摘要：介紹同濟大學計算機科學與技術(shù)卓越課程行動計劃，對計算機科學與技術(shù)系已有課程進行凝練和深化，提出“計算機系統(tǒng)級課程”的教學改革方案。通過兩級基礎(chǔ)深化、知識體系構(gòu)建、實踐能力培養(yǎng)和前沿技術(shù)追蹤，將計算思維融入課程中，取得若干教學改革成果。

關(guān)鍵詞：卓越課程；計算機系統(tǒng)；計算思維

0 引言

“卓越工程師培養(yǎng)計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是適應我國工業(yè)化發(fā)展進程，培養(yǎng)和造就一大批創(chuàng)新能力強、適應我國經(jīng)濟社會發(fā)展需要的工程技術(shù)人才的重要舉措，是增強我國核心競爭力、建設(shè)創(chuàng)新型國家、走新型工業(yè)化道路的必然選擇。同濟大學作為首批實施“卓越計劃”的高校，于2010年啟動“卓越課程行動計劃”，加強課程的內(nèi)涵建設(shè)，推動教學改革以取得突破性進展。

另一方面，計算思維（ComputationalThinking）作為一種教學理念，近年來在計算機基礎(chǔ)教育中受到關(guān)注。計算思維是指運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。當今社會已進入信息化時代，具備計算思維，能夠運用計算機技術(shù)和手段進行學習和工作、解決專業(yè)問題是高級人才必備的素質(zhì)。計算思維能力是與讀寫能力一樣的人類基本思維方式。

為了配合同濟大學實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”試點方案，提高骨干教師的業(yè)務素質(zhì)和教學水平，同濟大學于2011年開展計算機科學與技術(shù)卓越課程行動計劃，將計算思維融入“計算機系統(tǒng)級課程”的教學改革中，取得了良好的教學效果。

1 “計算機系統(tǒng)級課程”教學改革內(nèi)容

本次課程改革試點的核心內(nèi)容主要包括3個方面：一是課程授課方式改革；二是訓練（指各種類型的作業(yè)、結(jié)合課程的創(chuàng)新性實驗項目、綜合性和設(shè)計性實驗等）方式改革；三是考試方法改革。

課程授課方式改革要大力推行啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式、小班制等教學方式。訓練方式改革除了傳授知識外，還要通過設(shè)計綜合性作業(yè)、結(jié)合課程的創(chuàng)新性項目以及其他形式多樣的綜合性訓練，將學生的綜合能力和人格培養(yǎng)落實到具體課程教學中?？荚嚪椒ǜ母镆龖嚱逃a(chǎn)生的不利影響，以學生綜合能力評價和人格養(yǎng)成作為核心，努力實現(xiàn)學生學習成績評價方式的多元化。同時，建立計算機系統(tǒng)級教學團隊，以團隊形式對課程進行設(shè)計，積極建設(shè)和落實包含課程授課方式、訓練方式、考試方法3大環(huán)節(jié)改革的具體方案。

“計算機系統(tǒng)級課程”教學改革項目在同濟大學軟件學院和電子與信息工程學院共建的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”國家級精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合電子與信息工程學院在學科方向上的特色和優(yōu)勢，采取“兩級基礎(chǔ)深化、知識體系構(gòu)建、實踐能力培養(yǎng)、前沿技術(shù)追蹤”4項措施，建立面向“卓越工程師”培養(yǎng)的計算機系統(tǒng)級課程教學體系。

1）兩級基礎(chǔ)深化。教師通過“計算機與信息安全導論”“計算機導論”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程，分別從廣度與深度兩個方面對學生進行全面的計算機學科基礎(chǔ)教學?！坝嬎銠C與信息安全導論”和“計算機導論”旨在幫助初學者認清學科的輪廓，而“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”則為計算機學科高年級本科生提供完整的學科核心知識。

2）知識體系構(gòu)建。教師以“虛擬化與云計算”“Web編程”和“計算機前沿技術(shù)概論”等課程為基礎(chǔ)，建立計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的知識體系框架，為強化計算機科學與技術(shù)學科的特色和建立完整的計算機系統(tǒng)學科知識體系規(guī)范打下基礎(chǔ)；同時還注重相關(guān)課程的交叉，如“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”與“操作系統(tǒng)原理”“編譯原理”在虛擬操作系統(tǒng)、編譯優(yōu)化等方面的結(jié)合，“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”與“虛擬化與云計算”在大規(guī)模并行處理系統(tǒng)下的融合等。

