西部地區高校計算機系統平臺課程建設實踐

摘要：西部地區信息產業的快速發展使得信息技術方向的應用型人才需求愈加迫切。計算機系統平臺課程是計算機科學與技術專業（信息技術方向）規范中的一門全新課程，其中涵蓋了從硬件平臺、軟件平臺、操作系統到應用平臺的諸多內容。文章結合青海大學計算機技術與應用系的實際情況，總結對此門課程進行建設的探索與實踐，希望其中的經驗能夠為地方高校類似課程的開設提供參考。

關鍵詞：西部高校；計算機專業；課程建設；計算機系統平臺

0 引言

西部地區經濟和社會發展一直在全國范圍內處于相對落后的地位，西部大開發政策為西部偏遠地區信息技術的發展以及計算機專業人才的培養提供了新的機遇。青海省作為經濟欠發達地區，信息技術仍相對落后很多。西部高校的計算機專業如何結合地方經濟發展進行教學實踐，成為一個重要的研究課題。

青海大學計算機技術與應用系在培養定位上，一直秉持“面向西部地區經濟建設主戰場”的理念，強調能力與素質并重，培養信息技術與應用的特色人才，滿足社會對高質量應用型人才的需求。培養方案設計和教學計劃制定參考了2006年教育部計算機教學指導委員會計算機專業教學分委員會（簡稱“教指委”）發布的《計算機科學與技術本科專業規范（信息技術方向）》（下面簡稱《規范》）。《規范》指出，信息技術是一門針對社會與各種企事業單位的信息化需求，提供實施技術與解決方案的學科，與青海大學計算機技術與應用系應用型信息技術人才的培養原則和目標相一致。

在《規范》推薦的課程體系中，計算機系統平臺是其中重要的一門專業必修課，課程內容涉及計算機硬件平臺、軟件平臺、操作平臺和應用平臺等。作為一門全新的專業課，該課程有很多需要探索和研究的內容。我們結合自身探索和初步實踐，將對課程的內容組織、教學方法、實踐環節等幾個方面進行探討。

1 課程教學內容的選取與優化

本課程的學習目的是使學生了解和掌握信息系統開發、運行和維護所需要的整個平臺所相關的技術，涉及計算機系統的不同層次，包括硬件、軟件、操作系統和應用軟件等。通過學習不同層次所提供的支撐功能，感受并理解人們能夠在這樣的平臺上做哪些事情，并掌握計算機系統平臺中一些典型功能實現的基本原理。

本課程理論講授48學時，實驗部分32學時，按教學內容進行劃分，課程教學內容學時安排如圖1所示。其中計算機硬件平臺部分學時相對較少，相比傳統計算機專業的計算機組成原理課程內容進行了大幅度的裁剪，尤其是其中較深的理論、抽象的概念等難以理解和接受的部分。應用開發平臺部分則對常用的軟件開發環境進行介紹，使學生聯系其他課程中與編程相關的知識進行結合和過渡，從而對計算機上層平臺有更加清晰的認識。

1.1 課堂理論教學內容

計算機系統平臺課程既包括傳統計算機專業課程體系中的計算機組成原理和操作系統課程的主要內容，還包括向上層應用平臺延伸的部分內容，涉及的范圍十分廣泛。因此，如何根據專業培養方向的目標和定位對本課程教學內容進行選取是需要精心設計和探索的。信息技術方向以培養應用型人才為目標，強調的是專業知識的針對性和應用能力的培養，因此應著重提高課程學習內容的針對性和應用性。作為一門全新課程，青海大學計算機技術與應用系將計算機系統平臺的理論教學內容的學時安排如表1所示。

首先，我們將計算機作為一個整體的軟硬件平臺介紹給學生，使學生對本課程有直觀的了解并產生興趣。接下來講解指令系統和匯編程序設計，讓學生先練習，通過匯編語言編寫一些簡單的程序，掌握基本語句的含義，對后續講解CPU控制器和運算器的實現具有很好的鋪墊作用。“計算機信息表示”單獨作為一章來介紹進制轉換及運算等知識。第四章重點介紹構成計算機的5大功能部件以及連接它們的總線。在有限的學時內，我們將涉及理論部分的內容大部分裁剪掉，旨在讓學生領會計算機設計的基本思想及各功能部件的基本工作原理即可。

第五章從操作平臺的角度人手講解操作系統的功能和作用，進程管理、內存管理、外存管理及外設管理分別對應第六至十章的內容。最后加入關于應用開發平臺的內容，學生可結合在其他課程中所接觸的集成開發環境及應用程序接口等來學習此部分知識。

