貫通式與虛實結合的計算機系統實踐平臺建設

楊全勝，翟玉慶，舒華忠，姜龍玉，呂 倩

（1.東南大學 國家級計算機實驗教學示范中心，江蘇 南京 211189；2.東南大學 計算機科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

0 引 言

當前，隨著計算機技術在各個行業應用的不斷深入，越來越多的電子類非計算機專業，甚至非電類專業，都結合本專業特點，開設了大量的計算機課程。同時，從國家長遠計劃出發，由計算機專業還衍生出一些方向更明確的專業，比如軟件工程、物聯網專業、網絡空間安全專業等。計算機專業本科生在激烈的人才交流中專業特點不明顯，競爭力不強。從計算機應用角度看，計算機專業沒有其他專業那么強的應用背景，從軟件開發、物聯網應用和網絡空間安全角度看，又不如軟件工程專業和物聯網專業目標更明確，工程經驗更多。為此，我們的核心目標就是建設能夠有效提高計算機專業本科生專業核心競爭力的實踐平臺。

1 計算機專業人才培養的新趨勢

1.1 國外計算機教育界認識

通過研究，我們發現與傳統的教學方式不同，CS2013緊跟計算機技術和行業發展的需要，更加注重知識的連貫性和系統性，以知識領域為核心來組織課程內容。在CS2013中，特別新增加了SF（Systems Fundamentals，系統基礎）知識領域[1]，CS2013對該領域的描述是：“由術語‘計算機系統’共同描述構建應用的底層硬件和軟件基礎設施。計算機系統廣泛地跨越操作系統，并行和分布式系統，通信網絡和計算機體系結構的子系統。傳統上，這些領域通過獨立的課程以非綜合方式教授。然而，這些子學科越來越多地在它們各自的核心內共享共同的重要基本概念。……系統基礎知識領域旨在以統一的簡化方式呈現這些基本概念的綜合視圖，為適用于特定領域的不同專門機制和策略提供共同基礎。”由此可見，CS2013不僅強調各領域的課程知識融合，更強調系統性、綜合性的能力培養。

除CS2013之外，我們也著重考查了美國加州大學伯克利分校和麻省理工學院這兩所國外著名大學。

加州大學伯克利分校為了加強學生對計算機系統的認識能力，特別開設了編號為CS61C的“計算機系統基礎”，這門課由C語言編程入手，落腳點在MIPS架構CPU的分析、設計和優化，很好地培養了學生軟硬件綜合的系統分析能力。

麻省理工學院的做法有所不同，他們采用“2+X”的課程模式，2是指兩門必修的公共核心課程，是以實驗而非課堂授課為主。其中編號為6.01的“電子工程與計算機科學概論1”圍繞機器人展開，從大一開始培養學生系統的工程方法和實踐技能。

由以上的考查，我們明顯感覺到國外計算機教育已經從過去的知識傳授上升到能力培養，而最重要的能力培養是讓學生具備計算機系統認知、分析、設計與實現能力。

1.2 中國計算機教育界認識

近幾年，國內計算機教育界已經意識到與國外的差距，教育部計算機教育指導委員會在王志英主任和馬殿富秘書長的親自主持下，成立了多個計算機系統能力培養的研究小組，組織討論和實施計算機系統能力培養相關的課程建設。不僅如此，全國實踐教學示范中心聯席會計算機學科組、計算機學會體系結構專委會、世界著名的硬件廠商Xilinx等，也都展開了在高校計算機專業中進行計算機系統能力培養的探討。

目前，除東南大學外，全國還有清華大學、北京大學、浙江大學、南京大學、北京航空航天大學、華中科技大學、西北工業大學、復旦大學、同濟大學等多所高校開展了相關教學改革的探索工作[2-6]。這些學校大多開展了系列課程的改革和探索，也有不少學校對單門課程先行進行改革，比如對組成原理課程設計[7-9]、數字邏輯課程設計[10]、微機接口[11]、嵌入式系統[12]、大數據與并行計算[13]等課程改革的探索。