3）實踐能力培養(yǎng)。教師通過“計算機系統(tǒng)實驗”課程，將“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“操作系統(tǒng)原理”與“編譯原理”等課程中關(guān)系極為密切的核心內(nèi)容以綜合實驗形式進行集成，如存儲結(jié)構(gòu)及其管理、目標代碼生成及優(yōu)化、線程調(diào)度等。這樣既有利于消除孤立知識點，又加強了學生的綜合實踐能力訓練，為他們將來從事計算機系統(tǒng)開發(fā)工作打下堅實基礎(chǔ)。

4）前沿技術(shù)追蹤。教師通過“計算機前沿技術(shù)概論”課程追蹤國際計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的前沿問題與技術(shù)。

筆者提出的面向卓越工程師的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系列課程體系框架如圖1所示。該教改項目的實施將提高計算機系的辦學水平，加強對青年教師的培養(yǎng)力度，同時也有助于本科教學中多出科研成果。

該教改項目從理論與實踐2個方面展開，圍繞計算機系統(tǒng)主題，在課程體系建設(shè)上注重基礎(chǔ)、突出重點。特別是在實踐教學方面，除了在相應課程的實驗環(huán)節(jié)對學生進行訓練外，還將在專門的“計算機系統(tǒng)實驗”課程中進行有關(guān)計算機系統(tǒng)硬件和軟件2個方面的完整的集成實驗，通過數(shù)據(jù)采集和建模分析等手段驗證實驗結(jié)果的正確性和有效性。通過發(fā)現(xiàn)并解決實驗過程中遇到的各種問題，學生更加深刻地理解并扎實地掌握計算機學科的核心理論，同時提高了從理論到實踐的知識貫通能力和創(chuàng)新能力。

各門課程的教改內(nèi)容簡述如下。

1）計算機與信息安全導論。作為該教學體系的基礎(chǔ)課程，將突出建設(shè)計算機系統(tǒng)知識體系方面的基礎(chǔ)知識。主要教改內(nèi)容如下：

①選用《Computer Science：An Overview》作為該課程的雙語教材：

②每章核心內(nèi)容突出計算機系統(tǒng)方面的基礎(chǔ)知識；

③將計算機系統(tǒng)方面的基本知識從傳統(tǒng)計

算機導論內(nèi)容中自然引出；

④展開雙語教學，并建設(shè)精品課程。

2）計算機導論。作為該教學體系的基礎(chǔ)課程，將突出建設(shè)計算機系統(tǒng)知識體系方面的基礎(chǔ)知識。主要教改內(nèi)容如下：

①選用《Computer Science：An Overview》作為該課程的全英文教材；

②每章核心內(nèi)容突出計算機系統(tǒng)方面的基礎(chǔ)知識；

③加強計算思維方面的教學和實踐，將Python作為入門編程工具培養(yǎng)學生的實踐動手能力；

④展開全英文教學，并建設(shè)精品課程。

3）計算機前沿技術(shù)概論。作為全校的通識課程，適合各個年級的本科生，側(cè)重信息安全前沿，同時帶動整個教學體系前沿知識的探索。主要教改內(nèi)容如下：

①匯集計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程體系中各個分支領(lǐng)域的前沿思想與技術(shù)；

②為“計算機系統(tǒng)實驗”課程提供前沿的實驗內(nèi)容建議和素材；

③自行編寫課程講義與教材。

4）計算機系統(tǒng)實驗。該教學體系中的實驗課程建立在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“操作系統(tǒng)原理”“編譯原理”等課程的基礎(chǔ)之上，是整個教學體系中學生實踐能力培養(yǎng)的核心課程。主要教改內(nèi)容如下：

①建立計算機系統(tǒng)課程知識體系；

②建立實驗環(huán)境，設(shè)計豐富多樣的綜合實驗項目和開放性實驗項目；

③編寫實驗指導書。

5）虛擬化與云計算。該教學體系中的專業(yè)課程之一，介紹可信與安全系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理和基本結(jié)構(gòu)。主要教改內(nèi)容如下：

①建立課程知識體系；

②編寫教材。

6）Web編程。該教學體系中的專業(yè)課程之一。主要教改內(nèi)容如下：

①完善課程知識體系；

②建立實驗環(huán)境，設(shè)計實驗項目；

③編寫教材和實驗指導書。

2 教改特點

基于“計算機系統(tǒng)級課程”的計算機科學與技術(shù)卓越課程行動計劃具有如下特點和創(chuàng)新性。

1）將本系計算機學科優(yōu)勢、優(yōu)質(zhì)課程與“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的實施相結(jié)合是本系統(tǒng)級課程教改項目的特點之一；

2）開設(shè)“計算機系統(tǒng)實驗”課程作為計算機系統(tǒng)級課程教學體系的核心實驗平臺，加強學生的實踐能力培養(yǎng)是本系統(tǒng)級課程教改項目的特點之二；

