0 引 言
国家产业的不断发展对计算机专业拔尖人才培养提出了新的要求和挑战，要求计算机专业人才具备扎实的计算机理论基础，能从事计算机领域的基础研究，具有解决复杂工程问题和进行软硬件协同设计的能力。为了适应人工智能高速发展对人才需求的不断变化，计算机系统能力成为计算机类专业人才必备的基础能力。计算机系统能力的培养主要从理论知识体系、实验实训体系、实践教学体系等方面来体现和提高学生对计算机系统的分析、设计、创新等能力 [1-4]。
一直以来，在计算机系统类课程教学中，学生难以根据所学知识点建立完整的计算机系统观念，缺乏对计算机核心理论的深入理解，无法掌握计算机核心技术 [4]。同时，各门课程的内容都是独立教学，自成一体，老知识重复讲，新知识点都没有讲；实验体系规划缺乏系统性，造成实验设备重复购买；相关课程之间关系割裂，不利于学生系统地学习和理解知识。
针对这些实际教学问题，应对课程体系进行改进，以计算机组成与设计、微机系统与接口技术、操作系统、编译原理等课程为主线，以培养系统能力为统一目标，建立层次化贯穿式课程群，整个体系注重系统，强调内容贯通，并不断以产业热点为目标进行动态调整；还要探索改进教学方法。
1 系统课程群知识关联体系构建
为了解决原来课程独自为政、课程之间无衔接关系，不利于学生系统能力培养的问题，我们将电路与电子技术、数字逻辑、计算机组成与设计、计算机体系结构、微机系统与接口技术、嵌入式系统等诸多硬件课程组成计算机硬件课程群；采用核心、模块化、内容贯通等教学改革理念，汇总核心课程知识体系，建立课程内容衔接关系，从而使各课程之间形成输入输出关系。每门课程以前导课程相关知识点为基础，设计独立的知识体系和实验内容，同时为后继课程提供基础和实验元件。这样，不仅课程群内各内容模块之间构成前后递进的层次关系，而且知识点之间也构成了逐步迁移关系，系统课程群知识关联体系如图 1 所示。
在这个课程群内容关联架构基础上，要梳理出每个内容模块的知识点，根据前后层次关系在线上平台构建层次化的系统课程群知识关联网络，利用多元组描述知识点和知识单元模型，赋予属性含义及多媒体信息表现形式。同时，线上平台学习导航工具引导学生选取课程、章、节、 知识点热字，实现按学生要求与状态提供相应学习内容及关联的知识，帮助其进行包含探究、互动、协作等建构活动的自主学习，以促进知识向能力转化。
2 基于“知识迁移+问题导向”的教学模式
为了更好地在教学过程中赋能，需要将计算机系统课程知识点的关联讲授与基于问题的学习模式进行结合，形成适于知识迁移的问题导向教学模式，以充分发挥教师的引导作用并突出学生的主导地位，培养具有创新能力的人才。
适于知识迁移的问题导向教学方法通过讲授—吸收、情境—体验、指导—探究、引导—自主和交流—协作5个学习模式，实现知识从传递、领悟、迁移、发表、孵化到强化的过程，在不同的教学阶段，教师和学生在问题提出、分析和解决过程中扮演的角色不同，使用的学习模式也不同。综合利用这些学习模式，能培养学生分析和解决问题能力，提高学生的认知、实践、创新能力和素质。
教学模式的特点是在不同的教学阶段，教师和学生在问题提出、问题分析和问题解决中扮演的角色也不尽相同。在这种教学模式下，老师将知识分为常规知识、智慧技能和元认知策略，并将教学目标中提到的知识点根据上述3种知识进行分类。教师在实际教学环节中，根据各种知识的特点选取不同的教学环境、教学手段和评价标准。
在学生尚未具备一定的常规知识、智慧技能和元认知策略的情况下，教师要更多地承担问题的提出、分析和解答的任务，以问题为导向培养学生对各种知识的掌握能力，形成“教师讲授，学生理解”的专业问题知识学习模式。
在学生储备一定数量的各类知识之后，再逐渐让学生学会如何提出问题、归纳问题、分析问题、解决问题，形成“教师指导，学生主动”的交互式问题解决模式，在此阶段各类知识之间出现了明显的迁移趋势，学生心智技能开始得到开发，自主学习能力开始被挖掘，学习动机的激活功能、指向功能和强化功能显著增强。
在学生经过一定的问题导向训练之后，就可以转向“教师引导，学生自主”的问题导向学习模式，着力培养学生的抽象逻辑思维能力，教师可以少讲课甚至不讲课，更多地提出问题，以促进者的角色激励学生的学习动机，组织问题解决小组，营造问题解决氛围，担当引导咨询角色， 实现传统教学模式与现代教学模式之间的衔接。
图2直观地表示了知识从传递、领悟、拓展、发表、孵化到强化的过程。学习模式可根据知识的迁移和解决的问题变化，综合利用常规手段和电子学习实现。①学习基础知识时，教师主要在课堂上以讲授—吸收学习模式传递给学生最基本的知识；② 教师针对讲授的问题在实物或线上仿真用情境—体验学习模式促进学生对知识的体验和领悟，证实问题答案；③教师通过辅导、答疑、作业和讨论让学生学会主动提出、归纳、分析、解决问题，这种指导—探究学习模式使学生知识得到巩固并出现明显的拓展趋势；④ 学生经过问题导向训练之后，自主探究、拓展知识的愿望显著增强，可转向引导—自主学习模式，充分利用自主学习等功能自主提出和解决问题；⑤师生、学生之间在提出和分析问题过程中利用多种交流手段以交流—协作学习模式研究问题解决方案，进行知识发表、交流讨论、合作学习，孵化新知识、强化知识联系。学习模式可根据学习的进度和解决的问题动态变化，并且可以在课堂、实验室和线上学习系统上进行，在学习过程中使用的电子学习系统还能够与互联网上知识网站、知识图谱关联扩展，从而更高效地帮助学生吸收新的知识，产生新的知识关联。
