鹿 玲

遼寧科技大學計算機與軟件工程學院，遼寧 鞍山 114051

一、概述

計算機系統(tǒng)基礎是軟件工程專業(yè)常設的一門專業(yè)基礎課程，以計算機組成原理課程的內容為主，外加計算機導論和數(shù)字邏輯等課程的部分內容。有些高校的軟件工程專業(yè)會安排計算機導論和數(shù)字邏輯這兩門課程，安排在上計算機系統(tǒng)基礎課程之前講授。如果沒開這兩門課程，那么軟件工程專業(yè)的課程體系結構中，涉及計算機硬件知識的課程基本上就只有計算機系統(tǒng)基礎這門課程了。軟件工程專業(yè)的計算機系統(tǒng)基礎課程有它自身的特點，起到開啟計算機軟硬件底層基礎知識學習的作用。

實際教學過程中我們發(fā)現(xiàn)部分學生對計算機系統(tǒng)基礎課程的作用與地位理解得并不全面，學習的熱情也不高。課程組針對軟件工程專業(yè)學生學習這門課程的心理與狀態(tài)，提出擴展計算機系統(tǒng)基礎課程學習的知識面、運用CDIO 教學模式、實施項目驅動教學三項教學改革措施。實踐證明，這些教學改革措施對于通過計算機系統(tǒng)基礎課程教學提升軟件工程專業(yè)學生的復雜工程問題解決能力行之有效，學生愿意主動學習這門課程了，真正從這門課程中學到了工程問題解決方法，提升了計算機系統(tǒng)基礎相關知識在實際工程項目中的運用能力。

二、軟件工程專業(yè)計算機系統(tǒng)基礎課程的特點

軟件工程專業(yè)培養(yǎng)的是軟件開發(fā)方面的人才，要求學生具有軟件工程思想，能夠綜合利用所學知識進行計算機軟硬件相關的開發(fā)工作，尤其是軟件相關的開發(fā)工作。軟件開發(fā)工作是不是只要學習了數(shù)據(jù)庫相關知識、學習了幾門開發(fā)語言以及一些開發(fā)環(huán)境就能夠勝任呢？答案是否定的。這樣只是能夠完成一定范圍內極為有限的軟件開發(fā)工作。軟件工程專業(yè)的主干課程有許多，光是程序設計語言就有C++、C#、Java、SQL 等，還些必修的馬克思主義理論、大學外語、高等數(shù)學、大學物理、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等基礎課程，更有離散數(shù)學、計算機系統(tǒng)基礎、數(shù)據(jù)結構、軟件工程、操作系統(tǒng)、ASP.Net、Java 方向的Web 開發(fā)框架等專業(yè)基礎課與專業(yè)課，甚至還要學習一些選修課程才能滿足學分要求。另外，在四年的學習過程中，學生還必須參與各種課程設計、生產(chǎn)實習及畢業(yè)實習等實踐環(huán)節(jié)。計算機系統(tǒng)基礎主要講授的是計算機組成原理課程相關的內容，涉及知識非常寬泛、教學內容跨度非常大，其中的概念繁多而且理解起來很抽象，對學生的學習是一大挑戰(zhàn)。

三、部分學生的片面認識

部分學生對計算機系統(tǒng)基礎這門課程在整個人才培養(yǎng)體系中的作用和地位認識不清，存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，實踐環(huán)節(jié)薄弱。軟件工程專業(yè)的部分學生對這門課程的重視程度不夠，認為純理論授課有些枯燥乏味，不易產(chǎn)生學習熱情。部分學生認為作為一名軟件工程專業(yè)的學生，學好與學不好計算機系統(tǒng)基礎這門課對將來從事的IT方向的工作影響不大，授課過程中也經(jīng)常有學生會問“我是一名軟件專業(yè)的學生，學習這門課程有用嗎？”的問題。這些思想導致部分學生對計算機系統(tǒng)基礎這門課程沒能足夠重視。

