目標(biāo)驅(qū)動的核心課程和實驗課程體系設(shè)計方法

張　莉　馬殿富

文章編號：1672-5913(2009)02-0046-03

摘 要：針對目前大部分課程各自為陣、互不往來，且部分課程內(nèi)容陳舊的情況，本文提出了一種目標(biāo)驅(qū)動的核心課程和實踐體系設(shè)計的系統(tǒng)化方法，從具體的核心培養(yǎng)目標(biāo)(對學(xué)生而言，應(yīng)該是可操作可考核的綜合能力指標(biāo))推出學(xué)生應(yīng)該掌握的知識和能力，對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析，分解層次，形成系統(tǒng)的知識和能力體系；從而細(xì)化設(shè)計每年的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)而落實到課程的設(shè)計。該方法內(nèi)容具體，系統(tǒng)性強，可操作性、可跟蹤性好。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)驅(qū)動；核心；課程；設(shè)計

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，課程內(nèi)容更新的需求越來越強烈，事實上，這種需求一直沒有間斷。社會需要什么樣的人才？隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的普及，各個非計算機專業(yè)學(xué)生編程能力的提高，到底具備哪些知識、何種能力的計算機專業(yè)人才更具有競爭力，也是多年來困擾大家的問題。

我們不斷地更新我們的教學(xué)計劃、課程體系、課程內(nèi)容，但是我們的更新合理嗎？系統(tǒng)嗎？滿足目標(biāo)嗎？更多的時候，我們在頭疼醫(yī)頭，我們在打補丁，結(jié)果讓我們的課程體系補丁不少、漏洞也不少。更重要的是各門課程各自為陣，部分知識重復(fù)講，而又因存在“知識縫隙(gap)”不能很好地銜接。面對這樣的問題，我們提出了目標(biāo)驅(qū)動的核心課程和實驗體系設(shè)計方法，并在北航計算機學(xué)院新一輪核心課程與實驗課程體系設(shè)計中進(jìn)行了初步實踐，有一些體會，和大家共享切磋。

2 目標(biāo)驅(qū)動的核心課程和實驗體系設(shè)計模型

總體思路：目標(biāo)驅(qū)動的設(shè)計方法，從具體的核心培養(yǎng)目標(biāo)(落實到可實現(xiàn)的指標(biāo))，推出學(xué)生應(yīng)該掌握的知識和能力，對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析，分解層次，形成系統(tǒng)的知識和能力體系；細(xì)化設(shè)計每年的培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)而落實到課程的設(shè)計。

設(shè)計原則：

1) 和目標(biāo)緊密結(jié)合，目標(biāo)動，課程動。保持良好的可跟蹤性，從而使該方法有很好的適應(yīng)性，能適應(yīng)計算機技術(shù)的快速發(fā)展；

2) 先考慮知識和能力體系，不考慮課程，有利于知識和能力設(shè)計的系統(tǒng)性，避免目前各門課程之間缺乏銜接、或者互相重復(fù)等問題。

3) 課程間銜接好，互相補充，完成同一個目標(biāo)；

4) 強調(diào)能力的培養(yǎng)，重視實踐環(huán)節(jié)。

5) 強調(diào)集成，重視綜合能力的培養(yǎng)。

內(nèi)容：本方法分解為幾個階段：

1) 具體核心培養(yǎng)目標(biāo)的選擇及其選擇方法；

2) 面向培養(yǎng)目標(biāo)的計算機專業(yè)核心知識和能力體系的設(shè)計；

3) 基于計算機專業(yè)核心知識和能力體系的核心課程體系、實踐體系的設(shè)計和設(shè)計方法；

4) 分層次的綜合能力實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計。

我們將結(jié)合我們的實踐對該方法的應(yīng)用做一個詳細(xì)的闡述。

3 方法的使用：在北航計算機學(xué)院的實踐

(1) 核心培養(yǎng)目標(biāo)的選擇和設(shè)計

●核心培養(yǎng)目標(biāo)的選擇

根據(jù)北航本科生的培養(yǎng)要求和計算機學(xué)院的培養(yǎng)定位，我們考慮應(yīng)滿足如下原則：

1) 體現(xiàn)計算機專業(yè)學(xué)生的核心能力需求；對計算機的工作原理(軟硬件)有深刻理解，并理解現(xiàn)有計算原理的局限；

2) 體現(xiàn)當(dāng)前最新的、成熟的技術(shù)(目前產(chǎn)品的主流技術(shù))；

3) 具備綜合能力：系統(tǒng)的觀點、工程的觀點。

結(jié)果：基于MIPS指令系統(tǒng)，使學(xué)生有能力設(shè)計一臺功能型計算機、一套操作系統(tǒng)和研發(fā)一套編譯器，最終形成一個相對完整的功能型計算機系統(tǒng)。

