計算機專業系統能力培養探索

（渭南師范學院網絡安全與信息化學院，陜西渭南，714099）

摘 要：本文分析了渭南師范學院計算機專業在計算機系統能力培養方面存在的問題，就如何培養計算機專業學生的系統觀和系統能力提出了一些建議和措施。

關鍵詞：系統能力 計算機專業 工程教育

計算機系統能力是指能自覺運用系統觀，理解計算機系統的整體性、關聯性、層次性、動態性和開放性，并用系統化方法，掌握計算機硬軟件協同工作及相互作用機制的能力。系統能力包括系統分析能力、系統設計能力和系統驗證能力三個方面。系統分析能力就是給定系統結構和輸入，分析系統輸出的能力；系統設計能力就是給定系統輸入和輸出，綜合出系統結構的能力；系統驗證能力就是給定系統結構，驗證系統結構與功能符合的能力。三個方面相輔相成，共同構成計算機專業本科畢業生的基本能力和專業素養。計算機專業學生的系統能力核心是在掌握計算系統基本原理基礎上，熟悉如何進一步開發構建以計算技術為核心的應用系統。這需要學生更多地掌握計算系統內部各軟件/硬件部分的關聯關系與邏輯層次，了解計算系統呈現的外部特性以及與人和物理世界的交互模式。

一、系統能力培養課程體系現狀分析

傳統的計算機專業系統能力培養模式是將計算機組成、操作系統、編譯技術等作為計算機系統能力培養最基本的核心課程，課程之間缺乏銜接，有些內容重復講授。這些課程的總體目標，是建立起完整的計算機軟硬件系統的知識結構，在課程體系中占有重要的地位。然而，大量的系統類課程的學習，并沒有給學生帶來計算機系統能力的全面提升。同學們普遍反映，對于計算機系統還處于“只見樹木，不見森林”的狀態，對于計算機各個子系統有比較深入的了解，但對各子系統之間的相互作用的關系則了解不深，也不清楚各子系統間的銜接機制。

校企合作沒有真正深入，大部分都是一門課程一個老師從頭講到尾。當今企業要求學校真正培養出“為企業所需為企業所用”的IT人才，也就是應聘者必須具備深厚的專業知識、熟練的技術性技能和掌握計算系統內部各軟件/硬件部分的關聯關系與邏輯層次。但實際上絕大多數初步踏出校門準備就業的學生，尤其是本科生，缺少的正是項目實踐經驗，這就導致了學校計算機人才的供給不能匹配企業的需求。對于二本師范類學校，這些綜合的實驗平臺建設需要的經費較多，建設的很少或者幾乎沒有。

二、渭南師范學院計算機專業系統能力培養中存在的問題分析

對2012級、2013級的計算機科學與技術、軟件工程100名學生和《操作系統》《網絡》《組成原理》《編譯原理》4門課程的任課教師做了調查問卷，70%左右的學生和所有老師反饋了這些問題：

1.計算機專業系統能力培養不但要強調課程之間的銜接和連貫，還要有一套承上啟下的綜合實驗平臺。課程體系中缺乏一門獨立的能夠貫穿整個計算機系統的基礎課程。雖然有計算導論課程，但是，課程內容太散太多，沒有系統性，并沒有圍繞一個完整計算機系統框架組織內容。

2.課程之間的銜接和關聯考慮不夠。目前課程設置大多按照計算機系統不同層次上的內容獨立開設課程，相應的教材內容和課堂教學內容中很少體現本層次的內容與其他層次內容之間的關聯，學生難以形成對計算機系統的全面認識。比如中斷的概念在《組成原理》中有、在《微機原理》中有，在《操作系統》中有，這幾門課程的任課老師在準備教學計劃的時候就應該明確在哪一門課程中講授，避免重復講解。

3.教學內容比較陳舊，較少涉及近年來出現的多核、眾核處理器、分布式和并行計算模式等實際工作中遇到的內容，特別是對于社會需求比較熱的嵌入式系統、移動終端系統、大型數據中心云計算系統等的系統知識體系的教學還很薄弱。《操作系統》《編譯原理》《組成原理》等課程在這方面的問題尤為突出。

4.實驗手段上，基本側重于對原理的簡單驗證，而缺乏對復雜系統的綜合設計實踐。雖然小規模實驗可以達到讓學生基本理解掌握系統運行原理和初步具備系統開發能力的目的，但由于缺乏足夠的工程工作量，使得復雜系統中存在的較為深刻的問題難以暴露。以操作系統為例，現在的實驗只能做模擬實驗，并沒有深入到操作系統的內核。