將計算機系統(tǒng)基礎作為軟件工程專業(yè)學生的專業(yè)基礎課程是很有必要的。軟件的載體就是計算機硬件系統(tǒng)，只有對計算機硬件系統(tǒng)有了充分的了解，才有可能對軟件系統(tǒng)進行優(yōu)化，軟件開發(fā)才能游刃有余，沒有不涉及硬件的軟件。軟件開發(fā)涉及的范圍很廣，學生將來不可能僅僅是開發(fā)Web 應用一種應用程序，經(jīng)常要通過軟件來與某些硬件打交道，因此對計算機系統(tǒng)基礎這門課程理解得越透，將來從事軟件開發(fā)工作才會越順手。

可以說計算機系統(tǒng)基礎課是軟件工程專業(yè)學生了解計算機系統(tǒng)硬件工作原理唯一的一門課程。軟件工程專業(yè)學生一般沒有學過模擬電子、數(shù)字電子及電路等電子方面的知識，而計算機系統(tǒng)基礎課除了講解計算機系統(tǒng)硬件工作原理外，也起到讓學生對電子、電路等相關知識有一定了解的作用。學生如果有了一定的電子及電路知識，對接下來的計算機系統(tǒng)基礎課程的學習會更容易一些，授課效果也會更好一些，也就能夠引起學生的主動學習興趣了。

計算機系統(tǒng)基礎課程知識在軟件開發(fā)過程中是經(jīng)常被用到的，對于學生解決復雜工程問題能力有很大影響。計算機系統(tǒng)基礎課程常分為計算機中數(shù)據(jù)信息表示、運算方法與運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、總線及I/O 設備等幾大部分。計算機中數(shù)據(jù)信息表示講的是二進制信息在計算機內部的表示方法，涉及原碼、反碼、補碼、移碼及字符與漢字信息的表示等知識。在高級語言中可以定義整數(shù)、浮點數(shù)據(jù)、字符及字符串等變量并進行相應的運算，這些都是在編譯系統(tǒng)的編譯下，最終變?yōu)槎M制的0 與1，才能在計算機內表示和運算的，因此高級語言中的一些語法實現(xiàn)也與這門課程的數(shù)據(jù)信息表示有關聯(lián)。學生只有清楚知道將來會用到計算機系統(tǒng)相關知識，才會努力學好這門課程。

四、提升軟件工程專業(yè)學生復雜工程問題解決能力的三項措施

2006年我國開始開展工程教育專業(yè)認證工作，以工程教育國際接軌為突破口，通過強化內涵發(fā)展提升質量，在促進更新教育觀念、建立標準意識和強化質量意識方面起到了重要作用。培養(yǎng)工程類專業(yè)大學生解決復雜工程問題能力是工程教育認證的核心思想。培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力需要分解、落實到課程教學等人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)。在計算機系統(tǒng)基礎課程教學中可以通過運用CDIO 工程教育模式、拓展計算機系統(tǒng)基礎課程學習的知識面以及實施項目驅動教學的措施來培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學生的復雜工程問題解決能力。

（一）運用CDIO教學模式

CDIO 工程教育模式是當今國際上流行的工程教育模式。CDIO 是Conceive、Design、Implement 以及Oper‐ate4 個英文單詞的開頭字母，代表構思、設計、實現(xiàn)和運作4種含義，在歐美發(fā)達國家經(jīng)過多年的運行，已經(jīng)形成較為完善的課程實施的標準和大綱，在多個國家、多個專業(yè)中得以應用，取得了很好的反響。目前，我國一些高校已經(jīng)開始實施CDIO 教學模式。CDIO 教學模式與我國現(xiàn)行的高等教育對計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)目標（知識、技能、能力和素質四部分）高度契合，更以其可行性、可操作性，得到了眾多高校的響應，其與“以項目驅動教學”的思想相一致，與目前正在全國高校展開的工程教育專業(yè)認證的初衷相一致。CDIO 教學模式是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體,讓學生以一種主動的、實踐的、課程之間能有機聯(lián)系的學習方式去學習相關課程，并提升學生將所學知識串聯(lián)起來解決實際問題的能力。CDIO 教學模式將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。CDIO 教育理念的核心文件是：1個愿景、1個大綱和12條標準。其中12條標準對整個模式的實施和檢驗進行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導意義。CDIO 教育理念體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學性和先進性的統(tǒng)一，代表了當代工程教育的發(fā)展趨勢，是對本科大學四年整個課程體系結構、教學與實踐過程提出的一個建議框架。