3 基于“知识迁移+问题导向”的计算机系统课程群教学实践
基于问题的教学模式是以问题为基础来展开教与学的一种模式 [5]。在这种模式中，教学不仅要直接着眼于学科知识传授，而且要着眼于学生提出问题的能力、分析解决问题的能力、沟通能力和创新的能力，教师应当采用积极的教学方法，使学生不但成为知识的接受者，还要成为知识的探索者、创造者 [6]。在这种教学模式下，整个教学过程的关键就是课堂和课后问题的联合设计，引 导学生自主思考和探索。课堂问题设计需要在讲授内容和学生已经学习的知识之间制造一种关联， 将学生引入思考知识之间关联的情境中，让学生自发思考知识点的含义并产生疑问，课堂提的问题要具体，具有启发性，且不能太难，因为课堂时间有限；课后问题设计引伸于课堂所学知识，学生需要进一步深入思考和实验验证，问题要具有趣味性，启发性，并有一定难度，能够吸引学生去探索和验证，解除疑惑，从而自然实现知识迁移 [7]。
例如，计算机系统基础课程中讲授“程序性能优化”时，以C语言实现矩阵乘法运算为例：课堂要求学生实现一个8×8矩阵乘法程序，教师引导学生不断增加矩阵大小，同时测试程序执行时间，按照经验学生会知道随着矩阵增大，所需要时间也在增加，这是一个线性的关系，但是实际进行实验时，他们会发现当矩阵增大到一定规模时，所需时间变成了原来的几倍。这个现象引起了学生的疑惑，因此唤起了学生强烈的好奇心和求知欲，跃跃欲试想探索原因并优化程序。在此阶段学生还不知道如何去探究，因此，老师应该及时指导学生了解引起该问题的原因以及解决方法涉及的相关知识，带着这个问题进入后续课程学习。具体教学过程见表1。
4 教学实践效果
2020 级计科弘毅班（拔尖人才班）实施了上述教学模式，使学生带着问题到课堂听课和课后自学，探究问题的兴趣浓厚，既调动了学生对枯燥硬件知识学习的积极性，又会促进师生在课堂内外的互动，课程作业和实验的完成指令都有较明显提高。学生对教学的评价也由过去的“太枯燥，这些硬件知识对编程有什么用”转变成为“能理解硬件对程序的影响，能结合计算机的架构优化程序性能”。图3是2020级和2019级计算机组成与设计课程期末成绩分布情况，高分段成绩人数明显增加，低分段学生人数减少了。2020级学生计算机系统综合设计课程中完成一个完整计算机硬件系统并实现应用程序（如扫雷游戏）的比例从 2019 级的不到10% 提高到 40% 以上。
5 结 语
在不断的教学改革中，配合教学模式的探索更新、教学内容的丰富改进，系统课程群内的各课程不仅在不同程度上提高了学生对本课程知识点的学习兴趣，还把本课程与前导和后续课程相衔接，构建从知识点到知识关联网络、从模块到系统、从单一课程到系列课程的完整体系。通过基础知识学习到实际应用问题解决整个完整过程，从系统层面进一步培养了学生的认知、实践与创新能力。
当前，计算机专业人才培养目标中要求学生毕业若干年后能够成为“具有较强研究、开发、 管理、创业能力的”从业人员，“或在国内外知名 IT 企业、大型企事业单位从事科技公关、软硬件系统设计、技术管理等核心工作”，这为系统课程群指明了课程优化和建设的方向。在前期工作的基础上，正在按照工程认证的要求把教学内容与目标逐步向课程目标对齐，并相应对教学方法 进行进一步的改进和丰富，不断向着“按照国际 标准培养、切实提高工程技术人才培养质量”的目标靠近 [8-9]。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部. 新工科研究与实践项目指南[S]. 教高厅函[2017]33号.
[2] 孙大为, 张玉清. 新工科背景下计算机系统思维能力培养模式探析[J]. 计算机教育, 2020(7): 94-97.
[3] 杨书新, 兰红, 蔡虔. 新工科背景下的计算机类专业人才培养探索与实践[J]. 计算机教育, 2021(6): 47-51.
[4] 廖媛媛. 新工科背景下计算机系统能力的培养[J]. 电脑知识与技术(学术版), 2019, 15(3): 3.
[5] 刘宝存. 美国研究型大学基于问题的学习模式[J]. 中国高教研究, 2004(10): 3.
[6] 李钦. 基于过程改进的任务型教学模式改革设想[J]. 高教论坛, 2016(2): 3.
[7] 罗玉川, 柳林, 徐明. 基于问题导向和深度学习的计算机网络课堂教学实践研究[R]. 南宁: 2021中国高校计算机教育大会, 2021.
[8] 中国工程教育专业认证协会. 工程教育认证通用标准解读及使用指南(2022版)[EB/OL]. [2023-02-02]. http://tj.ecjtu.edu.cn/
info/1107/3559.htm.
[9] 兰勇, 安毅生, 明洋. 工程教育认证背景下计算机硬件课程教学改革与实践[J]. 教育教学论坛, 2021(28): 84-87.
基金项目：湖北高校省级教学研究项目（2022024）；2023年武汉大学本科教育质量建设综合改革项目（武大本函 [2022]169 号）。
第一作者简介：蔡朝晖，女，武汉大学副教授，研究方向为计算机体系结构、物联网技术，zhcai@whu.edu.cn。
转自：“计算机教育”微信公众号
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