5.教學方法上，各課程采取分析式教學方法較多，突出系統原理的講解，而限于條件的不足，缺乏對完整計算機系統較為全面的說明。

三、建議與措施

（一）基于3個層次的課程體系設置

將系統課程分成3個層次（如圖1所示），強調課程之間的銜接和連貫，主要體現在以下幾個方面。

第1層次核心課程包括：程序設計基礎（PF）、數字邏輯電路（DD，建議在MOOC的綜合性實驗平臺下學習）和計算機系統基礎（ICS，建議通過MOOC平臺學習）。

第2層次核心課程包括：計算機組成與設計（COD，其中CPU設計部分建議通過MOOC學習）、操作系統（OS，內核代碼分析建議通過MOOC學習）、編譯技術/原理（CT）和計算機系統結構（CA，向量、流水部分建議通過MOOC學習）。

第3層次核心課程包括：嵌入式計算系統（ECS，建議通過統一的系統級實驗平臺學習）、計算機網絡（CN）、移動計算（MC）、并行計算（PC）和大數據并行處理技術（BD）。

（二）教學方法優化

1.分層次講授法：“先講頂層比較抽象的編程方面的內容；再講底層系統具體實現的基礎內容；然后再從兩頭到中間，把頂層程序設計內容和底層電路內容按照程序員視角全部串起來（如圖1）；在此基礎上，按順序分別介紹計算機系統硬件、操作系統和編譯器的實現細節（建議在MOOC平臺下進行）。至此的所有課程內容主要介紹單處理器系統的相關內容，而計算機體系結構（建議在MOOC平臺下進行）主要介紹不同并行粒度的體系結構及其相關的操作系統實現技術和編譯器實現技術。

2.實驗法：第3層次的課程沒有先后順序，可以是選修課，課程內容應體現第1層次和第2層次課程內容的螺旋式上升趨勢。對于設計操作系統內核部分、系統結構的向量、流水部分等知識點都可以遷移到MOOC平臺下通過仿真實驗平臺進行進行或者采用企業植入課程的方法進行。

3.案例教學法：引入知名院校的MOOC中的典型教學案例（如在組成原理里引入CPU芯片設計部分的案例，在操作系統里引入內核分析），增強課堂教學效果。

（三）樹立貫通教學的目標

面向系統能力培養采用貫通計算機硬件之間的教學，貫通計算機硬件與軟件之間的教學，系統將整個計算機系統分解到各個課程中。每門課程作為系統設計中的不同階段，完成課程及相應的模塊知識學習，設計實現并提供給后繼課程相應的模塊。計算機系統課程貫通涉及課程較多，是一個系統工程，必須探索一套切實可行的操作方法，否則將會流于形式，而達不到良好的效果。要達到目標需要解決四個問題：首先需要建立課程貫通教學的載體，其次就是要建立課程貫通的教學思想，再次是建立課程統一實驗平臺。

1.貫通教學的載體

貫通教學的載體就是“確定目標的計算機系統設計實現”，這個載體需要與當前社會實踐應用接近，但又具備高度可行性的設計實現目標，類似于一個實際產品設計或工程開發項目，在學習的同時完成這個項目。

2.貫穿始終的教學思想和思維方法

必須明白的是計算機系統設計實現是手段，系統能力培養才是最為關鍵的目的。因此在課程貫通教學指導上還必須建立貫穿始終的教學思想和思維方法，把握課程與整體之間的教學脈絡。

3.貫通的工程化實驗平臺

目前正在重新設計更適合數字邏輯、計算機組成、計算機體系結構、匯編與接口技術、操作系統等課程使用的貫通的統一新實驗平臺。

4.師資隊伍建設

教師必須掌握計算機系統綜合設計實現過程。計算機的組成結構是傳統計算機組成教學的重點，專業教師在對知識熟悉優勢的基礎上，只需增加對簡單計算機系統的分析、設計和實現過程的教學內容學習。

（四）構建校企聯合的實踐教學體系

在大一大二的專業通識課完成后，大三、大四可以根據需要植入企業課程。爭取把IT企業的需求作為學校辦學的出發點和歸宿。學校應及時掌握當今IT企業的經濟信息、技術信息和今后的發展趨勢，從而為計算機專業的學生進行調整課程設置，改革教學內容、教學方法和教學管理制度。根據企業需求舉辦符合企業的一些“特色班”。使所培養的學生與企業需求相一致。

四、結論

系統能力是近年計算機教育有深度的總結性認識，各個高校都提出了一些探索性的方案，在計算機專業課程中怎樣提高學生對計算機系統的認知能力極為重要，面向系統能力的培養也有其必要性。只有全面認識已經在實踐的學校方案，多比較他們的方案。同時也要認清本校的定位和實際師資、學生和課程建設現狀，經常思考怎樣落地，才有可能得到實際的效果，才能幫助學校培養出更多計算機系統建設能力強的優秀人才。

參考文獻

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[3]施青松，陳文智.強化計算機課程貫通教學深入面向系統能力培養[J].中國大學教育，2014（12）：61-65.

作者簡介：賈曉強（1977-），男，陜西鳳翔人，渭南師范學院網絡安全與信息化學院副教授，軟件工程碩士，研究方向：數據挖掘研究。