●細(xì)化核心培養(yǎng)目標(biāo)

如何細(xì)化培養(yǎng)目標(biāo)？最好的辦法是實踐。我們組織骨干教師設(shè)計了一臺滿足以上目標(biāo)的功能型計算機，命名為MiniComputer。基本思路是：以數(shù)理邏輯為理論基礎(chǔ)，設(shè)計和開發(fā)數(shù)字邏輯部件；以MIPS指令系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計和開發(fā)計算機核心系統(tǒng)；以MIPS指令系統(tǒng)為目標(biāo)語言，設(shè)計和開發(fā)編譯系統(tǒng)；以自己研發(fā)計算機為環(huán)境，設(shè)計和開發(fā)操作系統(tǒng)。

之后，我們組織2-3年級的本科生在教師的指導(dǎo)下，分組進(jìn)行培訓(xùn)和實驗，在這個過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生已掌握知識是否充分，還有哪些欠缺，還需要補充哪些知識點，學(xué)生在這個過程中接收知識的難易程度(發(fā)現(xiàn)有時和老師的預(yù)期有差異)。教師的任務(wù)是要關(guān)注整個過程，記錄整個過程，并給予學(xué)生適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)和協(xié)調(diào)。實際實施過程對教師也是一個很大的挑戰(zhàn)，尤其是硬件部分的調(diào)試、整個系統(tǒng)的集成。

幾個關(guān)鍵問題：

1) 首先定義MiniComputer需要支持的高級程序設(shè)計語言，從而決定了該機器需要提供的支持能力，也在相當(dāng)程度上決定了本項目的難易程度；

2) 根據(jù)語言的要求，考慮對操作系統(tǒng)的要求；根據(jù)語言的要求設(shè)計該機器應(yīng)能支持的指令集合；

3) 得到指令系統(tǒng)的定義和硬件系統(tǒng)的需求定義；

4) 實驗過程的記錄和分析，了解學(xué)生在整個過程的學(xué)習(xí)和實驗進(jìn)展情況；

5) 開發(fā)相應(yīng)的仿真軟件，支持硬件、操作系統(tǒng)等的調(diào)試。

(2) 面向培養(yǎng)目標(biāo)的計算機專業(yè)核心知識和能力體系設(shè)計方法

1) 通過對以上實驗結(jié)果的分析，抽取計算機專業(yè)核心知識點及其關(guān)系、核心實驗?zāi)芰捌潢P(guān)系。

分析結(jié)果(粗略)：

(a) 計算機工作原理的充分理解：掌握系統(tǒng)的觀念、協(xié)作的原理和方法。

(b) 較強的軟件實現(xiàn)能力(實現(xiàn)編譯器、操作系統(tǒng)、硬件仿真器-調(diào)試器等)，包括對高級程序設(shè)計語言的理解、高級語言程序設(shè)計能力、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法(算法的分析能力)、基礎(chǔ)的工程訓(xùn)練(軟件工程基礎(chǔ)知識)；

(c) 硬件系統(tǒng)的理解和設(shè)計、實踐能力：對數(shù)字邏輯、計算機部件的設(shè)計、計算機系統(tǒng)的設(shè)計、匯編語言的理解等。對系統(tǒng)的調(diào)試和集成、工程實踐能力；

(d) 對數(shù)理邏輯的要求。

2) 對知識點和能力進(jìn)行分析，分解能力的階段和層次，獲得計算機專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的核心知識和能力體系(系統(tǒng)的知識和能力體系)。

注：這一階段不涉及課程，不考慮課程。避免內(nèi)容分散、缺乏系統(tǒng)性。

這部分的成果：整理出系統(tǒng)的知識點和路線圖(前后關(guān)系圖)(略)。

●分解為各年級的培養(yǎng)目標(biāo)

一年級的培養(yǎng)目標(biāo)：計算機思維模式的培養(yǎng)，邏輯思維的培養(yǎng)，基本程序設(shè)計能力的培養(yǎng)。

二年級的培養(yǎng)目標(biāo)：提高的程序設(shè)計能力、復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運用能力、算法分析能力。數(shù)字邏輯、計算機部件的設(shè)計，完成硬件設(shè)計的需求。

三年級要達(dá)到的目標(biāo)：編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。軟件工程等知識和實踐。

綜合集成目標(biāo)：軟硬件的集成、應(yīng)用程序的運行—系統(tǒng)測試，團隊訓(xùn)練。

(3) 基于核心知識和能力體系的課程體系設(shè)計

根據(jù)知識體系和能力體系設(shè)計課程體系，并將知識點分解到理論課程。將能力培養(yǎng)落實到實驗課程。從而得到課程體系和實驗課程體系的藍(lán)圖，包括課程定位和銜接關(guān)系。

