农业院校新工科计算机系统能力教学改革与实践

黄岚 段青玲 王耀君 孙瑞志 史银雪

[摘 要] 强农、兴农，对农业现代化建设提出了更高的要求。我国现代农业的发展离不开信息技术，而智慧农业依赖信息技术的发展及应用。在新农科背景下，迫切需要培养具备计算机系统设计、系统开发和系统应用能力的专业人才。根据高等农业院校的实际情况，基于新工科理念，聚焦目前培养过程中存在的问题和挑战，阐述计算机系统能力培养的教学改革模式，通过重构计算机专业课程体系、加强计算机系统能力综合实践教学、学生参与综合多学科交叉项目等措施，提升学生解决复杂问题的系统能力。

[关键词] 新工科;新农科建设;智能农业;计算机系统能力培养;教学改革

[基金项目] 2016年度中国农业大学核心课程建设项目“计算机系统能力培养教学改革与实践”（XD201615）;2020年度新一代人工智能学科专业建设项目（2020XDRHXMXK07）（烟台市校地融合发展项目）

[作者简介] 黄 岚（1968—），女，北京人，工学博士，中国农业大学信息与电气工程学院教授，主要从事嵌入式系统与计算机应用研究;段青玲（1967—），女，河南新乡人，工学博士，中国农业大学信息与电气工程学院教授（通信作者），主要从事计算机应用与人工智能研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）27-0061-04 [收稿日期] 2021-12-01

引言

我国已是工程教育大国，普通高校工科专业培养规模居世界前列，在数量上比俄罗斯、美国高出3～5倍[1]。2016年6月起，中国正式成为国际工程联盟（IEA）《华盛顿协议》组织的正式成员。国际、国内的新形势使得中国工程教育面临新挑战。从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，标志着我国以新工科建设为主题的高等工程教育改革进入一个新的阶段[2]。新工科理念具备以产业发展为导向、学科交叉融通、积极面向未来需要、突出引领作用等特征[3]。新工科是一种全新的工程教育理念，本质上是更全面的系统观。它除了强调培养学生更宽广的视野与创新能力外，也重视与传统工科专业之间的有机结合，进一步与理学、经济、人文、社科等其他专业之间的交叉融通，使学生成为具备应用实践能力的复合型工程科技人才。在国家富强、科技创新的过程中，需要大力培养德学兼修、德才兼备的工程技术人才。新工科背景下，强调计算机专业人才要具备“复杂工程问题”解决能力和对工作的胜任力。值得注意的是，與纯工科大学中计算机专业定位不同，高等农业院校中的计算机专业将致力于解决农业现代化过程中涉及的复杂工程问题，因此在新工科建设中对计算机系统能力培养提出了更高的要求。

目前，我国教育界也提出了新农科建设要求[4]，大力推动新农科与理工文学科的交叉融合，以适应我国“三农”问题对现代复合型人才的需求。我国农业现代化离不开科技的发展，特别是信息技术。农业物联网、边缘计算、嵌入式人工智能、农业智能无人系统等智慧农业中的计算机系统，都会涉及处理器CPU、操作系统等核心技术，使得计算机科学与技术学科与我国农业产业发展深度融合，迫切需要培养具有计算机系统能力的一流智慧农业技术人才。

一、计算机系统能力培养概况

系统能力是计算机技术人员解决复杂工程问题的基础，解决复杂问题时不是单纯只考虑算法、软件或者硬件，而是从系统的角度，进行综合分析、设计、开发和应用实施。近些年来，国际上卡内基梅隆大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校等著名大学提出了一系列与系统能力培养相关的课程和教材。国内许多工科高校开始重视计算机系统方面的教学，积极探索和实践计算机系统能力培养模式[5]。国内清华大学、北京航空航天大学、南京大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学等高校针对计算机系统能力培养进行了教学改革，目前主要有以下系统能力培养模式[6，7]：（1）以数字逻辑、计算机组成原理、操作系统、编译原理为主构建课程群。根据计算机系统的内在关系，重新梳理课程知识体系、知识分布及衔接关系进而构建课程群，改进教学方案和实践环节，提出了以下教学目标：学生设计一个CPU、一个OS、一个编译器;一些学校还能让每个学生完成一个CPU的流片，做到“一生一芯”。（2）南京大学等单位借鉴《深入理解计算机系统》的教学理念，形成了中国本土化的教学方案。围绕“计算机系统基础”的核心概念，采用“IA-32+Linux+GCC+C语言”平台教学是学生理解计算机系统中各个抽象层之间的内在逻辑与转换关系。上述计算机系统能力培养模式为国内其他理工科高校提供了教改经验和示范作用。但是，这些培养方案仍需要根据高等农业院校的实际情况进行“本地化”，以便与学校的办学定位、师资配置、学生实际情况进行匹配，因地制宜，结合新工科建设来实施符合本校的系统能力培养方案和实施路径。

