的過程,掌握基本的編程工具,為解決復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。何為橫向分解?即將課程教學(xué)目標(biāo)按照學(xué)生需要掌握的內(nèi)容由淺入深、由基本概念到系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用分層遞進(jìn)式的描述。計算機系統(tǒng)課程按橫向分解的方式可以大致分為4個目標(biāo)。

(1)計算機內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)通路基礎(chǔ),涉及計算機系統(tǒng)基本概念。

(2)學(xué)習(xí)和掌握Linux基本環(huán)境及編程基本工具,具備從機器代碼級理解程序行為的能力。

(3)了解“程序”在計算機內(nèi)部運行的原理和機制,為成為更有效率的程序員奠定基礎(chǔ)。

(4)強化“計算機系統(tǒng)”的思維和能力的培養(yǎng),獲得使用復(fù)雜工具和方法設(shè)計和優(yōu)化復(fù)雜程序和系統(tǒng)的基本能力。

上述橫向分解的課程目標(biāo)偏重于教學(xué)進(jìn)程式描述,即隨著課程進(jìn)度的逐步完成,學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)結(jié)束時逐步達(dá)成4個目標(biāo)。橫向分解后的課程目標(biāo)是層層遞進(jìn)的,因此,課程目標(biāo)(4)的達(dá)成隱含了課程目標(biāo)(1)—(3)的達(dá)成。這使得整個課程的達(dá)成度評估與持續(xù)改進(jìn)無從著手。

使用縱向分解的思路,可以將計算機系統(tǒng)的課程目標(biāo)分解為3個目標(biāo)。

(1)建立計算機系統(tǒng)思維的基本概念,理解計算機的基本組成與結(jié)構(gòu);理解和掌握計算機系統(tǒng)中信息的表達(dá)方式和存儲形式;了解匯編指令,掌握x86匯編編程基本方法;理解存儲系統(tǒng)基本概念,掌握cache設(shè)計原理和評價方法;了解程序編譯和執(zhí)行的過程,理解重定位、庫文件、棧和異常處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié);了解虛存管理,掌握物理地址與虛擬地址的映射方法。

(2)了解基于程序的性能評估方法,掌握基于實測數(shù)據(jù)收集與分析并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題的方法;了解系統(tǒng)組成各個組件對程序性能的影響,掌握各個組件性能評價方式和指標(biāo);了解影響計算機系統(tǒng)性能優(yōu)化的諸多限制,掌握系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)及其可行性方案分析方法。

定理2 對于時延異構(gòu)多智能體系統(tǒng)式 (1),考慮切換有向拓?fù)淝闆r，各系統(tǒng)參數(shù)滿足如下要求，則該系統(tǒng)獲得編隊控制一致性：

(3)能夠使用常用的開發(fā)工具進(jìn)行命令行程序開發(fā)、性能分析與評估;具備以理論分析為指導(dǎo),通過程序?qū)嵺`進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的能力,掌握以實測程序和系統(tǒng)知識為基礎(chǔ)進(jìn)一步理解、歸納和總結(jié)技術(shù)問題并提出問題的能力。

課程目標(biāo)縱向分解的關(guān)鍵在于課程目標(biāo)之間是相互獨立的、可評估的。通過課程目標(biāo)的縱向分解,可以將具體教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)以及教學(xué)評估與課程目標(biāo)直接關(guān)聯(lián)起來,從而也為課程達(dá)成度評估和持續(xù)改進(jìn)提供關(guān)鍵依據(jù)。

3 新的教學(xué)體系

在保證教學(xué)質(zhì)量的情況下建立公平、統(tǒng)一的教學(xué)體系,有助于進(jìn)一步構(gòu)建有效的持續(xù)改進(jìn)機制。

3.1 課程授課環(huán)節(jié)