如《數(shù)理邏輯》：側(cè)重布爾代數(shù)課堂教學(xué)，通過實驗環(huán)節(jié)使得學(xué)生掌握根據(jù)需求建立邏輯描述的方法和能力，包括布爾邏輯及其變換、真值表的邏輯表示以及邏輯范式表示。

《數(shù)字邏輯與數(shù)字部件設(shè)計》：使得學(xué)生基于《數(shù)理邏輯》所建立邏輯描述，借助于硬件描述語言和EDA軟件工具，完成包括寄存器、加法器、狀態(tài)機等在內(nèi)的一系列計算機基礎(chǔ)硬件組件的設(shè)計和開發(fā)，為構(gòu)造更加復(fù)雜的計算機硬件功能部件打下良好的基礎(chǔ)。

《計算機組成原理》：在《數(shù)字邏輯與數(shù)字部件設(shè)計》實驗環(huán)境所完成的各類硬件基礎(chǔ)組件的基礎(chǔ)上，同時利用軟件模擬器和HDL作為主要的實驗手段，使得學(xué)生深入理解處理器內(nèi)部工作機理，掌握匯編級程序設(shè)計技術(shù)及技巧，并以此為基礎(chǔ)利用HDL實現(xiàn)指令系統(tǒng)的子集及部分相應(yīng)的計算機功能部件，完成一個功能型計算機硬件的核心部分，并能在其上運行簡單的匯編程序。

《操作系統(tǒng)》：通過實驗環(huán)節(jié)，一方面進(jìn)一步豐富和完善該功能型計算機的硬件功能，另一方面學(xué)習(xí)系統(tǒng)軟件開發(fā)方法和工具鏈，開發(fā)和移植一個簡化的操作系統(tǒng)，最終構(gòu)造出一個相對完整的計算機系統(tǒng)。

《編譯技術(shù)》：通過實驗環(huán)節(jié)，一方面豐富《計算機組成原理》中所完成功能型計算機硬件的指令系統(tǒng)，進(jìn)一步完善該計算機硬件功能，另一方面為讓學(xué)生了解編譯器的構(gòu)造技術(shù)，以及如何在一個裸機上實現(xiàn)對高級語言的支持，最終能在自己的機器上運行一個高級語言的程序。

(4) 進(jìn)一步設(shè)計完善各門核心理論課程的培養(yǎng)大綱

(5) 進(jìn)一步設(shè)計完善各門核心實驗課程的實驗大綱和手冊

由于涉及到眾多課程和知識點，將不在本文列出。回過來對照教學(xué)計劃，我們發(fā)現(xiàn)幾個大的變化：1)課程之間更加系統(tǒng)化，任課教師之間能更好的理解，尤其通過共同參與實驗、共同的討論，較好地解決了以前各門核心課程各自為陣、相互獨立、知識不連貫同時有互相重復(fù)的現(xiàn)象； 2)課程之間的貫穿性得以體現(xiàn)，并獲得深刻理解，如邏輯在后續(xù)課程的應(yīng)用等；3)硬件類課程成體系，內(nèi)容得到很好的更新，采用了MIPS指令集，硬件描述語言貫穿整個課程和實驗體系；4)軟硬件得到較好的集成，問題變得更加真實，不再是抽象的理論，如操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的接口、編譯技術(shù)中面向特定體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，打通了軟硬件之間的一個“Gap”；5)學(xué)生真正理解計算機系統(tǒng)，而不再是一個個的片段，從而深刻理解計算機的工作原理和局限。同時培養(yǎng)了學(xué)生較強的工程實踐能力。滿足北航計算機學(xué)院關(guān)于科學(xué)型和工程型相結(jié)合的人才培養(yǎng)定位。

4 一點體會和進(jìn)一步的工作

通過這個項目，我們有一些體會。對目標(biāo)系統(tǒng)的分析，必須做實驗，而且需要學(xué)生的參與，即在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生自己來完成，這樣我們才能：1)深入細(xì)節(jié)；2)了解學(xué)生掌握知識的難易程度。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)了很多預(yù)先沒有考慮到的細(xì)節(jié)，而且發(fā)現(xiàn)一些我們認(rèn)為簡單的問題，學(xué)生理解起來可能很困難；而一些我們以為困難的地方，學(xué)生卻很容易的掌握了。真正的深入實踐可以讓我們發(fā)現(xiàn)問題，從而調(diào)整課程內(nèi)容的設(shè)置、課程講解的方式以及深入的程度。當(dāng)然，本方法還有很多地方需要進(jìn)一步細(xì)化和總結(jié)，尤其在可跟蹤性方面，希望有工具可以支持。

致謝：感謝北京市教學(xué)改革項目、北京航空航天大學(xué)教學(xué)改革項目的資助。感謝參與該項目的所有教師，他們是劉旭東、龍翔、高小鵬、王雷、史曉華、艾明晶等。

參考文獻(xiàn)

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