谭志虎?秦磊华?胡迪青
摘 要：核算机体系才干培育是现在国内外核算机教育的新动向。体系才干的培育依赖于核算机专业理论与实践教育的有用联动，传统核算机实践教育体系存在试验方针离散、试验内容分裂、试验规划不行、试验渠道别离的问题，结合体系才干培育的体系观、结构观、工程观等特征，以规划与完结完好的核算机软硬件体系为顶层方针，重构了面向核算机体系才干培育的一体化实践教育形式，并给出了相应实践教育安排确保体系。
关键词：核算机体系才干；实践教育；体系观；结构观；工程观
2013年以来，核算机体系才干培育已经成为国内外核算机教育的新动向，教育部高等学校核算机类专业教育辅导委员会（以下简称“教指委”）非常注重并展开了很多体系才干培育的研讨与推广作业，国内一大批高校参加“教指委”主导的核算机体系才干培育研讨项目，环绕体系才干培育的课程体系和实践体系进行了很多探究与实践。华中科技大学核算机学院从2012年开端推广核算机体系才干培育，并对面向体系才干培育的实践教育形式进行了探究。
一、核算机体系才干培育的基本特征
2008年，国内学者提出了包含核算机体系认知、体系规划、体系开发及体系使用等才干点的核算机体系才干概念，并规划了面向体系才干培育的核算机专业中心课程体系[1]。2011年又对核算机体系才干进行了细化，别离将体系认知才干、体系规划才干、体系开发才干及体系使用才干细化为6，19，23及14个才干点[2]。
2013年美国ACM/IEEE研发了Computer Science Curricula 2013（CS2013），对其前期发布的CC2001华夏有的14个常识域进行了适度调整，增加了体系根底、并行和分布式核算、根据渠道的开发、信息确保和安全等四个新领域，一同着重体系常识和体系才干培育。归纳剖析CS2013和近几年国内体系才干培育的系列研讨作用[3-5]，可以发现核算机体系才干培育具有如下几个基本特征。
（1）体系观。体系观是体系认知、体系设
计、体系开发及体系使用才干的共性表现。着重学生对核算机体系的深刻了解[6]，掌握核算体系软/硬件部分各笼统层的相关、彼此约束与彼此促进联系；了解核算机底层硬件结构（包含并行结构）、指令集规划等对程序履行功用的影响，具有“功用编程”的思想和体系层次视界。
（2）结构观。结构观是体系规划才干的详细表现。着重培育学生从核算机软/硬件功用部件到核算机体系及使用体系的规划才干，包含硬件功用部件（含芯片、外部设备等）、智能体系硬件（含核算机硬件、传感器硬件等）、体系软件、使用体系的规划才干；着重自主常识产权，着重软/硬协同。
（3）工程观。工程观是体系开发和体系使用才干的详细表现。着重培育学生软/硬协同视角下的核算机体系开发和完结才干，练习学生考虑工程约束要素、挑选恰当技能和东西进行工程优化的认识。着重大工程观[7]，注重工程施行进程中科学要素、技能要素及非技能要素的和谐与交融。
充沛了解核算机体系才干培育的上述特征，对展开面向核算机体系才干培育的实践教育形式的研讨具有十分重要的辅导意义。
二、实践教育环节存在的短少
经过前文对核算机体系才干培育三个基本特征的剖析不难发现，体系才干培育需求经过很多的体系级杂乱工程练习才干到达。但是，现在核算机类专业实践教育形式在许多方面还存在一些不利于体系才干培育的要素，归纳起来主要有如下短少。
（1）试验方针离散。试验方针环绕课程教育方针制定，短少体系级顶层规划和一致规划，导致专业中心课程间的相关与交融不行、体系性不强，难以给学生供给体系级思想与实践的练习，不利于学生树立体系观。
（2）试验内容分裂。原有实践体系中课程试验内容规划均按课程进行，没有考虑相邻课程的试验作用怎么有机集成为功用更强、规划更大的体系，学生在校期间短少完好核算机体系规划与完结的实践阅历，无法到达杂乱核算机体系结构观的练习。
（3）试验规划不行。只要到达满足规划，一个体系所具有的共性特征、开发难点等才干较好闪现，学生才干真实学习并掌握体系结构办法，进一步领会体系结构的中心准则（如规划权衡）[8]。原有实践体系方针离散、内容无序分裂、各课程试验规划偏小，工程练习强度短少，很难养成体系级开发才干中必需的工程观本质。
（4）试验渠道别离。原有形式下除软件类课程试验在微机上完结外，硬件类试验渠道一般都是按课程配备，如大多数核算机院系别离配备有数字逻辑、组成原理、接口技能、嵌入式体系等课程的试验台/箱，别离的试验渠道只能完结功用部件级而无法支持体系级练习。
三、体系才干培育实践教育一体化规划
体系才干的内在提醒出体系才干培育只要经过很多的实践环节才干到达。面向体系才干培育的实践既着重原创性自主规划或集成性立异，又着重实践应具有必定的规划性和杂乱度[7]。
原有实践体系中课程试验方针定位、内容规划及试验渠道配备等均按课程进行，短少一体化规划，加之原有课程结构不完好，多门课程的试验不能交融集成为完好核算机体系，学生在校期间短少完好核算机体系规划与完结的实践阅历。这就要求咱们依照CDIO的理念，打破课程约束，按所確立的体系才干培育侧重点进行实践教育体系的顶层重构。
