計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)探索

（渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院，陜西渭南，714099）

摘 要：本文分析了渭南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面存在的問題，就如何培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)觀和系統(tǒng)能力提出了一些建議和措施。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力 計(jì)算機(jī)專業(yè) 工程教育

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能自覺運(yùn)用系統(tǒng)觀，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開放性，并用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制的能力。系統(tǒng)能力包括系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)驗(yàn)證能力三個(gè)方面。系統(tǒng)分析能力就是給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輸入，分析系統(tǒng)輸出的能力；系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力就是給定系統(tǒng)輸入和輸出，綜合出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能力；系統(tǒng)驗(yàn)證能力就是給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能符合的能力。三個(gè)方面相輔相成，共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)專業(yè)本科畢業(yè)生的基本能力和專業(yè)素養(yǎng)。計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力核心是在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理基礎(chǔ)上，熟悉如何進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)。這需要學(xué)生更多地掌握計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次，了解計(jì)算系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性以及與人和物理世界的交互模式。

一、系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式是將計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)最基本的核心課程，課程之間缺乏銜接，有些內(nèi)容重復(fù)講授。這些課程的總體目標(biāo)，是建立起完整的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在課程體系中占有重要的地位。然而，大量的系統(tǒng)類課程的學(xué)習(xí)，并沒有給學(xué)生帶來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的全面提升。同學(xué)們普遍反映，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還處于“只見樹木，不見森林”的狀態(tài)，對(duì)于計(jì)算機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)有比較深入的了解，但對(duì)各子系統(tǒng)之間的相互作用的關(guān)系則了解不深，也不清楚各子系統(tǒng)間的銜接機(jī)制。

校企合作沒有真正深入，大部分都是一門課程一個(gè)老師從頭講到尾。當(dāng)今企業(yè)要求學(xué)校真正培養(yǎng)出“為企業(yè)所需為企業(yè)所用”的IT人才，也就是應(yīng)聘者必須具備深厚的專業(yè)知識(shí)、熟練的技術(shù)性技能和掌握計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次。但實(shí)際上絕大多數(shù)初步踏出校門準(zhǔn)備就業(yè)的學(xué)生，尤其是本科生，缺少的正是項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這就導(dǎo)致了學(xué)校計(jì)算機(jī)人才的供給不能匹配企業(yè)的需求。對(duì)于二本師范類學(xué)校，這些綜合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)需要的經(jīng)費(fèi)較多，建設(shè)的很少或者幾乎沒有。

二、渭南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中存在的問題分析

對(duì)2012級(jí)、2013級(jí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程100名學(xué)生和《操作系統(tǒng)》《網(wǎng)絡(luò)》《組成原理》《編譯原理》4門課程的任課教師做了調(diào)查問卷，70%左右的學(xué)生和所有老師反饋了這些問題：

1.計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)不但要強(qiáng)調(diào)課程之間的銜接和連貫，還要有一套承上啟下的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。課程體系中缺乏一門獨(dú)立的能夠貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程。雖然有計(jì)算導(dǎo)論課程，但是，課程內(nèi)容太散太多，沒有系統(tǒng)性，并沒有圍繞一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框架組織內(nèi)容。

2.課程之間的銜接和關(guān)聯(lián)考慮不夠。目前課程設(shè)置大多按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層次上的內(nèi)容獨(dú)立開設(shè)課程，相應(yīng)的教材內(nèi)容和課堂教學(xué)內(nèi)容中很少體現(xiàn)本層次的內(nèi)容與其他層次內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)生難以形成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。比如中斷的概念在《組成原理》中有、在《微機(jī)原理》中有，在《操作系統(tǒng)》中有，這幾門課程的任課老師在準(zhǔn)備教學(xué)計(jì)劃的時(shí)候就應(yīng)該明確在哪一門課程中講授，避免重復(fù)講解。

3.教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，較少涉及近年來出現(xiàn)的多核、眾核處理器、分布式和并行計(jì)算模式等實(shí)際工作中遇到的內(nèi)容，特別是對(duì)于社會(huì)需求比較熱的嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)終端系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)中心云計(jì)算系統(tǒng)等的系統(tǒng)知識(shí)體系的教學(xué)還很薄弱?！恫僮飨到y(tǒng)》《編譯原理》《組成原理》等課程在這方面的問題尤為突出。

4.實(shí)驗(yàn)手段上，基本側(cè)重于對(duì)原理的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，而缺乏對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然小規(guī)模實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到讓學(xué)生基本理解掌握系統(tǒng)運(yùn)行原理和初步具備系統(tǒng)開發(fā)能力的目的，但由于缺乏足夠的工程工作量，使得復(fù)雜系統(tǒng)中存在的較為深刻的問題難以暴露。以操作系統(tǒng)為例，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)只能做模擬實(shí)驗(yàn)，并沒有深入到操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

5.教學(xué)方法上，各課程采取分析式教學(xué)方法較多，突出系統(tǒng)原理的講解，而限于條件的不足，缺乏對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)較為全面的說明。

三、建議與措施

（一）基于3個(gè)層次的課程體系設(shè)置

將系統(tǒng)課程分成3個(gè)層次（如圖1所示），強(qiáng)調(diào)課程之間的銜接和連貫，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第1層次核心課程包括：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）、數(shù)字邏輯電路（DD，建議在MOOC的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下學(xué)習(xí)）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS，建議通過MOOC平臺(tái)學(xué)習(xí)）。