二、高等农业院校的计算机系统能力教学实践现存问题与解决措施

（一）计算机系统能力教学实践面临的问题

智能农业发展中所涉及的问题有明显的行业特点，应用于农业中的计算机系统不仅要完成对应的功能，在功耗、体积、抗干扰、不同环境条件及价格等方面都有要求，能够设计农业传感器数据与计算机输入输出接口，而且还要求这方面的工程技术人员对农业、生物的背景知识有一定了解。这对农业院校计算机专业的学生在计算机系统能力培养上提出了更高的要求。计算机系统能力培养是一个完整的体系，强调各课程之间知识的整合和有效衔接。传统模式下的计算机教学存在以下问题：（1）需要对农业领域复杂问题进行了解;（2）课程间缺乏系统级衔接、各自为政，缺少对课程知识之间的关联性挖掘，导致软硬分家、课程与课程相对独立、知识体系系统性薄弱，学生较难形成完整的计算机系统观;（3）缺乏有效的实验平台来完成计算机系统设计与实现综合实践;（4）在系统能力培养过程中缺乏企业的参与，不利于实践教学;（5）专业课程教学中注重专业知识、技术能力的培养，但是，人生观、价值观引导有待加强，需要通过思想政治教育培养学生对国家、社会的责任感和使命感。

（二）解决问题的措施

针对计算机系统能力培养现有的问题，结合能力培养系统性和应用性的特点，需要针对重构计算机课程体系、教学内容规划、实践教学及思想政治融入课程等方面开展工作。

1.以智慧农业发展需求为导向，以系统能力培养为主线，构建课程群。我国各农业院校的计算机科学与技术专业肩负着为国家农业现代化和智慧农业培养人才的使命与责任。要培养出胜任这些工作的计算机工程技术人才，需要从专业教学课程体系和课程群建设为中心入手。课程群构建，是依据总的教学目标，把多门存在相互关联的课程建设为课程群，以系统的观点，将顶层教学目标合理分解，并形成各门课程教学目标，通过系统性梳理，以确保课程间知识体系与实验体系衔接和有机融合[8]。

与其他工科院校不同，我们在计算机系统能力培养的课程群中加入了微机原理与接口技术课程作为计算机系统与外部交互基础，这样以“数字电子技术（数字逻辑）”“计算机组成与体系结构”“操作系统”“编译原理”“微机原理与接口”“计算机系统工程综合实践”六门计算机专业必修课程构造为计算机系统核心课程群，以系统能力培养的总教学目标为指导，厘清各门课程之间的逻辑关系和知识结构，重构各课程知识体系和实验体系。

为避免专业课程实践内容各自为战、互不连通的局面，建立一站式实验平台，前修与后续课程之间达成输入与输出相关联的实践成果，使各门专业课知识可以环环相扣、层层递进、不断累积上升。

2.以学生成果产出为核心，建设统一的教学实验支撑平台，进行系统综合设计实践。实践环节在计算机系统能力培养过程中必不可少，学生可通过实践环节更深入地理解理论知识，并运用其解决计算机系统设计中的问题，有助于教学效果的提升。传统课程实验项目以验证性为主，各门课程间的实验教学的关联性不强，为了解决这一问题，需要循序渐进地进行教学改革。可以设计统一的教学实验支撑平台和综合性实践课程，围绕实验教学总体目标，构建各课程阶段子目标及其实验内容，增加设计性实验，再通过难易程度适当的综合实践课程中的项目进行训练，从而实现一个基本的计算机系统设计，既包括硬件又包括软件。