（1）实践教育体系顶层规划。为协助学生树立杰出的核算机体系观，咱们将大学四年可以独立规划完结一个集成自主CPU、操作体系、编译体系的完好的核算机体系作为顶层实践教育方针，要完结该顶层方针学生有必要掌握CPU规划、接口规划、操作体系软硬集成、编译器集成的体系才干。而这些才干的培育依赖于对相关软硬件规划东西的娴熟运用，依赖于CPU各功用部件的规划与完结才干，依赖于根据FPGA的接口规划才干，依赖于操作体系与编译体系的规划与完结才干，依赖于核算机软硬件协同的了解，所有这些才干的培育均细化分化到对应的理论课程与实践课程中。
（2）试验内容一体化。根据核算机体系规划与完结所需常识与才干体系，将规划完结完好核算机体系的总使命划分红若干个可映射到不同课程试验、又可彼此集成的子模块，如运算器子模块、控制器子模块、接口子模块、操作体系子模块、编译器子模块，这些子模块能在同一FPGA渠道上集成与继续交融，并终究构成完好核算机体系。学生在上述各功用模块的规划与集成并终究构成完好核算机体系的实践中逐步进步其核算机体系的剖析规划才干与开发才干。
这种以整机完结为方针的试验内容分化办法既改变了曩昔仅根据课程设置试验导致内容分裂不能集成的格式；又将难度相对较大、耗时长的体系级归纳试验有计划地分步施行，进步了体系才干培育的有用度和可履行度，从根本上处理了曩昔开设体系级归纳试验面对的学时短少和试验使命巨大的难题。表1给出了华中科技大学核算机学院面向核算机体系才干培育的试验内容一体化示例。
（3）试验方针一体化。为协作试验内容一体化，需清晰每门课程试验环节服务于本课程教育的部分方针和服务于完好核算机体系规划的大局方针，大局方针是试验方针一体化的详细表现。协助学生领会先导课程与后续课程间的相关，掌握课程试验的部分与全体联系，进步学生对课程实践环节的注重，调集学生主动实践的积极性，进步实践教育和体系才干培育的有用度。表2给出了华中科技大学核算机学院面向体系规划的试验方针一体化示例。
（4）试验渠道一体化。针对试验渠道别离存在的问题，依照核算机体系才干培育的要求，将系列中心课程的试验渠道一致到一致的FPGA渠道上进行，为体系级试验的施行供给渠道支撑。FPGA技能及EDA软件的遍及为渠道一体化供给了杰出的技能支持，细巧简便的FPGA开发板便于带着，打破了试验时刻和场所的约束，便于保护和办理，打破了试验渠道别离、试验内容分裂对体系规划与完结才干培育的许多约束；将完结完好核算机体系的使命划分红若干个在FPGA开发板上可运转、可集成的子模块，如CPU、接口、操作体系、编译器等子模块，将它们映射成不同课程的试验内容，并据此断定课程试验的方针，完结内容一体化和方针一体化，在学生中营造出“ 配备一块开发板，造出一台核算机”的杰出空气。有用处理课程试验方针离散、试验内容无序分裂不能交融构成完好核算机体系的问题。
一体化实践体系立异了实践教育形式，有用打破了试验渠道与时刻对展开体系才干培育归纳实践的约束，完结了课内、课外相结合，跨课程、跨学期的大型归纳实践项目得以分步施行，为学生的自主试验、个性化学习发明了杰出的试验环境。
四、体系才干培育的实践教育安排
（1）实践教育“小班化”。为协助学生战胜畏难心思，及时掌控试验发展，进步试验作用，有必要为学生供给及时、有针对性的试验辅导。为此，咱们对体系才干培育的试验环节采纳小班化安排形式，除为每个小班级配备一名专任教师进行现场试验辅导外，还为每个小班级配备1～2名高年级本科生助教。助教选拔条件为完结过所辅导的试验且成绩优异者，以便为学生供给最及时而优异的实践辅导。
（2）进程办理“精细化”。体系才干培育实践教育总方针具有较高挑战性，要确保终究的完结率，尽可能地让大部分同学参加体系才干培育的全进程，有必要有精细化的进程办理做确保。关于难度较高的归纳实训类课程需求有严而不死的讲堂考勤制度确保学生的参加度；学习游戏的杰出体会，可将较难的实践方针细分红若干可清晰查看的阶段子使命（相似游戏关卡），难度逐步递进，以增强学习的及时反应，进步学习爱好；尽力为学生供给丰厚的测试用例及主动检测东西（游戏配备），进步学生学习功率；经过云渠道及时汇总公示学生学习进展（游戏龙虎榜），促进构成良性竞赛的学习空气；线上线下师生经常性互动，收集整理各种常见问题（游戏通关秘籍）；测验团队协作以及天梯对立机制让学生们一同愉快地进行协作学习（战队游戏）。
（3）实践考评“工程化”。为根据内容一体化集成不同课程的试验成果构成一台完好核算机，需对每门课程的试验成果依照必定的工程规范进行评价检验。考量的目标包含：功用完结度、体系功用、代码质量、文档质量、立异性、资源耗费、时刻进展等。在系列课程试验的工程化考评进程中，学生的工程认识、工程本质和工程才干不断进步，这也为体系才干培育归纳练习的顺利完结供给了确保。
现在该形式已在一届学生的全程培育进程中成功实践，取得了较好的作用。学生遍及反映体系才干归纳练习具有极大的挑战性，试验难度和水平与国外先进课程相等，但实践教育确保得力，完结了“看似不可能完结的使命”，学生体系才干明显进步。未来咱们将在核算机体系才干培育归纳实训的多样化方面进行新的测验，为学生供给更多差异化的挑选，进一步激起学生的学习热心和发明性。
参考文献：
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[责任编辑：余大品]
