淺談新工科下計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索

王君 謝維奇 何云紅

摘要： “中國制造2025”的提出，給新工科背景下的計算機系統(tǒng)能力增加了新的內(nèi)涵。該文介紹了我校以“數(shù)字邏輯”“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門課程的課程群為主線，調(diào)整教育培養(yǎng)的目標，在理論知識和實踐能力培養(yǎng)中建立課程之間的相關(guān)性;又通過“以賽代教”的學(xué)科比賽方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力;新工科;本科計算機專業(yè)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0124-02

1 前言

“中國制造2025” 是中國政府實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，其中涉及新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2018年3月教育部辦公廳發(fā)文《關(guān)于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》，推動我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國邁進。教育部副部長林蕙青在大會上強調(diào)，大力發(fā)展新工科 （Emerg-ing Engineering Education，3E）的建設(shè)，可以探索出具有國際水平的中國特色的工程教育體系，其推動了我國工程教育的發(fā)展，并可培養(yǎng)出具有我國特色的工程技術(shù)人才。

新工科的專業(yè)包括物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)、計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、機器人工程專業(yè)、智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)、智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、智能建造專業(yè)等。其中，計算機科學(xué)與技術(shù)是新工科體系中的重要學(xué)科，其與其他學(xué)科交叉，形成“計算機+”的新專業(yè)，因此，以新工科為基礎(chǔ)的計算機專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具有厚重的專業(yè)基礎(chǔ)和實踐能力，才能成為卓越工程科技人才。

系統(tǒng)能力包括兩個方面：系統(tǒng)知識的掌握與工程實踐能力。系統(tǒng)知識的掌握主要針對計算機核心系統(tǒng)的工作原理、體系結(jié)構(gòu)、軟硬件合作協(xié)同、層次間邏輯關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換;工程實踐能力體現(xiàn)在用工程方法開發(fā)計算機應(yīng)用系統(tǒng)等方面[1]。系統(tǒng)能力培養(yǎng)的加強主要表現(xiàn)在以下幾個方面：升級改造當前高等學(xué)校的計算機類專業(yè)教育;推動高新技術(shù)與計算機類專業(yè)的知識、體系結(jié)構(gòu)、素質(zhì)要求深度融合;探索計算機類專業(yè)升級改造的實施步驟;提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展的整體能力和綜合素質(zhì)[1]。

2 現(xiàn)狀

我國擁有世界上最大規(guī)模的工程教育。以2016年為例，本科在校生工科專業(yè)為538萬人，其畢業(yè)生123萬人，專業(yè)布點就高達17037個，高等教育在校生總數(shù)的三分之一為工科專業(yè)學(xué)生。工科建設(shè)中數(shù)量最多且影響最大的專業(yè)為計算機專業(yè)。在新工科的計算機類專業(yè)建設(shè)和教育提升中，系統(tǒng)能力培養(yǎng)是非常關(guān)鍵的重要內(nèi)容，系統(tǒng)能力培養(yǎng)具有舉足輕重的迫切需求[2]。

在新工科建設(shè)的大環(huán)境下，當前計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生必備的基礎(chǔ)能力為計算機系統(tǒng)能力，但是目前，國內(nèi)大部分高校的計算機類專業(yè)教學(xué)對系統(tǒng)能力的培養(yǎng)重視程度不夠，培養(yǎng)的學(xué)生在系統(tǒng)能力方面存在一些問題，且達不到新工科對人才需要的要求。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，建立不了的計算機系統(tǒng)概念，不能全面解決系統(tǒng)層面的問題;其次，掌握計算機系統(tǒng)的核心內(nèi)容不夠充分，大部分學(xué)生難以完成復(fù)雜的軟/硬件協(xié)同設(shè)計任務(wù);第三，因?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程之間內(nèi)容缺乏聯(lián)系性，所導(dǎo)致在處理大型設(shè)計問題分析、設(shè)計時，大部分學(xué)生是手足無措;最后，缺乏系統(tǒng)性的綜合實踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了在系統(tǒng)實踐相關(guān)課程中學(xué)生動手能力較差，甚至出現(xiàn)無從下手的局面，越差越怕動手的惡性循環(huán)。

新工科“計算機+”交叉學(xué)科的新專業(yè)的發(fā)展是必然趨勢，系統(tǒng)能力欠缺的學(xué)生是無法適應(yīng)其發(fā)展。只有新工科計算機類系統(tǒng)能力培養(yǎng)的加強，方可推動高新技術(shù)與計算機類專業(yè)的知識、能力、素質(zhì)要求深度融合;進行計算機類專業(yè)改造升級的實施路徑的探索，方可提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展的整體素質(zhì)和能力。那么，在新工科背景下計算機系統(tǒng)能力的新內(nèi)涵是什么？培養(yǎng)體系或培養(yǎng)方法是什么？我們對師資隊伍的建設(shè)又要注意哪些呢？