以笔者所在的中国农业大学计算机专业为例：整合了“数字电子技术”“计算机组成与体系结构”“操作系统”“编译原理”“微机原理与接口”五门计算机专业必修课程，逐渐减少孤立的验证性实验项目，设计难度适中，又贯穿所有课程内容的综合实验项目。同时，在大三学期设置“计算机系统工程综合实践”课程，其中智慧农业领域的复杂工程问题映射到计算机专业领域问题，通过综合应用计算机工程知识，针对问题所设计的解决方案，采用依元素科技公司的Minisys-I实验板，在FPGA上实现一个32位MIPS CPU，基于Minisys-1板，能够运用交叉开发方式，在无操作系统的裸机上运行C程序，實现对MIPS处理器软核的片上系统接口控制和功能，可以操作并行输入输出接口和串行通信接口，利用并行输入输出接口还可以扩展连接A/D数字模拟，以实现读取传感器数据的任务，这样可将“计算机组成与体系结构”课程与“微机原理与接口技术”有机联系起来;在MIPS CPU为核心的硬件上，可进行Linux裁剪与移植;修改C语言编写的PL/0编译程序，使其翻译的中间代码为MIPS汇编指令代码，并将PL/0源程序翻译生成MIPS汇编代码文件;使用QtSpim软件，对MIPS汇编指令源程序进行汇编，并仿真运行，验证编译结果。在“计算机系统工程综合实践”课程中，选择与使用恰当的工具链，设计合理有效的软、硬件实验，通过协作，完成一个可重构的计算机系统原型，通过演示、口头和书面报告锻炼学生表达、交流的能力。在计算机系统工程综合实践中，使学生进一步掌握自主学习的方法，了解拓展知识和能力的途径。

3.校企联合，发挥企业师资作用，培养学生的计算机系统能力。企业技术人员对行业发展较为了解，特别是在计算机系统类项目的设计、开发、工程现场的调试方面经验比较丰富，因此，在培养学生的计算机系统能力过程中，聘请企业中有工程项目经历的工程技术人员共同参与培养方案和实践教学计划的制定及实施，参与一定的设计指导的教学工作，会促进学生系统能力的培养。

以中国农业大学计算机专业为例：兼职教师参与计算机组成与体系结构课程设计的教学，在教学过程中，企业专家提出了农业物联网采集器的嵌入式系统实际需求，有利于促进企业实际工程经验与课程实践有机结合起来。

4.以新工科理念引领，结合智慧农业需求，引导学生参与多学科交叉项目。基于新工科理念，采取以课程成果为导向的教学方式，激励学生参与URP项目、大学生创新创业项目、教师科研项目，进行项目驱动式的实践教学，树立知识“从实践中来，到实践中去”的理念，将“系统能力课程群”的各课程模块间关联的核心知识与解决综合多学科交叉复合的工程问题相结合，全方位培养学生进行创新设计和开发高效解决方案的能力，不断提升学生的项目合作、管理能力。适当设置项目的复杂和先进程度，有意识地培养学生能够胜任未来工作的能力。以中国农业大学为例：要求计算机专业的学生必须有参加URP和创新创业项目的实践经历。

5.思想政治教育贯穿课程教学全过程，在计算机系统功能力培养中发挥着重要作用。结合计算机专业和行业特点，特别是围绕国家独立自主的创新发展需要，让学生了解“计算机领域卡脖子问题”（CPU、操作系统、编译技术），以及相关领域需要努力攻克的关键技术，这些内容可与计算机系统能力课程群中的各门课程密切关联，结合服务“三农”问题，进行思想政治教育的内容挖掘，修改课程大纲，体现思想政治教育内容，形成“育人大纲”。在每个知识点，对比计算机系统国内外发展，介绍我们的优势和亟待加强之处，激发学生的社会责任感和使命感。在具体的培养过程中“润物细无声”，将立德树人作为人才成长之根本。

