面向系統能力培養的計算機專業實踐教學模式

譚志虎?秦磊華?胡迪青

摘 要：計算機系統能力培養是目前國內外計算機教育的新動向。系統能力的培養依賴于計算機專業理論與實踐教學的有效聯動，傳統計算機實踐教學體系存在實驗目標離散、實驗內容割裂、實驗規模不夠、實驗平臺分離的問題，結合系統能力培養的系統觀、構造觀、工程觀等特征，以設計與實現完整的計算機軟硬件系統為頂層目標，重構了面向計算機系統能力培養的一體化實踐教學模式，并給出了相應實踐教學組織保障體系。

關鍵詞：計算機系統能力；實踐教學；系統觀；構造觀；工程觀

2013年以來，計算機系統能力培養已經成為國內外計算機教育的新動向，教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會（以下簡稱“教指委”）非常重視并開展了大量系統能力培養的研究與推廣工作，國內一大批高校加入“教指委”主導的計算機系統能力培養研究項目，圍繞系統能力培養的課程體系和實踐體系進行了大量探索與實踐。華中科技大學計算機學院從2012年開始推行計算機系統能力培養，并對面向系統能力培養的實踐教學模式進行了探索。

一、計算機系統能力培養的基本特征

2008年，國內學者提出了包含計算機系統認知、系統設計、系統開發及系統應用等能力點的計算機系統能力概念，并設計了面向系統能力培養的計算機專業核心課程體系[1]。2011年又對計算機系統能力進行了細化，分別將系統認知能力、系統設計能力、系統開發能力及系統應用能力細化為6，19，23及14個能力點[2]。

2013年美國ACM/IEEE研制了Computer Science Curricula 2013（CS2013），對其早期發布的CC2001中原有的14個知識域進行了適度調整，增加了系統基礎、并行和分布式計算、基于平臺的開發、信息保障和安全等四個新領域，同時強調系統知識和系統能力培養。綜合分析CS2013和近幾年國內系統能力培養的系列研究成果[3-5]，可以發現計算機系統能力培養具有如下幾個基本特征。

（1）系統觀。系統觀是系統認知、系統設

計、系統開發及系統應用能力的共性體現。強調學生對計算機系統的深刻理解[6]，掌握計算系統軟/硬件部分各抽象層的關聯、相互制約與相互促進關系；了解計算機底層硬件結構（包括并行結構）、指令集設計等對程序執行性能的影響，具有“性能編程”的思維和系統層次視野。

（2）構造觀。構造觀是系統設計能力的具體體現。強調培養學生從計算機軟/硬件功能部件到計算機系統及應用系統的設計能力，包括硬件功能部件（含芯片、外部設備等）、智能系統硬件（含計算機硬件、傳感器硬件等）、系統軟件、應用系統的設計能力；強調自主知識產權，強調軟/硬協同。

（3）工程觀。工程觀是系統開發和系統應用能力的具體體現。強調培養學生軟/硬協同視角下的計算機系統開發和實現能力，訓練學生考慮工程制約因素、選擇恰當技術和工具進行工程優化的意識。強調大工程觀[7]，關注工程實施過程中科學要素、技術要素及非技術要素的協調與融合。

充分理解計算機系統能力培養的上述特征，對開展面向計算機系統能力培養的實踐教學模式的研究具有十分重要的指導意義。

二、實踐教學環節存在的不足

通過前文對計算機系統能力培養三個基本特征的分析不難發現，系統能力培養需要通過大量的系統級復雜工程訓練才能達到。然而，目前計算機類專業實踐教學模式在諸多方面還存在一些不利于系統能力培養的因素，概括起來主要有如下不足。

（1）實驗目標離散。實驗目標圍繞課程教學目標制訂，缺乏系統級頂層設計和統一規劃，導致專業核心課程間的關聯與融合不夠、系統性不強，難以給學生提供系統級思維與實踐的訓練，不利于學生建立系統觀。

（2）實驗內容割裂。原有實踐體系中課程實驗內容設計均按課程進行，沒有考慮相鄰課程的實驗成果如何有機集成為功能更強、規模更大的系統，學生在校期間缺少完整計算機系統設計與實現的實踐經歷，無法達成復雜計算機系統構造觀的訓練。