如何通過計算機系統(tǒng)基礎課程的學習，讓學生達到課程要求的預定目標，如何通過計算機系統(tǒng)基礎這門課程來實現(xiàn)CDIO 教學模式要求，需要教師在教學過程中不斷探索和改進。CDIO 教學模式可以體現(xiàn)在大學四年的課程體系設置上，也可以體現(xiàn)在大學四年的理論與實踐的教學過程中，還可以體現(xiàn)在某門課程的具體教與學的過程中。在計算機系統(tǒng)基礎課程教學的后期，可以用真實的項目來體現(xiàn)CDIO 教學模式。具體的實現(xiàn)步驟包括幾項：一是教師先提出一個項目的系統(tǒng)概況，由學生深入探討，如項目的最終目的是什么，最終能實現(xiàn)哪些功能，還可以擴充什么功能，實現(xiàn)的方法是什么，等等；二是對系統(tǒng)進行分塊設計，再用Protel 畫出具體的原理圖及PCB 圖；三是制成PCB 電路板，并焊裝元器件；四是運行系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行軟硬件的調整與修改，使系統(tǒng)符合最初的設計要求。這樣一個從設計到實現(xiàn)的過程就是CDIO教學模式的體現(xiàn)過程。

CDIO 教學模式分為Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現(xiàn)）和Operate（運行）4個步驟，強調的是以產(chǎn)品或系統(tǒng)的完整開發(fā)過程作為工程教育的環(huán)境，目的是培養(yǎng)學生的工程能力。在計算機系統(tǒng)基礎課程教學的后期，學生已經(jīng)能設計出一個具體的能解決實際問題的計算機應用系統(tǒng)，比如單片機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。按照CDIO 教學思想，課程教學后期完成一個具體的項目能使學生應用到所學的知識，當然CDIO 教學思想并不只是課程教學后期的一個項目實現(xiàn)，而是在每節(jié)課的教學過程中都要滲透所學知識的用途，因為不知道如何去使用的知識是不會讓人感興趣的。

（二）拓展計算機系統(tǒng)基礎課程學習的知識面

對于軟件工程專業(yè)的學生來說，拓展與計算機系統(tǒng)基礎課程相關的知識面是必須做到的。在軟件工程專業(yè)課程設置中，軟件方面的課程學時理所當然地占有較大比重，有的院校在課程設置上可能會去掉計算機導論和數(shù)字邏輯等課程，計算機硬件方面的知識只由計算機系統(tǒng)基礎一門課程來承擔。在這種情況下，計算機系統(tǒng)基礎課程的授課內容就不能只局限于本門課程，因為學生在計算機硬件方面的知識相對缺乏，那么在學習這門課的過程中，學生一定會感到學習困難。這不是課程本身的問題，也不是教師的問題，而是知識面的問題。比如在講授“運算方法與運算器”章節(jié)時，要用到與門、或門、異或門、非門、半加器及全加器等數(shù)字邏輯方面的知識，如果不進行知識擴展，學生在學習這章內容時就會有聽天書的感覺，因為學生根本就沒聽說過這些名詞，更不知道它們的原理是什么以及實物是怎樣的，把這些概念拿來就用，學生一定聽不懂，也會使學生厭倦本門課程的學習。軟件工程專業(yè)的學生在將來的工作中必然會接觸硬件方面的技術知識，而計算機硬件知識與技能如果不過關就會影響到學生的復雜工程問題解決能力。

計算機系統(tǒng)基礎課程教師在授課過程中應引導學生將所學知識加以應用以提高學生的學習興趣。比如在計算機測控系統(tǒng)中，計算機會通過串口或網(wǎng)口將采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，這就涉及計算機系統(tǒng)基礎課程中“數(shù)據(jù)信息表示”的數(shù)據(jù)大端存儲模式與數(shù)據(jù)小端存儲模式的問題。這些問題在項目開發(fā)過程中會經(jīng)常用到，如果學生在學習時沒有用心，或者根本就沒有學過，那么在軟件調試的過程中就會走許多彎路，以為讀取到的數(shù)據(jù)就應該是自己認為的那樣，但這樣的調試數(shù)據(jù)是不對的。如果學生在學習過程中對這段章節(jié)有很深的印象，那么調試程序時就會很容易想到問題出在哪里，也就能夠快速地解決問題。再比如學生將來從事與計算機硬件相關的開發(fā)工作，可能就會用到本門課程“總線技術”章節(jié)的內容，像PCI接口卡用到的PCI總線，還有USB 設備用到的USB 總線等。擴展知識面可以使學生更容易學好這門課程，教會學生如何應用所學知識，也使學生更愿意主動學習這門課程。