三、教学改革成效

以笔者所在的中国农业大学计算机专业系统能力教学改革为例，围绕新时代发展需要，基于新工科理念，开展了上述教学改革和实践，取得了以下成果：（1）围绕工程教育认证标准对学生能力的要求，以学生成果产出为导向，构建软件与硬件协同、各门课程具有内在逻辑联系的“系统能力培养课程群”;设计递进融合的一体化实践教学环节;（2）思想政治教育内容融入专业课程，学生通过学习，在综合实践中自己“造出一台计算机”，不仅提升了学生的系统分析、设计能力，也增强了学生的自信心，为其今后成为优秀工程师、服务于国家需要打下良好的基础;（3）在综合实践中，提出了“一板贯通”的实践教学方法，基于FPGA开发板，计算机专业的学生都能够完成设计32位CPU、I/O接口、操作系统、编译器的任务，并通过综合实践课程完成一个计算机系统的分析、设计与实现。学生在计算机系统分析、软硬件协同设计、实现与应用能力等方面都得到了显著提升，对于高等农业院校的计算机专业，我们采用的教学改革方案具有推广性和一定的示范作用。

通過调查问卷，学生对我们的教学改革非常认可，认为自己的系统能力得到明显提升。

科技自立自强、技术自主可控是国家发展战略，围绕智能农业发展，迫切需要培养具备计算机系统设计、系统开发和系统应用能力的专业人才。为此，服务于新农科建设，面向新工科建设，基于OBE教育理念，开展计算机系统能力培养教学改革，通过重构计算机专业课程体系、加强计算机系统能力综合实践教学、学生参与综合多学科交叉项目等措施，提升学生解决复杂问题的系统能力，将有利于我国高等农业院校大学在新工科建设中培养出创新型卓越复合人才。

参考文献

[1]教育部高等教育教学评估中心.2014年度中国工程教育质量报告：面向工业界 面向世界 面向未来[M].北京：教育科学出版社，2016：1-21.

[2]吴岩.勇立潮头，赋能未来：以新工科建设领跑高等教育变革[J].高等工程教育研究，2020（2）：1-5.

[3]孙英浩，谢慧.新工科理念基本内涵及其特征[J].黑龙江教育（理论与实践），2019（Z2）：11-15.

[4]马香丽，杨士同.新农科建设的“三农情怀”视角[J].高等农业教育，2021（2）：3-10.

[5]李薇，黑新宏，王磊，等.一流本科教育背景下计算机科学与技术专业培养方案构建[J].计算机教育，2021（2）：122-125.

[6]言十.新工科建设与系统能力培养[J].计算机教育，2018（7）：1-4.

[7]毛艳艳，冯烟利，谢青松，等.新工科背景下计算机类专业系统能力培养[J].计算机教育，2019（7）：50-53.

[8]段青玲，黄岚，方雄武，等.高校课程混合教学模式探索与实践[J].教育教学论坛，2018（12）：172-174.

Teaching Reform and Practice of Computer System Ability in “Emerging Engineering Education” of Agricultural Colleges and Universities

HUANG Lana， DUAN Qing-linga，b， WANG Yao-juna， SUN Rui-zhia， SHI Yin-xuea

（a.College of Information and Electrical Engineering， b.Yantai Research Institute， China Agricultural University， Beijing 100083，China）

Abstract： Boosting agricultural prosperity and promoting agriculture put forward higher requirements for agricultural modernization. The development of modern agriculture in China is inseparable from information technology， and smart agriculture depends on the development and application of information technology. Under the background of new agricultural science construction， it is urgent to train professionally-qualified engineers with the ability of computer system design， system development and system application. In particular， considering the actual situation of higher agricultural colleges and universities， we should focus on major problem and challenge for computer science teaching based on new engineering education background， and then we start from the goal of cultivating “computer system ability” to explore the teaching reform of computer system ability training by reconstructing the teaching content and teaching. We emphasize the comprehensive practical teaching of computer system ability to improve students’ ability to solve complex problems. In addition， integration of ideological and political education training can cultivate students’ comprehensive quality.

Key words： “emerging engineering education”; new agricultural science construction; smart agriculture; computer system ability training; teaching reform