1.3 目前實踐教學體系的問題

多年的教學實踐讓我們深刻感受到傳統的計算機實踐教學存在以下問題：①各門實驗課程內容相對獨立，前后課程知識點的關聯運用沒有被強化；②缺乏對計算機系統進行整體設計和優化的實踐環節，由于沒有從設計與實現完整系統的工程角度去審核，所以發現不了教學中遺漏的知識點；③各門課程采用的實驗設備不盡相同，不僅實驗設備管理不方便，也使得學生花費太多精力去學習各種類似設備的使用方法；④由于實驗設備的原因（尤其是硬件相關實驗），學生只能在固定時間段到實驗室做實驗，這使得學生實驗缺乏靈活性和開放性。

綜合上述對國內外計算機教育的研究，加強計算機專業本科生計算機系統能力的培養，讓學生具有系統眼光[2]，具備更強的系統分析、解決問題與實踐創新的能力，是解決他們專業競爭力不強的重要途徑。

要達到這一目的，不僅需要進一步加強理論課的知識關聯性，更需要通過某種手段來保證系統能力培養的有效實施。我們所建立的面向計算機系統能力培養、縱橫貫通、虛實結合的計算機系統實踐平臺，正是一種保證系統能力培養全面有效實施的強有力手段。

要建立面向計算機系統能力培養、縱橫貫通、虛實結合的計算機系統實踐平臺，首先要弄清楚計算機系統能力培養的內涵，研究計算機系統能力培養的步驟，然后建立起適合計算機系統能力培養的課程、實踐體系與完善的實踐平臺。

2 計算機系統能力的內涵和培養步驟的研究

系統能力主要表現在系統認知能力、系統分析能力、系統設計與實現能力和系統優化與創新能力4個主要方面。從計算機專業本科生的角度來說，系統能力具體表現在認識計算機系統→分析計算機系統→設計計算機系統→實現計算機系統→優化計算機系統5個層次，其中優化計算機系統包括對計算機系統自身的優化和在計算機應用研發中能高效地利用計算機資源。

系統能力的內涵是很豐富的，它不僅包含認知能力、分析能力，更注重綜合能力、實踐能力、創新能力、團隊合作能力，以及自我學習能力等諸多方面。

表1給出了計算機系統能力層次與其內涵之間的關系。

系統能力培養需要遵循一定的步驟。通常能力培養有一個從基礎能力培養→專業能力培養→綜合能力培養的階段性、層次性發展過程，而這一過程與計算機系統能力及其內涵相結合，就形成如圖1所示的計算機系統能力架構圖。

3 基于計算機系統能力培養的貫通式和虛實結合的實踐平臺建設

該實踐平臺由一個面向系統能力培養的課程體系，一套縱橫貫通、環環相扣、逐步推進的實踐體系，一套虛實結合的統一實驗裝置和一個網絡在線助學系統四大部分組成。

3.1 面向系統能力培養的理論課程體系

首先東南大學計算機學院根據計算機系統能力培養的內涵和培養步驟的要求，制定了一個明確的教學目標，就是設計、應用和優化一個通用的，或者是在特殊環境下有著特別需求的嵌入式計算機系統。這個系統涵蓋了計算機專業主要課程的知識點，從硬件到軟件再到應用。

表1 計算機系統能力層次與其內涵關系表

圖1 計算機系統能力架構圖

從教學目標出發，我們確定了“數字邏輯電路”“計算機組成原理”“微型機系統與接口技術”“計算機體系結構” “編譯原理”“操作系統”和“數據庫原理”作為主要的理論課程，按自頂向下的原則，將具體目標逐層細化，從設計和實現一個具體的計算機系統的工程化角度重新安排了所有的知識點，再組織相關課程老師討論，將這些知識點分散到各門課程中，同時強化各門課知識點之間的關聯性，重新制定課程教學大綱。