3）本教改項目結(jié)合計算機新教學法，將計算思維教學方式在計算機系統(tǒng)級課程中進行實踐（“計算機系統(tǒng)實驗”和“計算機導論”課程中實施），加強學生的實踐創(chuàng)新能力是本系統(tǒng)級課程教改項目的特點之三；

4）本項目將工業(yè)界的最新技術(shù)介紹給本科生，為其提供畢業(yè)設(shè)計選題和到著名企業(yè)實習的機會是本系統(tǒng)級課程教改項目的特點之四；

5）本項目將可信與安全計算系列課程作為建設(shè)對象，點面結(jié)合帶動一批課程、實驗基礎(chǔ)設(shè)施和教師隊伍的建設(shè)是本系統(tǒng)級課程教改項目的特點之五。

3 教改成果

經(jīng)過兩個學期的建設(shè)，計算機系統(tǒng)級課程的教學改革取得如下成果。

3.1 教改立項方面

1）2012-2013年，教育部-IBM專業(yè)綜合改革項目建設(shè)課程“虛擬計算與云計算”；

2）2011-2012年，谷歌校企共建實用精品課程項目“Web編程技術(shù)”；

3）2011-2013年，同濟大學全英文課程建設(shè)項目“計算機導論”：

4）2011-2013年，同濟大學雙語課程建設(shè)項目“計算機與信息安全導論”；

5）2011-2012年，同濟大學電子與信息工程學院教學改革研究與建設(shè)項目“面向‘卓越工程師’培養(yǎng)的可信與安全計算課程教學體系建設(shè)”。

3.2課程建設(shè)方面

1）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

該課程于2011年上半年被批準為同濟大學本科卓越課程（計算機科學與技術(shù)專業(yè)），同時作為計算機科學與技術(shù)系一軟件學院共建國家級精品課程。

2）計算機系統(tǒng)實驗。

計算機系和學院實驗中心已經(jīng)購買相關(guān)的實驗設(shè)備并完成實驗室建設(shè)；已經(jīng)開始組織2010級3位碩士研究生完成課程所涉及的5個實驗設(shè)計。

3）計算機與信息安全導論。

該課程成功申報同濟大學雙語建設(shè)課程，并于2011年9月開始實行雙語授課，同時完成了課程網(wǎng)站的建設(shè)。

4）計算機導論。

該課程成功申報同濟大學全英文建設(shè)課程，并于2011年9月開始實行雙語授課，同時完成了課程網(wǎng)站的建設(shè)。

5）計算機科學前沿技術(shù)導論。

該課程于2010年開設(shè)，目前已完成課程網(wǎng)站建設(shè)和《計算機科學前沿技術(shù)》教材的寫作。該教材獲得IBM大學合作項目書籍出版資助和同濟大學“十二五”規(guī)劃教材建設(shè)項目的資助。

6）Web編程技術(shù)。

該課程成功申報谷歌校企共建實用精品課程，并于2011年開設(shè)，同時完成了課程網(wǎng)站的建設(shè)。

7）虛擬計算與云計算。

該課程成功申報谷歌校企共建實用精品課程，并于2010年開設(shè)，同時完成了課程網(wǎng)站的建設(shè)。

3.3教材建設(shè)方面

1）《計算機科學前沿技術(shù)》教材已經(jīng)編寫完成，于2012年7月正式出版，并被列為同濟大學“十二五”規(guī)劃教材。

該教材是一本計算機科學的入門與提高教材，在力求保證學科廣度的同時，還兼顧主題的深度，同時特別強凋計算機科學的前沿性，既介紹計算機學科相關(guān)主題的來龍去脈，又引入國內(nèi)外最新和最熱門的前沿課題。該教材既涉及計算機傳統(tǒng)研究領(lǐng)域，如計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、人工智能等又涉及云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球等新興熱門研究領(lǐng)域，重點講解這些最新計算技術(shù)在各個學科中的應用，既讓讀者對計算機新興技術(shù)有一個宏觀的把握，又通過各種案例分析指導讀者將計算機最新技術(shù)應用到相關(guān)專業(yè)和學科中。

2）同濟大學已與清華大學出版社簽約出版《虛擬化與云計算》教材，目前已完成部分書稿，預計2013年初出版。

4 結(jié)語

“卓越工程師培養(yǎng)計劃”給了我們很大啟示，促使我們反思。大學卓越人才的教育，應該超越“學習知識”本身，追求“創(chuàng)造知識”能力的培養(yǎng)。計算機科學與技術(shù)系結(jié)合計算思維的創(chuàng)新課程，開展“計算機系統(tǒng)級課程”教學改革，取得了較好效果。

（編輯：宋文婷）