計算機系統(tǒng)課堂講授采用大班梯隊課方式,總計48學(xué)時。4位老師組成一個教學(xué)梯隊,分別完成4個部分的課堂教學(xué)任務(wù):第一部分:計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)、Linux實驗環(huán)境與編程、匯編程序基礎(chǔ);第二部分:數(shù)據(jù)的表示與存儲、程序的機器級表示;第三部分:數(shù)據(jù)通路基礎(chǔ)、程序優(yōu)化與存儲層次結(jié)構(gòu);第四部分:鏈接、進(jìn)程控制與虛存管理。

《深入理解計算機系統(tǒng)》一書從程序員的視角出發(fā),分別從程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行、程序在系統(tǒng)的運行以及程序間的通信和交互3個抽象層面介紹計算機系統(tǒng)相關(guān)概念[7]。該教材內(nèi)容覆蓋廣,部分章節(jié)理論難度較大,對學(xué)生的計算機基礎(chǔ)知識和上機動手實踐能力有一定的要求。授課環(huán)節(jié)主要從以下兩個方面進(jìn)行改革。

(1)調(diào)整教學(xué)計劃,將部分涉及基礎(chǔ)操作的內(nèi)容提前,增加各章內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性,學(xué)習(xí)難度由淺入深。很多同學(xué)在學(xué)習(xí)之前只有簡單的高級語言編程經(jīng)驗。為此,教學(xué)組特意將計算機系統(tǒng)概述、Linux系統(tǒng)基本操作、命令行編程與Debug調(diào)試基礎(chǔ)和編譯與鏈接基礎(chǔ)等內(nèi)容作為第一部分。通過該部分的學(xué)習(xí)和實驗,同學(xué)們可以較好掌握Linux基本操作和命令行編程基礎(chǔ),了解基本的Debug命令并查看寄存器和匯編代碼。同學(xué)們首先學(xué)會建立自己的系統(tǒng)環(huán)境尤為重要。教材上有大量的代碼示例均可實際運行與調(diào)試,從實際操作入手亦可有效提升學(xué)習(xí)興趣和主動性。此外,課堂教學(xué)第二部分的主要內(nèi)容是程序的機器級表達(dá),匯編語言是難點和重點。但如果學(xué)生在此之前沒有掌握命令行編程和反匯編基本方法則更加難以理解教材內(nèi)容。從教學(xué)組近年來的教學(xué)效果反饋來看,此處教學(xué)計劃調(diào)整取得了明顯的效果,同學(xué)們在課程實驗和期末編程題的考核中成績均有提升。

(2)教學(xué)梯隊授課,由4位不同風(fēng)格的教師同講一門課,博采眾長并增加課堂活躍度。對于梯隊授課的方式在實際執(zhí)行中能否取得良好的教學(xué)效果有過不少質(zhì)疑,主要集中在兩個方面:其一,梯隊授課通常使用大班授課,學(xué)生課堂聽課效果不佳;其二,一個學(xué)期4位老師上一門課會不會讓學(xué)生覺得無所適從?會不會讓老師無法掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和進(jìn)度?從今年教學(xué)實際效果上看,以3～4個行政班為一組進(jìn)行梯隊式授課教學(xué)效果較為理想。首先,學(xué)生有機會接觸和了解研究方向和教學(xué)風(fēng)格各不相同的4位老師。比如,有的老師喜歡以代碼展示開始,通過實際代碼的分析對基本概念和知識點進(jìn)行講解;有的老師教學(xué)安排嚴(yán)謹(jǐn),將枯燥繁雜的指令系統(tǒng)娓娓道來;有的老師結(jié)合自身科研經(jīng)驗分享計算機系統(tǒng)程序優(yōu)化和存儲系統(tǒng)設(shè)計中的細(xì)節(jié)。以4周為一個階段的授課時間,既可以讓每位老師有充足的時間講授1～2個專題,也有助于讓學(xué)生在一個學(xué)期的課程學(xué)習(xí)過程中始終保持新鮮感和好奇心。其次,雖然大班授課一位老師只講4周,但是每位老師需要全程參與其所負(fù)責(zé)的行政班級的小班討論。從學(xué)生的角度來說,每個行政班還是有一位主講教師對其教學(xué)活動和成果進(jìn)行全程跟蹤并最終做出評價。