本課程的理論教學內容從平臺的視角出發，將計算機硬件、操作系統、應用開發從底至上貫穿其中，形成完整的體系。經過幾輪教學實踐嘗試，對內容順序進行了合理的調整，使得學生在學習的過程中能夠承前啟后，達到良好的學習效果。

1.2 課程實踐教學內容

根據西部地區信息產業的實際需求，我們所培養的學生需要具備很強的計算機應用技能，才能適應工作崗位對人才的迫切需求。因此，作為一門重要的專業課程，實踐教學內容必須經過精心合理的安排和設計。目前，青海大學計算機技術與應用系所采用的計算機系統平臺實踐教學內容學時安排如表2所示，總計32學時。

經過近3年的課程調研發現，使用筆記本電腦的學生比例高達95%，而使用臺式計算機的學生非常少，曾經拆開過主機機箱的學生更是屈指可數。據此，本課程實踐環節首先讓學生通過親自動手來了解計算機的硬件組成，使學生對計算機有直觀的認識。目前實施設備包括真實PC機及16位教學實驗機。實際效果表明，學生紛紛表示實驗后收獲很大。接下來，匯編程序設計實驗要求學生在教學實驗機上用匯編語言編寫一些簡單的程序，在熟悉匯編語言的基礎上進一步了解指令系統及CPU運算器和控制器的工作方式。實驗3讓學生通過編寫中斷程序進行驗證性實驗，觀察多級嵌套中斷的效果，并理解中斷產生、響應、處理的工作過程。

實驗4讓學生通過親自動手安裝Windows和Linux操作系統，熟悉這兩種不同的操作系統。在此基礎上，實驗5-8通過讓學生在實際操作系統上利用程序員接口編寫程序，了解不同的操作系統在進程管理、內存管理、存儲器管理等方面的實現方法。實驗9和實驗10上升到應用層面，要求學生分別在Linux環境和Windows環境下進行綜合性的程序設計，利用Shell及集成開發環境進行規模較大的程序開發。

綜上所述，實踐教學內容遵循從底至上的順序，配合理論教學中講解到的各種原理和方法，讓學生能夠將專業學習與實際動手相結合。實踐環節的精心設計和有效實施大大提高了學生學習本門課程的興趣，也加深了學生對整個計算機系統平臺核心實現原理的理解。

2 教學方法與手段

針對目前青海大學計算機技術與應用系計算機專業信息技術方向課程教學的現狀和學生自身的基本情況，我們進行了一系列教學改革的實踐探索，力求提高和改進本門新課程的教學質量。

2.1 教學方法的改進

計算機硬件構成和操作系統相關的內容相對枯燥，如果照本宣科地講授將會使學生很快喪失對課程的學習興趣。下面從幾個方面來討論對計算機系統平臺課程教學方式與方法的探索。

1）結合技術前沿引發學生興趣。

學生在剛剛接觸一門新的課程時并沒有太多的認識和了解，因此應該利用這一關鍵時機，引導學生激發出對本課程的學習興趣。計算機系統平臺是整個課程體系中首先接觸到軟硬件綜合知識的課程，應當結合當下最前沿技術的發展趨勢對計算機進行介紹，使學生既能了解到最新技術也能增強對計算機原理的學習興趣。例如，在講解計算機與用戶的交互時，給學生演示iPad的使用（當時平板電腦尚未在國內發售），學生表示很感興趣。近年來，隨著云計算、移動平臺和嵌入式操作系統等技術的興起和廣泛應用，在課程中對這些最新概念進行介紹能夠使學生體會到本課程與實際的緊密聯系。

2）聯系實際應用幫助學生理解。

在教學時遇到比較枯燥的知識點，應適當結合實際應用來講授，從而幫助學生理解。例如，在講解進程管理部分時，進程控制塊中包含各類與進程相關的信息。此時，可直接在Windows系統中開啟進程管理器，通過“選擇進程頁列”的功能，可以看到PID、優先級、線程數等屬性，使學生產生直觀的理解。又如，信號量可以用生活中常見的場景聯系講解。在銀行填寫單子時需要用公用筆，如果只有3支筆可以用，即信號量的初始值為3；每來一個顧客請求用一支筆，相當于執行了一次P操作，信號量的值減1；當顧客用完筆放下后，相當于執行V操作，信號量的值加1。這樣，當信號量值為負值時，其絕對值的含義為當前等待用筆的顧客數。這個過程的講解可以加深學生對信號量含義的理解，更能夠體會到此種機制在實際問題中如何應用。