3 系統(tǒng)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀及問題

目前在我國一些知名高校中，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，正在積極進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐與探索。比如南京大學(xué)袁春風(fēng)教授，其在多年的計算機專業(yè)教學(xué)實踐中得出了寶貴的經(jīng)驗，她認識到傳統(tǒng)的計算機課程體系中，缺少了幫助本科生建立硬件與軟件相關(guān)聯(lián)的課程，他們對計算機系統(tǒng)中一些非常重要的基本概念缺乏深入理解。比如，大部分學(xué)生無法準確地描述出指針變量的硬件實現(xiàn)過程;而棧、遞歸概念更像是在“變魔術(shù)”難以深刻理解。所以袁春風(fēng)教授親自編寫了計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材----《計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)》，并且所授課程相關(guān)資料已在Coursera平臺上線。她認為在計算機專業(yè)教學(xué)中必須樹立系統(tǒng)觀（如圖一所示），培養(yǎng)學(xué)生獨特而全面地系統(tǒng)眼光。面對不同的問題提出，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會站在各個層面上去把握各個層次上的系統(tǒng)，并學(xué)會系統(tǒng)全面地考慮計算機系統(tǒng)各部件與外界的邏輯與關(guān)聯(lián)，能夠完成一定規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計。該課程站在程序員層面上，重點介紹如何利用計算機系統(tǒng)知識來編寫出效率高的程序代碼，并且以C語言程序開發(fā)作為一條主線，將該開發(fā)過程中常見的環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件概念聯(lián)系到一起，可以讓學(xué)生更好地理解計算機系統(tǒng)中的每一個抽象層與其涉及的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系（如圖1所示），為后續(xù)課程打下了堅實基礎(chǔ)。

4 我校課程改革情況

我校建立了計算機專業(yè)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程群，主要有三門課程進行了改革（如圖2所示），具體如下：

1）數(shù)字邏輯

該課程是計算機、電子信息相關(guān)IT專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課及必修主干課程。其主要內(nèi)容包括邏輯基礎(chǔ)知識、組合邏輯、時序邏輯、編程邏輯，以及邏輯分析設(shè)計方法、芯片應(yīng)用能力，是硬件相關(guān)課程的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。我們選擇的是課程群老師編寫的《數(shù)字邏輯（第三版）》，該課程有兩大特點：第一在原來的基礎(chǔ)上增加了小視頻的資源，書上每個章節(jié)重要知識點附近附有二維碼，通過手機掃描就可以看見相關(guān)視頻教學(xué)，每個視頻在1-2分鐘，短小而生動，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第二在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)上，又增加了HDL設(shè)計?，F(xiàn)代邏輯（編程邏輯）設(shè)計方法學(xué)與傳統(tǒng)邏輯（組合邏輯、時序邏輯）相比，提高了對象描述的抽象性，與EDA技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠進行系統(tǒng)級對象設(shè)計，還可以高效實現(xiàn)。

2）計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)

該課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課。采用由南京大學(xué)袁春風(fēng)教授編寫的《計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)》。該教材將比較難的匯編語言、編譯原理、組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容與高級程序語言有機貫穿起來，輕松地建立了完整的計算機系統(tǒng)概念。該課程使學(xué)生對計算機系統(tǒng)有整體認識，對后續(xù)課程如“計算機組成”“操作系統(tǒng)”等打下堅實基礎(chǔ)。

3）計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課。本課程首先講授計算機硬件的基本構(gòu)成和基本設(shè)計原理層面，然后著重加強學(xué)生的設(shè)計能力，利用在“數(shù)字邏輯”課程中學(xué)到的門電路的知識和HDL語言設(shè)計，再加上“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”中對計算機的整體系統(tǒng)觀，使用Modelsim軟件對計算機各個部件進行仿真測試，比如ALU部件。這樣能夠讓學(xué)生全面地理解計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)機理。

4）緊跟學(xué)科競賽發(fā)展，“以賽代教”

為了讓數(shù)字邏輯、計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)和計算機組成與結(jié)構(gòu)3門課程中的實驗內(nèi)容能夠很好地銜接，課程組教師們編寫了基于FPGA開發(fā)系統(tǒng)的綜合實驗內(nèi)容，讓部分優(yōu)秀學(xué)生先在傳統(tǒng)的實驗平臺上從門電路開始設(shè)計基本功能部件，然后再以HDL語言為基礎(chǔ)設(shè)計存儲部件和外圍接口和CPU，最終將存儲部件、I/O接口和CPU通過總線互連成為一個簡單完整的計算機硬件系統(tǒng)。

為了提高學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力，學(xué)院還鼓勵指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生參加學(xué)科競賽，緊跟學(xué)科前沿。2017年5月報名參加了第一屆“龍芯杯”全國大學(xué)生計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽，本次大賽共有40多所高校近70支隊伍參賽，參賽學(xué)生近280人，指導(dǎo)老師近140人。我校代表隊4名同學(xué)進入了前二十名，參加了9月在北航的決賽，最終獲得了優(yōu)勝獎，來之不易?！耙再惔獭闭{(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機硬件的積極性，對學(xué)生培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力起著重要的作用。

5 結(jié)束語

新工科背景下，計算機系統(tǒng)能力應(yīng)該是： 1）動態(tài)性：以不變應(yīng)對多變的未來科技發(fā)展趨勢;2）創(chuàng)新性：繼承與創(chuàng)新相結(jié)合，以多學(xué)科融合為手段;3）多元化：與時俱進，以多元化的創(chuàng)新為目標[3]。

我校以“數(shù)字邏輯”“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門課程的課程群為主線，再加上“以賽代教”的學(xué)科競賽方式，學(xué)生既有了扎實的計算機系統(tǒng)觀，又有了實際動手經(jīng)驗，對計算機系統(tǒng)學(xué)習(xí)的興趣越來越強。系統(tǒng)能力培養(yǎng)將大幅度地提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量，為新工科建設(shè)的深入展開打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 言十.新工科建設(shè)與系統(tǒng)能力培養(yǎng)[J].計算機教育，2018（7）：1-4.

[2] 王志英，周興社，袁春風(fēng)，等.計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計算機教育，2013（9）： 1-6.

[3] 葛方振.新工科背景下計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重定位思考[J].電腦知識與技術(shù)，2017（36）：133-134.

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