3.2 小班討論課環(huán)節(jié)

筆者所在學(xué)校的小班討論課由教務(wù)處統(tǒng)一排課,以1個行政班為單位、每2周一次(2學(xué)時)。每位主講教師和1位助教負(fù)責(zé)2～3個班的小班討論課。小班主講教師將整個學(xué)期跟班上課指導(dǎo),因此可以彌補大班授課帶來的對班級同學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)度掌握不足的情況;小班討論課的內(nèi)容自主學(xué)習(xí)和課程補充相結(jié)合、自由討論為主并輔之以答疑,形式靈活多樣,鼓勵團隊合作,必須實際操作演示。

小班討論課的主要問題有:第一,課程助教由在讀研究生擔(dān)任,臨場組織和引導(dǎo)能力有限;第二,如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,增加討論的活躍度和深度。為此,教學(xué)組要求擔(dān)任課程助教的研究生同學(xué)跟大班聽課,并且每學(xué)期聘用一半以上做過此課程助教的研究生擔(dān)任助教。與此同時,由于主講教師會全程跟班參與小班討論,對討論課的進(jìn)程和質(zhì)量可以有一個總體的掌控。小班討論在幾個方面成為課堂授課的有力輔助:第一,小班討論內(nèi)容的安排是主題討論和課程內(nèi)容補充相結(jié)合;第二,組織形式靈活多樣,鼓勵團隊合作;第三,時間充裕,有助于核心知識點的鞏固和實際操作能力的檢驗。從近年的教學(xué)實踐來看,小班討論成為一個培養(yǎng)團隊合作精神、強化課堂理論知識并督促實踐展示的有效形式。

4 新的評價方法

以往的教學(xué)評價不足之處在于評價方式單一、考核內(nèi)容與課程目標(biāo)關(guān)聯(lián)性不明確,以及持續(xù)改進(jìn)機制不完善等方面。教學(xué)組將原有的以“平時成績+期末考試成績”來評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果的方法調(diào)整為多個教學(xué)環(huán)節(jié)、分目標(biāo)綜合考核方法?？紤]到大班授課時不同授課教師打分的主觀差異性給出規(guī)格化的集體打分指導(dǎo)原則。

1)考核方式。

本課程計分教學(xué)環(huán)節(jié)分為課堂及作業(yè)、討論課、課程實驗、期中考試和期末考試。期中考試為機試,由考試系統(tǒng)給出百分制成績,期末考試為閉卷筆試,由閱卷教師給出百分制成績。其他教學(xué)環(huán)節(jié)使用先分檔評價再規(guī)格化評價的方式。細(xì)化后的考核方式側(cè)重點有所不同?！捌谥锌荚嚒笔褂脵C試,以選擇題為主,主要考查計算機系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)概念的掌握情況;“期末考試”則以編程和系統(tǒng)設(shè)計分析題為主,主要考查關(guān)鍵知識點的掌握情況以及實際應(yīng)用分析的能力;其他3個計分環(huán)節(jié)則可以針對整個教學(xué)環(huán)節(jié)分別給出合理評價。

2)教學(xué)各環(huán)節(jié)教學(xué)檢查與成績評定基本安排。

每位教師為其所負(fù)責(zé)的小班進(jìn)行課程成績評定。助教負(fù)責(zé)批改作業(yè),參與小班討論課和實驗檢查并記錄和評價?？紤]到本課程上課班數(shù)較多、梯隊授課以及助教人數(shù)多(每班1位)的情況,使用“教學(xué)過程分檔化評價”與“期終總評規(guī)格化評價”相結(jié)合的評分方式,并分別給出如下評分標(biāo)準(zhǔn)。