在具體的理論教學活動中，也逐漸體現出這種知識的關聯性，比如“計算機組成原理”課程和“微型機與接口技術”課程，通過C語言程序的解析，來幫助學生理解計算機的組織與結構；通過微機結構、匯編語言的功能等，幫助學生分析編譯原理和操作系統設計中的合理性。編譯原理課程中增加了計算機系統設計中必須有的“鏈接”的知識點，甚至在“微型機與接口技術”課程作業和考試中出現了C語言和匯編相關聯的跨課程的題目。

3.2 一套縱橫貫通、環環相扣、逐步推進的實踐體系

針對上述教學目標，我們在計算機系統實踐平臺建設中對相關實踐環節進行詳細的關聯性分析，在此基礎上制定了先期實踐課程所做的結果，作為后續實踐課程的基本部件或技術支撐，層層疊加、逐漸改進，直到完成最終計算機系統設計的環環相扣、逐步推進的實踐方案；根據此方案制定了系統能力培養系列實踐課程大綱和實踐課程講義。實踐平臺還包含了學生實驗所需的相關資源，和老師開展實驗教學所需的資源。

整個實踐方案設計了硬件系列的基本電路分析、計算機基本組成分析、簡單CPU與接口設計與實現；軟件系列的基礎語言類應用程序設計與實現、系統軟件部分模塊設計與實現，以及綜合實踐系列的整機軟硬件綜合分析、設計與實現等幾個設計任務。整個實踐方案中各個設計任務與系統能力培養的關聯，如圖2所示。

圖2 計算機系統實踐平臺的設計任務與系統能力培養關聯圖

這些設計任務被引入到每門實踐課程中（“計算機體系結構”課程沒有單獨開設實驗，而是開設了“計算機系統綜合課程設計”），圖3給出了課程—能力—平臺實踐方案關系圖。

圖3 課程—能力—平臺實踐方案關系圖

圖3中實線框部分是實踐體系的核心部分，也是課程體系重點打造的實踐課程；虛線框部分是延伸部分，對核心課程起到其他輔助作用。線框上半部分是課程，下半部分是實踐平臺中為該課程提供的基本任務。這些實踐任務在課程中又被進一步細化為一個個具體的模塊，實踐課程的內容就是實現這些模塊，而計算機系統實踐平臺中的系列實踐大綱和講義就是依據此來編寫。這些模塊在軟件實驗中是功能設計子任務，在硬件實驗上就是以IP核為載體的功能部件設計子任務。這些功能模塊可以組合成一個大的系統或應用。

該實踐體系特點之一就是縱橫貫通，縱向上，整個實踐體系將大一到大四的幾個主要實踐課程和實踐環節打通，所有的實踐課程雖然分屬不同年級，但是都是圍繞統一的目標進行設計；橫向上，該實踐體系不僅包括課內實驗、課程設計、集中實踐環節、畢業設計，還包括學生課外研學的SRTP項目，以及教師提供的縱向或橫向項目。這樣就形成了以5+3為主體的實踐體系，這里的5是指實踐體系中核心部分的5門實踐課程，也就是圖3中實線框部分，3是指計算機系統綜合課程設計、SRTP項目與教師項目和畢業設計這3個集中實踐環節。

除了縱橫貫通，5+3為核心的實踐體系的第二大特點，就是主要實踐課程遵循從基礎能力培養→專業能力培養→綜合能力培養的階段性、層次性發展過程，實踐內容逐步推進，最終完成從部件設計→整機設計→系統設計的全過程。

3.3 一套虛實結合的統一實驗裝置

3.3.1 統一的貫通式實體實驗設備

過去，不同的實驗采用不同的實驗設備，這些設備型號不同，軟件不同，不僅學生每門課做實驗需要重新熟悉環境，更無法滿足環環相扣的貫通式實踐教學需求。因此，在總結多個實驗設備優缺點的情況下，我們與企業聯合，開發了統一的貫通式實驗設備Minisys實驗板。