3）開放式討論活躍課堂氣氛。

在課堂教學中，氣氛沉悶影響學生聽課效果以及對知識的記憶和掌握。因此，應積極鼓勵學生成為課堂的一部分，適時采用開放式討論。例如，在講到Windows與Linux的發展史時，可以讓學生根據其自身對兩種系統的了解和熟悉程度，討論到底哪種操作系統更好。這類問題本身并無確定答案，學生在激烈的爭辯中不但使課堂氣氛更加活躍，而且也能夠發掘他們平時積累的知識，鍛煉其表達和組織語言的能力。再如，在講解死鎖部分時，可以讓學生先想一想可以用什么方法解決死鎖（如哲學家進餐問題中的死鎖現象），讓學生能夠主動思考，而不是被動地等待教師灌輸知識。開放式的討論使得學生不再覺得自己“置身事外”，而是真正成為了課堂教與學的核心參與者。

2.2 教學手段的改革

教師與學生為實現共同的目標，完成共同的學習任務，應不斷開發新型的教學手段，促進目標和任務的達成。下面從幾個方面來討論對教學手段全方位的探索。

1）全面利用信息化輔助教學。

利用逐步完善的校園網環境，借助各種信息化手段來輔助教學各環節的實施。具體包括：課堂上通過精心設計的電子課件增強教學效果；利用網絡資源提供網上在線學習，開展教學互動；利用教育在線平臺進行電子作業收集，開發抄襲檢測系統督促學生養成良好的學習風氣，同時也提高教師批改作業的效率。運用這些信息化手段，加強了學生和教師之間的互動，并能夠督促學生認真完成課堂和課下任務。

2）利用動畫演示形象化講解。

在教學過程中需要講解一些動態變化過程時，采用動畫演示等形式進行呈現能夠起到很好的輔助效果。除了教師自己制作動畫和演示之外，更鼓勵學生利用課余時間開發Flash動畫或采用自己熟悉的編程語言編寫與課程相關的演示程序，并采取一定的激勵機制。這樣，通過生動、形象的程序可以緩解教學內容的枯燥乏味。更重要的是，學生在開發的過程中大大地提高了動手能力，并更加深入地理解課程的相關內容。

3）重視實踐教學環節。

本課程理論性很強。長期以來，本課程團隊一直以培養學生能力為核心，結合教學內容和人才培養目標開設不同層次的驗證、設計、綜合類實驗項目，根據對學生的觀察和了解，為其定制合適的實驗難度。此外，在一部分實驗中采用分組進行團隊協作的方式，使學生學習并掌握與他人協作完成文檔編寫、代碼調試、運行測試等重要的專業技能。實驗課考核成績以30%的權重記入總評成績。考核內容應較為全面地反映學生實驗課的表現，包括出勤、實驗指導書預習、實驗前準備、實驗操作和實驗報告等。重視及精心設計實踐教學環節，能夠很好地激發學生的學習熱情。理論與動手相互結合，也為今后的長遠發展奠定了良好的基礎。

3 實踐教學條件建設

計算機系統平臺課程的實驗環境配套有20套清華大學自主研發的TEC-2008教學計算機面板如圖2所示，既可以作為講解原理知識的實例，又用于教學實驗。

TEC-2008教學計算機指令系統設計目標滿足教學要求，機器字長16位，有單字和雙字指令完備性支持監控程序和簡單匯編語言程序設計。該教學計算機系統支持運算器部件、控制器部件、嵌套中斷等多種類型的實驗，對提高課程教學質量發揮了重要的作用。

此外，實驗室還專門配備了專用服務器，為學生搭建了操作系統實驗環境。除此之外，每名學生擁有自己的實驗機，可以進行應用軟件平臺的使用和程序開發。上述實踐教學環境的建設有效地保障了本課程實踐環節的實施和進行。

4 結語

計算機系統平臺是計算機科學與技術專業信息技術方向的課程體系中一門重要的基礎課程。由于西部地區高校生源質量不高，基礎相對較差，這就要求教師必須在教學過程中探索符合計算機技術發展特點和學生實際情況的教學模式。我們從教學內容、教學方法、教學手段和實踐環節等方面對本門課程的探索進行了總結和探討，以供更多教師參考。今后，我們還需要進一步解決教學中所存在的問題，不斷提高教學質量，使培養出的學生能夠真正學有所用，為西部地區信息技術產業的發展作出貢獻。

（見習編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）