（三）實施項目驅動教學

基于項目驅動的教學，是在課程教學過程中，以完成實際項目需求為目標，把相關的教學內容和知識點融入項目的各個環(huán)節(jié)之中。以科研項目為“理論聯(lián)系實際”的紐帶，讓學生在科研探索的同時可繼續(xù)深入學習理論，這是培養(yǎng)本科生分析和解決問題以及提升科研創(chuàng)新能力的有效途徑。為了能將計算機系統(tǒng)基礎課程的學習有機地串聯(lián)起來，加深學生對所學知識的理解，應該從工程實際出發(fā)，在教學中滲透工程思想，從問題的提出以及解決方法的構思到具體設計直至項目的實現(xiàn)，一步一步地讓學生參與其中，以此提高學生的復雜工程問題解決能力。

計算機系統(tǒng)基礎課程需要講授指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、總線技術及I/O 設備等內容，在內容講授完成后，師生共同完成一個綜合性質的項目，將課程所學知識有機地串聯(lián)起來，以提升學生的工程問題解決能力。例如讓學生設計一個以51 單片機為中心的熱力計費系統(tǒng)。首先向學生提出如何設計一個熱力計費系統(tǒng)、設計這個系統(tǒng)的目的是什么、系統(tǒng)應該具有什么樣的功能、由什么樣的計算機硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)來擔任系統(tǒng)的控制中心角色以及系統(tǒng)會用到哪些外圍的元器件等問題。這些問題的提出可以起到集思廣益的作用。當然，學生不一定就能設計出符合實際應用要求的系統(tǒng)，但是通過這樣的操作可以使學生了解本門課程在軟件工程專業(yè)中的地位與作用，可以說計算機系統(tǒng)基礎課程是計算機軟件與硬件的橋梁。接下來給出硬件設計與軟件設計的具體細節(jié)，以及最終實現(xiàn)系統(tǒng)的全部過程。熱力計費系統(tǒng)硬件邏輯如圖1所示。

根據(jù)硬件結構邏輯圖，通過Protel 等軟件實現(xiàn)具體的硬件設計與實物搭建，需要應用到許多數(shù)字邏輯方面的知識，也會應用到計算機系統(tǒng)基礎課程的知識內容，如軟件實現(xiàn)會用到“計算機數(shù)據(jù)信息表示”章節(jié)中的內容。通過類似這樣一個系統(tǒng)的實現(xiàn)，講授清楚系統(tǒng)的實現(xiàn)與計算機系統(tǒng)基礎課程之間的聯(lián)系，可以讓學生了解了一個項目的開發(fā)過程。這種以實際項目為驅動的教學方法會極大地提高學生學習本門課程的熱情，學生不再會有枯燥的感覺。以實際項目為驅動的教學方法實質上也是CDIO 教學理念的具體體現(xiàn)。當然，全部的硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)并不一定要求全都由學生獨立完成，只是通過這樣的一個或幾個實際項目來驅動計算機系統(tǒng)基礎課程的實際教學，讓學生對學習這門課程有一個全新的認識，能夠收到更加理想的教學效果。

五、結論

計算機系統(tǒng)基礎課程是培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學生復雜工程問題解決能力的重要一環(huán)，該課程是計算機軟硬件連接的橋梁。經(jīng)過對往屆畢業(yè)生的調查反饋，軟件工程專業(yè)的畢業(yè)生所從事的IT 方向的工作大都會涉及一些與計算機硬件相關的技術，從事軟件開發(fā)也需要一定的計算機系統(tǒng)基礎方面的知識與技能。通過課改前后這門課程教學效果的對比發(fā)現(xiàn)，在實際的教學過程中，擴展數(shù)字邏輯方面的有關知識是讓學生深入理解這門課的必要條件，正確運用CDIO 教學模式、以實際項目驅動理論教學，對提升軟件工程專業(yè)學生的復雜工程問題解決能力大有幫助。