（3）實驗規模不夠。只有達到足夠規模，一個系統所具有的共性特征、開發難點等才能較好顯現，學生才能真正學習并掌握系統構造方法，進一步領會系統構造的核心原則（如設計權衡）[8]。原有實踐體系目標離散、內容無序割裂、各課程實驗規模偏小，工程訓練強度不足，很難養成系統級開發能力中必需的工程觀素養。

（4）實驗平臺分離。原有模式下除軟件類課程實驗在微機上完成外，硬件類實驗平臺一般都是按課程配置，如大多數計算機院系分別配置有數字邏輯、組成原理、接口技術、嵌入式系統等課程的實驗臺/箱，分離的實驗平臺只能完成功能部件級而無法支持系統級訓練。

三、系統能力培養實踐教學一體化設計

系統能力的內涵揭示出系統能力培養只有通過大量的實踐環節才能達成。面向系統能力培養的實踐既強調原創性自主設計或集成性創新，又強調實踐應具有一定的規模性和復雜度[7]。

原有實踐體系中課程實驗目標定位、內容設計及實驗平臺配備等均按課程進行，缺乏一體化設計，加之原有課程結構不完整，多門課程的實驗不能融合集成為完整計算機系統，學生在校期間缺少完整計算機系統設計與實現的實踐經歷。這就要求我們按照CDIO的理念，突破課程限制，按所確立的系統能力培養側重點進行實踐教學體系的頂層重構。

（1）實踐教學體系頂層設計。為幫助學生建立良好的計算機系統觀，我們將大學四年能夠獨立設計實現一個集成自主CPU、操作系統、編譯系統的完整的計算機系統作為頂層實踐教學目標，要實現該頂層目標學生必須掌握CPU設計、接口設計、操作系統軟硬集成、編譯器集成的系統能力。而這些能力的培養依賴于對相關軟硬件設計工具的熟練運用，依賴于CPU各功能部件的設計與實現能力，依賴于基于FPGA的接口設計能力，依賴于操作系統與編譯系統的設計與實現能力，依賴于計算機軟硬件協同的理解，所有這些能力的培養均細化分解到對應的理論課程與實踐課程中。

（2）實驗內容一體化。根據計算機系統設計與實現所需知識與能力體系，將設計實現完整計算機系統的總任務劃分成若干個可映射到不同課程實驗、又可相互集成的子模塊，如運算器子模塊、控制器子模塊、接口子模塊、操作系統子模塊、編譯器子模塊，這些子模塊能在同一FPGA平臺上集成與持續融合，并最終構成完整計算機系統。學生在上述各功能模塊的設計與集成并最終構成完整計算機系統的實踐中逐步提升其計算機系統的分析設計能力與開發能力。

這種以整機實現為目標的實驗內容分解方法既改變了過去僅依據課程設置實驗導致內容割裂不能集成的格局；又將難度相對較大、耗時長的系統級綜合實驗有計劃地分步實施，提高了系統能力培養的有效度和可執行度，從根本上解決了過去開設系統級綜合實驗面臨的學時不足和實驗任務龐大的難題。表1給出了華中科技大學計算機學院面向計算機系統能力培養的實驗內容一體化示例。

（3）實驗目標一體化。為配合實驗內容一體化，需明確每門課程實驗環節服務于本課程教學的局部目標和服務于完整計算機系統設計的全局目標，全局目標是實驗目標一體化的具體體現。幫助學生體會先導課程與后續課程間的關聯，把握課程實驗的局部與整體關系，提高學生對課程實踐環節的重視，調動學生主動實踐的積極性，提升實踐教學和系統能力培養的有效度。表2給出了華中科技大學計算機學院面向系統設計的實驗目標一體化示例。

（4）實驗平臺一體化。針對實驗平臺分離存在的問題，按照計算機系統能力培養的要求，將系列核心課程的實驗平臺統一到統一的FPGA平臺上進行，為系統級實驗的實施提供平臺支撐。FPGA技術及EDA軟件的普及為平臺一體化提供了良好的技術支持，小巧輕便的FPGA開發板便于攜帶，打破了實驗時間和場地的限制，便于維護和管理，突破了實驗平臺分離、實驗內容割裂對系統設計與實現能力培養的諸多制約；將實現完整計算機系統的任務劃分成若干個在FPGA開發板上可運行、可集成的子模塊，如CPU、接口、操作系統、編譯器等子模塊，將它們映射成不同課程的實驗內容，并據此確定課程實驗的目標，實現內容一體化和目標一體化，在學生中營造出“ 配置一塊開發板，造出一臺計算機”的良好氛圍。有效解決課程實驗目標離散、實驗內容無序割裂不能融合構成完整計算機系統的問題。

