新工科背景下密碼人才的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐

張健毅，張克君，孫 猛，王志強(qiáng)，傅仕諍

（北京電子科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)空間安全系，北京 100070）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)家一直高度重視信息化工作，特別是黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國(guó)家安全，沒有信息化就沒有現(xiàn)代化”，把網(wǎng)絡(luò)安全和信息化上升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度。信息安全是構(gòu)建信息社會(huì)更是黨政系統(tǒng)信息化需要關(guān)注的重要問題，密碼技術(shù)、系統(tǒng)安全則是構(gòu)建信息安全的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及“新工科”概念的提出[1-3]，在對(duì)密碼人才的培養(yǎng)中，教育從業(yè)者提出了如何應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)，如何培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越人才，如何繼承、創(chuàng)新、交叉、融合、協(xié)調(diào)與共享等新的要求。緊扣密碼行業(yè)業(yè)務(wù)需求，注重綜合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型密碼人才的培養(yǎng)，是確保信息安全、滿足保障需要的關(guān)鍵所在。

北京電子科技學(xué)院已在應(yīng)用型密碼人才培養(yǎng)模式方面進(jìn)行了多項(xiàng)改革：通過(guò)壓縮課內(nèi)學(xué)時(shí)，確立行業(yè)特色人才基本技能、專業(yè)技能和綜合創(chuàng)新能力等分級(jí)目標(biāo)；融合密碼與信息安全各類特色課程，形成了獨(dú)具特色的密碼與信息安全人才綜合能力培養(yǎng)機(jī)制；構(gòu)建了行業(yè)特色突出、注重能力培養(yǎng)的理論與實(shí)踐教學(xué)體系。然而，在新工科以及國(guó)家自主可控要求的背景下，對(duì)培養(yǎng)學(xué)科的交叉融合以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維的培養(yǎng)還存在一定的不足。如何更好地培養(yǎng)應(yīng)用型密碼人才的計(jì)算思維成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)亟待解決的問題。

1 學(xué)科交叉融合與系統(tǒng)思維理念

“新工科”概念自2016年提出以來(lái)形成了一系列的共識(shí)[4-6]，即“新工科建設(shè)與教育應(yīng)致力于以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，注重跨界交叉融合，探索建立工科發(fā)展新范式；緊跟技術(shù)發(fā)展，及時(shí)更新工程人才知識(shí)體系；以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生志趣選擇、設(shè)計(jì)教學(xué)方法與手段”。新工科的提出為工程特別是密碼工程教育理論與實(shí)踐探索提供了不同的視角與更高的要求。學(xué)科的融合與交叉在計(jì)算機(jī)專業(yè)教育中體現(xiàn)的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維。

隨著多核處理器、嵌入式和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建立和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的大量普及使用，計(jì)算機(jī)快速進(jìn)入了“后PC時(shí)代”[7]。時(shí)代變化促使教學(xué)課程必須與時(shí)俱進(jìn)，讓學(xué)生能夠通過(guò)課程完整地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，特別是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開發(fā)能力，以滿足行業(yè)的需求。

密碼科研體系下的計(jì)算機(jī)學(xué)科主要研究的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)不同抽象層的實(shí)現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換的機(jī)制，如圖1所示。培養(yǎng)的密碼人才主要是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或在系統(tǒng)特定層次上從事相關(guān)工作[8]。

圖1 計(jì)算機(jī)抽象層示意

不同的抽象層代表了不同的工作性質(zhì)，密碼人才全部包含了計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)的4類角色，即計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員、系統(tǒng)程序員、應(yīng)用程序員和系統(tǒng)管理員（如圖2所示）。只有具備對(duì)信息系統(tǒng)全局的“系統(tǒng)觀”，密碼人才才能夠研制出適合行業(yè)需求的特殊計(jì)算系統(tǒng)，編寫出更適合自主可控硬件架構(gòu)的系統(tǒng)軟件，開發(fā)出更匹配硬件與系統(tǒng)軟件的應(yīng)用軟件，配置出最佳的系統(tǒng)環(huán)境。

圖2 不同人員角色

當(dāng)前，密碼人才的“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)和課程教學(xué)方面還存在一些問題。

首先，從課程設(shè)置上來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置，基本上是按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向切分的，自下而上分解成數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯原理、程序設(shè)計(jì)等課程，課程相互之間幾乎沒有關(guān)聯(lián)，學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程就像“盲人摸象”，很難形成對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。