該實驗板為計算機系統能力培養的系列實驗量身定做，能夠很好地滿足多門課程實驗的需要，計算機系統能力實踐平臺配套的系列實驗講義就是基于這個設備編寫的。

3.3.2 開發虛實結合，具有計算機底層硬件支持的遠程實驗系統

Minisys實驗板雖然可帶出實驗室，但考慮到畢竟有成本、安全及損耗問題，而且不太容易做到人手一板，因此我們借助東南大學虛擬實驗平臺項目開發了虛實結合、具有計算機底層硬件支持的遠程實驗系統，如圖4所示。

圖4 帶底層硬件支持的虛實結合的遠程實驗系統

使用該系統，學生可以在任何能上網的地方（如實驗室、教室、宿舍、圖書館等）利用客戶端軟件將自己的設計上傳到服務器，由服務器自動幫助裝載到真實的實驗板中運行。之后，通過已經申請專利的監控與通信機制，在客戶端提供實驗中的人機交互。

該系統的主要特點是：①既有底層硬件支撐，又可軟件模擬仿真，適應面廣；②具有支持遠程、開放實驗環境的特點；③可支持計算機系統能力培養中的多門課程的實踐活動，有可支持學生的課外研學。

所謂虛實結合中“實”的方面是指底層確實有硬件實驗板支持，學生的設計是真實地在硬件中運行；“虛”的方面有兩層含義，一層是通過硬件抽象層和模擬層，來模擬底層硬件不支持的功能，實際上就是擴展了硬件實驗板的功能；另一層含義是通過客戶端軟件虛擬不同型號的實驗板，給學生作為實驗載體。

計算機系統實踐平臺通過提供這樣兩種實驗設備或系統，能夠很好地滿足跨年級的相關實踐課程的貫通實驗和逐步推進的需要，也為學生提供了更為開放的課外研學實驗環境。

4 網絡在線助學系統

計算機系統實踐平臺借助網絡研發遠程實驗系統，共享精品課程資源，進行實踐類MOOC探索，除此以外，為了幫助學生更好地進行自主研學，我們還構建了自主研學網絡助學平臺。該平臺包括“在線交互式教學網站”“在線答疑系統”“在線交互式作業系統”“在線實踐向導與幫助系統”“在線資料庫與習題庫”，大部分課程還利用QQ群與學生進行即時交流。比如“數據庫原理”利用在線答疑系統和“DBMS開發向導網站”進行網上答疑；“計算機組成課程設計”（硬件實驗）“微型機系統與接口技術”“數據庫原理”等多門課程開通了課程網站和在線交互式網上作業系統。網絡技術的運用，有效地協助了實踐課程的開展，讓學生在一個更為開放的環境下進行實驗。

5 結 語

經過幾年的建設，東南大學計算機學院貫通式與虛實結合的計算機系統實踐平臺建設已初具規模，幾年的運用也取得了豐碩的成果。近幾年來，實踐平臺先后獲得國家級精品課程1門、國家級精品資源共享課1門，省部級精品課程1門；承擔江蘇省教改項目、東南大學教改項目10項，撰寫與教學相關論文13篇，出版教材3本，獲得軟件著作權4項，受理發明專利申請4項，各級各類教學成果獎9項。經過該平臺的鍛煉，學生在系統觀、實踐能力、創新能力和解決較復雜功能問題能力上都有了長足的進展。近幾年在全國和省級各類學科競賽中獲得一、二等獎15項。比如，在2016年計算機學會體系結構專委會主辦的ACA2016全國大學生創新競賽中，幾位經過本實踐體系培養出來的學生組隊參賽，榮獲大會唯一的一個特等獎，而幾名大三的學生獲得二等獎。

事實證明，該實踐平臺能全面訓練學生計算機硬件、軟件和系統的開發與優化能力，實踐能力和創新能力，能夠多角度、全方位地支撐系統能力培養。該平臺服務對象涵蓋不同層次的全體學生，實踐平臺在實踐方案、實踐設備、輔助教學手段上保證了各門課之間的配合、課內課外的配合。

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