第2層次核心課程包括：計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)（COD，其中CPU設(shè)計(jì)部分建議通過MOOC學(xué)習(xí)）、操作系統(tǒng)（OS，內(nèi)核代碼分析建議通過MOOC學(xué)習(xí)）、編譯技術(shù)/原理（CT）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（CA，向量、流水部分建議通過MOOC學(xué)習(xí)）。

第3層次核心課程包括：嵌入式計(jì)算系統(tǒng)（ECS，建議通過統(tǒng)一的系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（CN）、移動(dòng)計(jì)算（MC）、并行計(jì)算（PC）和大數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)（BD）。

（二）教學(xué)方法優(yōu)化

1.分層次講授法：“先講頂層比較抽象的編程方面的內(nèi)容；再講底層系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)內(nèi)容；然后再從兩頭到中間，把頂層程序設(shè)計(jì)內(nèi)容和底層電路內(nèi)容按照程序員視角全部串起來（如圖1）；在此基礎(chǔ)上，按順序分別介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、操作系統(tǒng)和編譯器的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（建議在MOOC平臺(tái)下進(jìn)行）。至此的所有課程內(nèi)容主要介紹單處理器系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（建議在MOOC平臺(tái)下進(jìn)行）主要介紹不同并行粒度的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和編譯器實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2.實(shí)驗(yàn)法：第3層次的課程沒有先后順序，可以是選修課，課程內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)第1層次和第2層次課程內(nèi)容的螺旋式上升趨勢(shì)。對(duì)于設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)內(nèi)核部分、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的向量、流水部分等知識(shí)點(diǎn)都可以遷移到MOOC平臺(tái)下通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)行或者采用企業(yè)植入課程的方法進(jìn)行。

3.案例教學(xué)法：引入知名院校的MOOC中的典型教學(xué)案例（如在組成原理里引入CPU芯片設(shè)計(jì)部分的案例，在操作系統(tǒng)里引入內(nèi)核分析），增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

（三）樹立貫通教學(xué)的目標(biāo)

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)采用貫通計(jì)算機(jī)硬件之間的教學(xué)，貫通計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的教學(xué)，系統(tǒng)將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分解到各個(gè)課程中。每門課程作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不同階段，完成課程及相應(yīng)的模塊知識(shí)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并提供給后繼課程相應(yīng)的模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程貫通涉及課程較多，是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須探索一套切實(shí)可行的操作方法，否則將會(huì)流于形式，而達(dá)不到良好的效果。要達(dá)到目標(biāo)需要解決四個(gè)問題：首先需要建立課程貫通教學(xué)的載體，其次就是要建立課程貫通的教學(xué)思想，再次是建立課程統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.貫通教學(xué)的載體

貫通教學(xué)的載體就是“確定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”，這個(gè)載體需要與當(dāng)前社會(huì)實(shí)踐應(yīng)用接近，但又具備高度可行性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，類似于一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工程開發(fā)項(xiàng)目，在學(xué)習(xí)的同時(shí)完成這個(gè)項(xiàng)目。

2.貫穿始終的教學(xué)思想和思維方法

必須明白的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是手段，系統(tǒng)能力培養(yǎng)才是最為關(guān)鍵的目的。因此在課程貫通教學(xué)指導(dǎo)上還必須建立貫穿始終的教學(xué)思想和思維方法，把握課程與整體之間的教學(xué)脈絡(luò)。

3.貫通的工程化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前正在重新設(shè)計(jì)更適合數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、匯編與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程使用的貫通的統(tǒng)一新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

4.師資隊(duì)伍建設(shè)

教師必須掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成教學(xué)的重點(diǎn)，專業(yè)教師在對(duì)知識(shí)熟悉優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，只需增加對(duì)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程的教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)。

（四）構(gòu)建校企聯(lián)合的實(shí)踐教學(xué)體系

在大一大二的專業(yè)通識(shí)課完成后，大三、大四可以根據(jù)需要植入企業(yè)課程。爭(zhēng)取把IT企業(yè)的需求作為學(xué)校辦學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。學(xué)校應(yīng)及時(shí)掌握當(dāng)今IT企業(yè)的經(jīng)濟(jì)信息、技術(shù)信息和今后的發(fā)展趨勢(shì)，從而為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)整課程設(shè)置，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)管理制度。根據(jù)企業(yè)需求舉辦符合企業(yè)的一些“特色班”。使所培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)需求相一致。

四、結(jié)論

系統(tǒng)能力是近年計(jì)算機(jī)教育有深度的總結(jié)性認(rèn)識(shí)，各個(gè)高校都提出了一些探索性的方案，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中怎樣提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知能力極為重要，面向系統(tǒng)能力的培養(yǎng)也有其必要性。只有全面認(rèn)識(shí)已經(jīng)在實(shí)踐的學(xué)校方案，多比較他們的方案。同時(shí)也要認(rèn)清本校的定位和實(shí)際師資、學(xué)生和課程建設(shè)現(xiàn)狀，經(jīng)常思考怎樣落地，才有可能得到實(shí)際的效果，才能幫助學(xué)校培養(yǎng)出更多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建設(shè)能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才。

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作者簡(jiǎn)介：賈曉強(qiáng)（1977-），男，陜西鳳翔人，渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院副教授，軟件工程碩士，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘研究。