其次，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)出的人才局限于應(yīng)用程序員，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層知之甚少。在動(dòng)手實(shí)踐能力方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校所培養(yǎng)的“程序員”能力甚至趕不上“北大青鳥”“新東方”等社會(huì)辦學(xué)所培訓(xùn)出的學(xué)生。密碼人才的培養(yǎng)是屬于在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之后的特定方向培養(yǎng)，因此需要有分流的培養(yǎng)模式，應(yīng)在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之后設(shè)置偏硬件或者偏系統(tǒng)的密碼應(yīng)用方向。

最后，在課程安排上是先上數(shù)字邏輯電路課程，后上組成原理課程，并沒有考慮不同方向?qū)W生對(duì)于計(jì)算機(jī)底層硬件知識(shí)和硬件設(shè)計(jì)能力的不同需求。目前，組成原理課程的教學(xué)基本上還是沿用傳統(tǒng)的教學(xué)理念，教學(xué)內(nèi)容還停留在計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成和基本設(shè)計(jì)原理層面，既不是國(guó)外數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的那種硬件設(shè)計(jì)課程，能夠讓學(xué)生真正了解如何用硬件描述語(yǔ)言通過(guò)FPGA 來(lái)設(shè)計(jì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)；也不是一門關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的入門課程，能夠讓學(xué)生全面地理解整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，整體概念對(duì)于密碼人才尤為重要，無(wú)論是做密碼芯片還是上層密碼應(yīng)用，都需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)熟悉才能更好地設(shè)計(jì)出高效的應(yīng)用。

2 密碼人才系統(tǒng)觀培養(yǎng)

網(wǎng)絡(luò)空間安全的保障依賴于密碼應(yīng)用技術(shù)的提高，而如何培養(yǎng)具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力的密碼人才是眾多問題中的首要問題，密碼科研要求密碼人才具備以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維方式理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、具有系統(tǒng)觀的軟/硬件貫通的復(fù)合能力，具備站在系統(tǒng)的高度考慮和解決問題、具有系統(tǒng)層面的認(rèn)知能力；能夠進(jìn)行系統(tǒng)及算法整體性能分析、調(diào)整、評(píng)估、優(yōu)化以及計(jì)算機(jī)密碼應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力。培養(yǎng)密碼人才的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力，應(yīng)從程序執(zhí)行生成機(jī)器語(yǔ)言入手，縱向貫穿軟/硬件體系，以機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行形成各個(gè)分支知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字邏輯、匯編、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)和編譯原理等將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化，解決每一部分的具體問題，再以基于MIPS指令系統(tǒng)及密碼指令的處理器設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力，建立系統(tǒng)觀。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維和系統(tǒng)觀都需要有系統(tǒng)的高度才能更好地設(shè)計(jì)應(yīng)用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外還沒有可以借鑒的實(shí)例，需要研究探索一條有特色的適合于密碼特定方向人才的培養(yǎng)模式。

普通高等院校探索密碼人才計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式主要面臨2個(gè)問題：與國(guó)內(nèi)外一流高校相比，普通高等院校師資力量較為薄弱，學(xué)生接受能力相對(duì)較慢，如何在這一情況下尋求一種適合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維培養(yǎng)方案，進(jìn)而建立有效的系統(tǒng)思維和系統(tǒng)觀；密碼人才培養(yǎng)與一般院校畢業(yè)生在培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)過(guò)程、培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)等均不一樣，而國(guó)內(nèi)外還沒有可以借鑒的實(shí)例，這就要求我們探索出一條適合密碼這個(gè)特定方向人才的培養(yǎng)模式。

3 教學(xué)實(shí)踐過(guò)程

3.1 實(shí)施計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維培養(yǎng)模式下的課程體系建設(shè)

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外一流高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程開設(shè)及改革情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研與分析，同時(shí)深入密碼行業(yè)基層部門、參與行業(yè)工作實(shí)踐，了解特殊行業(yè)對(duì)人才的特殊需要。針對(duì)用人單位需求和普通計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)觀建立的成熟經(jīng)驗(yàn)，以本科培養(yǎng)方案修訂為切入點(diǎn),在北京電子科技學(xué)院課程體系建設(shè)中將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維培養(yǎng)模式滲透到多門課程中，強(qiáng)化課程間的銜接及支撐。為達(dá)到在計(jì)算機(jī)組成課程及硬件課程設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀概念和工程設(shè)計(jì)能力，需要規(guī)劃好各個(gè)相關(guān)課程涵蓋的知識(shí)結(jié)構(gòu)和框架體系，合理定位各門課程的教學(xué)目標(biāo)，把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)落實(shí)到具體課程中。