一體化實踐體系創新了實踐教學模式，有效突破了實驗平臺與時間對開展系統能力培養綜合實踐的制約，實現了課內、課外相結合，跨課程、跨學期的大型綜合實踐項目得以分步實施，為學生的自主實驗、個性化學習創造了良好的實驗環境。

四、系統能力培養的實踐教學組織

（1）實踐教學“小班化”。為幫助學生克服畏難心理，及時掌控實驗進展，提升實驗效果，必須為學生提供及時、有針對性的實驗指導。為此，我們對系統能力培養的實驗環節采取小班化組織模式，除為每個小班級配備一名專任教師進行現場實驗指導外，還為每個小班級配備1～2名高年級本科生助教。助教選拔條件為完成過所指導的實驗且成績優秀者，以便為學生提供最及時而優秀的實踐指導。

（2）過程管理“精細化”。系統能力培養實踐教學總目標具有較高挑戰性，要保證最終的完成率，盡可能地讓大部分同學參與系統能力培養的全過程，必須有精細化的過程管理做保障。對于難度較高的綜合實訓類課程需要有嚴而不死的課堂考勤制度保障學生的參與度；借鑒游戲的良好體驗，可將較難的實踐目標細分成若干可明確檢查的階段子任務（類似游戲關卡），難度逐漸遞進，以增強學習的及時反饋，提升學習興趣；努力為學生提供豐富的測試用例及自動檢測工具（游戲裝備），提升學生學習效率；通過云平臺及時匯總公示學生學習進度（游戲龍虎榜），促進形成良性競爭的學習氛圍；線上線下師生經常性互動，收集整理各種常見問題（游戲通關秘籍）；嘗試團隊合作以及天梯對抗機制讓學生們一起愉快地進行合作學習（戰隊游戲）。

（3）實踐考評“工程化”。為基于內容一體化集成不同課程的實驗結果構成一臺完整計算機，需對每門課程的實驗結果按照一定的工程標準進行評估驗收。考量的指標包括：功能完成度、系統性能、代碼質量、文檔質量、創新性、資源消耗、時間進度等。在系列課程實驗的工程化考評過程中，學生的工程意識、工程素質和工程能力不斷提升，這也為系統能力培養綜合訓練的順利完成提供了保障。

目前該模式已在一屆學生的全程培養過程中成功實踐，取得了較好的效果。學生普遍反映系統能力綜合訓練具有極大的挑戰性，實驗難度和水平與國外先進課程持平，但實踐教學保障得力，完成了“看似不可能完成的任務”，學生系統能力顯著提升。未來我們將在計算機系統能力培養綜合實訓的多樣化方面進行新的嘗試，為學生提供更多差異化的選擇，進一步激發學生的學習熱情和創造性。

參考文獻：

[1] 蔣宗禮. 以能力培養為導向 提高計算學科教育教學水平[J]. 中國大學教學，2008（8）：35-37.

[2] 蔣宗禮. 計算機類專業人才專業能力構成與培養[J]. 中國大學教學，2011（10）：11-14.

[3] 劉衛東，張悠慧，向勇，等. 面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J]. 中國大學教學，2014（8）：48-52.

[4] 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]. 中國大學教學，2014（12）：61-65.

[5] 王志英，周興社，袁春風，等. 計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J]. 計算機教育，2013（9）：1-6.

[6] 袁春風，王帥. 大學計算機專業教育應重視“系統觀”培養[J]. 中國大學教學，2013（12）：41-46.

[7] 秦磊華，譚志虎. 強化系統能力 推進信息產業自主可控人才培養[J]. 中國大學教學，2016（7）：37-43.

[8] 高小鵬. 計算機專業系統能力培養的技術途徑[J]. 中國大學教學，2014（8）：53-57，34.

[責任編輯：余大品]