(1)教師及助教的“教學(xué)過程分檔化評價”評分標(biāo)準(zhǔn)。①作業(yè)。主要考核學(xué)生對每堂課知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度。平時作業(yè)以教材習(xí)題為主,目的是檢查學(xué)生對知識的掌握情況以及幫助學(xué)生鞏固所學(xué)各章節(jié)的知識。②課堂。主要考核學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度,以便及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中的問題,保證教學(xué)過程中學(xué)生的參與度并及時解決學(xué)習(xí)中的問題。課堂考勤采用隨機抽查方式,每缺席一次課從該部分成績中降半檔處理。③討論課。小班討論各班分組進(jìn)行,每組 4～6 人。指導(dǎo)教師和助教均對課堂情況和學(xué)生表現(xiàn)分別記錄,從文獻(xiàn)閱讀與準(zhǔn)備、案例分析、PPT制作、團隊合作、現(xiàn)場宣講與演示互動等多個方面評分。④課程實驗。實驗內(nèi)容課程中心提前發(fā)布,學(xué)生自主選擇課余時間完成,安排固定時間節(jié)點集中進(jìn)行實驗驗收,并要求實驗成績按評分標(biāo)準(zhǔn)打出區(qū)分度。

(2)教師的“教學(xué)過程分檔化評價”評分標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)格化方法如下:每次的作業(yè)、實驗和討論課發(fā)言,助教都進(jìn)行記錄和評價。助教的評分作為老師評定規(guī)格化成績的依據(jù)。任課教師根據(jù)助教的打分,將班上同學(xué)分為A/B/C三檔,然后再將各類成績按照任課教授掌握的課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況、討論課活躍度與學(xué)習(xí)質(zhì)量等多方面綜合表現(xiàn)予以計分。

3)持續(xù)改進(jìn)機制。

持續(xù)改進(jìn)機制包括教學(xué)過程的可追溯性及定期教學(xué)分析與改進(jìn)兩個方面。在對課程目標(biāo)的縱向分解之后,即可更為明確地將各個考核環(huán)節(jié)與具體課程目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而更為方便地考查各個課程目標(biāo)的完成情況。

表1為計科1501班期末試卷分析表格之一,從中可以看到,第四題和第六題得分率偏低。第四題為程序分析題,考查反匯編代碼綜合分析能力;第六題為綜合設(shè)計題,考查虛存系統(tǒng)相關(guān)知識點。

表1 計科1501班期末試卷分析

得分率偏低反映出本學(xué)期教學(xué)中的幾個問題:首先,部分同學(xué)核心知識點基本概念熟悉,但綜合運用能力較差,表現(xiàn)為對于通過C代碼和反匯編代碼對比從而分析程序棧空間分配與管理的能力比較弱;其次,課程第四部分內(nèi)容較深、學(xué)期末教學(xué)效果有所下降,這也反映在第六題得分率只有0.14。針對上述問題,教學(xué)組初步擬定了改進(jìn)方案:第一,在小班討論課環(huán)節(jié)結(jié)合課程實驗案例,增加程序?？臻g管理與綜合分析的論題,強化通過C代碼和反匯編代碼協(xié)同分析程序能力的培養(yǎng);第二,調(diào)整第4部分課堂授課內(nèi)容,突出虛存管理,重點培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

5 結(jié) 語

筆者所在學(xué)院2015年開始由傳統(tǒng)的計算機組成與原理課程方案改為以《深入理解計算機系統(tǒng)》為教材、面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機系統(tǒng)課程方案。針對計算機系統(tǒng)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和現(xiàn)有教學(xué)方法的不足,教學(xué)組以O(shè)BE理念為核心從課程目標(biāo)、教學(xué)體系和評價方法3個方面進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化。首先,以“縱向分解”的原則重新審定了教學(xué)目標(biāo);其次,按照教學(xué)反饋意見和教學(xué)組特點重新制定了教學(xué)體系,增強教學(xué)過程的可追溯性和可評價性;最后,按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求改進(jìn)教學(xué)評價方法,建立持續(xù)改進(jìn)機制。計算機系統(tǒng)課程教學(xué)方法的改進(jìn),有助于學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)知識,并從系統(tǒng)的角度認(rèn)識和了解計算機,最終提高學(xué)生使用計算機解決實際問題的能力。