表1是模式探索下的課程習(xí)題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與內(nèi)在關(guān)系。在課程體系建設(shè)過(guò)程中，將知識(shí)分解到邏輯電路、匯編語(yǔ)言及組成原理課程中，為核心課程一體化建設(shè)做基礎(chǔ)。數(shù)字邏輯課程中的硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)能力、匯編語(yǔ)言課程中MIPS架構(gòu)的概念及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)組成課程中計(jì)算機(jī)部件及系統(tǒng)概念及設(shè)計(jì)、重構(gòu)的課程群知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)體系形成合理的前后依賴關(guān)系，支撐硬件課程設(shè)計(jì)完成整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)為一體化核心課構(gòu)建形成階段成果。

表1 課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 實(shí)施計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維模式培養(yǎng)模式下的特色實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)

筆者力圖使用同一套具有工程性和實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)體系貫穿計(jì)算機(jī)系統(tǒng)化學(xué)習(xí)的完整過(guò)程。針對(duì)數(shù)字邏輯課程，實(shí)驗(yàn)體系以組件化思想為中心，加強(qiáng)處理器數(shù)據(jù)通路所需部件（包含但不限于多路選擇器、譯碼器等）的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件感知。

針對(duì)匯編語(yǔ)言課程，實(shí)驗(yàn)體系以過(guò)程性思想為中心，增加了MIPS指令集相關(guān)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生的底層軟件感知；針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程，實(shí)驗(yàn)體系以系統(tǒng)性思想為中心，增加了處理器設(shè)計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生的軟硬件一體化設(shè)計(jì)思想。

在研究過(guò)程中，筆者強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的統(tǒng)一性。面對(duì)不同的課程，從基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的數(shù)字邏輯課程開始，到知識(shí)運(yùn)用的匯編語(yǔ)言課程，再到以系統(tǒng)再造為目標(biāo)的組成原理課程，學(xué)生的實(shí)踐過(guò)程始終具有一致性和連貫性的特點(diǎn)。這不僅能夠滿足學(xué)生課程學(xué)習(xí)的要求，而且能夠幫助學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)際工程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)跨課程的知識(shí)銜接與強(qiáng)化。

根據(jù)理論課程的體系設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維模式培養(yǎng)的思路，本次研究對(duì)理論課程、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了改革。

1）理論課程方面。

數(shù)字邏輯課程的實(shí)踐教學(xué)部分提供了處理器數(shù)據(jù)通路所需的基本部件（涉及多路選擇,譯碼器等）的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生更好地在處理器層面理解數(shù)字邏輯；匯編語(yǔ)言課程的實(shí)踐教學(xué)部分增加了MIPS指令集格式、設(shè)計(jì)、編程方面的實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生在后續(xù)CPU設(shè)計(jì)中，以成熟的MIPS體系為基礎(chǔ)，深入理解指令系統(tǒng)的概念；計(jì)算機(jī)組成原理課程試驗(yàn)中，進(jìn)一步提供了處理器設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器、ALU等功能部件的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，一方面讓學(xué)生了解到處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，另一方面讓學(xué)生更加深入的了解計(jì)算機(jī)的組成。

2）課程實(shí)驗(yàn)方面。

本次研究配套改革了部分實(shí)驗(yàn)；將“MIPS指令系統(tǒng)”以及“運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”融入實(shí)驗(yàn)中。讓學(xué)生能夠基本掌握MIPS匯編語(yǔ)言程序的能力，了解RISC體系結(jié)構(gòu)，并使用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)計(jì)算及核心部件，為基于MIPS指令集的處理器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

3）課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)方面。

本次研究在硬件課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了試點(diǎn)，嘗試在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維模式下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)單周期、多周期以及密碼算法的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了整個(gè)教學(xué)改革的成果。在后續(xù)教學(xué)安排中，將會(huì)全面推廣改革效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”背景下以及自主可控的浪潮中，北京電子科技學(xué)院通過(guò)對(duì)密碼人才的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維培養(yǎng)模式的探索，提高了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)水平和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，系統(tǒng)地建立了計(jì)算機(jī)整機(jī)概念；培養(yǎng)了學(xué)生特別是密碼人才對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開發(fā)能力，滿足了實(shí)際的需求，實(shí)踐取得了良好的效果。在后續(xù)工作中，筆者將完善新媒體教學(xué)平臺(tái)，借助便捷的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源，提高課程靈活度，將密碼人才的培養(yǎng)過(guò)程可定制化、簡(jiǎn)單化。