自頂向下的計算機軟件系統能力培養模式探索

張 睿，郭東偉

（吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012）

1 系統能力培養模式問題分析

信息時代計算機應用和互聯網技術的飛速發展，對于計算機專業人才培養，特別是作為高等教育基礎的本科生培養，提出了更高的要求，從傳統的強調“程序開發能力”拓展到要求學生具備“系統性設計能力”[1]。計算機專業人才培養注重系統能力的提升，對于貫通計算機軟硬件體系，完整構建本科生知識結構，實現從源代碼到芯片指令的全流程理論教學與實踐教學都提出了改革的需求[2]。

芯片級別的指令操作理論不僅要求高投入的硬件實驗環境支撐，要求高素質的教學管理團隊作為核心原動力，而且要求學生具有較強的接受能力和對于未成系統抽象知識的理解能力。對于一般本科院校的投入而言，更新一整套硬件實驗環境就會占據教學改革經費的很大一部分。相較于可度量的硬件升級，可以通過加大投入迅速推進，教學團隊和教學體系的演進不可一蹴而就，且不可量化，更不會立竿見影，因而更加艱難。以建設計算機系統基礎（ICS）[3]、計算機硬件系統設計原理[4]、計算機系統基礎實驗[5]等為目標的課程體系改革已經初見成效，不僅打通了若干傳統課程的知識界限，明確了交疊知識點的分工，以及知識群之間的支撐與關聯，還提升了授課教師的自身綜合素質，從而提高教學的質量，增強系統能力培養的效果。

如果說對于“教”的硬件環境和教學團隊/資料的提升，已經取得了階段性的進展，那么對于“學”的過程中，如何激發學生學習興趣，自覺培養自身的計算機系統能力，目前仍然是面向系統能力培養教學中的難題。開設計算機導論課程，幫助學生建立基本的計算機體系概念，效果并不盡如人意。期望通過“蜻蜓點水”式的導論，指導學生使用未接觸過或未成體系的底層知識結構——CPU 指令層級的設計思維，以引導課程的學習，在教學實踐中效果不佳。雖然軟件理論專業本科課程的貫穿式改革如火如荼，但是學生“系統觀”的建立很難通過前序課程的講授建立起來。在系統能力培養模式的構建過程中，普遍存在3 方面的問題。

（1）教師對必要性的認識程度不足，對改革存在畏難情緒。部分教師的思想與先進的教學和培養理念脫節，對于計算機專業本科生系統能力培養的社會要求缺乏了解，沒有引起足夠的重視。部分教師安于現狀，對課程體系改革怕難、怕擔責任、怕花費精力、怕受埋怨；對于教指委提出的面向系統能力培養的教學改革，缺乏主觀能動性。

（2）學生對教學模式改革成果不認可。針對系統能力培養貫通組成原理等硬件相關課程的改革已經在全國各層次高等學校展開試點，但初期的教學效果并不符合學生的預期。學生，特別是軟件工程等專業的本科生對于硬件實驗的目的不夠明確，認為底層指令體系相關理論和硬件實驗對于軟件開發實現能力提升沒有明顯效果。這種反饋令部分老師對于改革的方向產生質疑，缺乏動力。

（3）自底向上的知識體系構建方法不完備。計算機硬件體系結構和CPU 指令體系是系統能力的底層，是系統能力培養模式中，學生需要構建的系統觀的重要組成部分。但是由于現代計算機體系結構的飛速演進，學生無法直觀看到高度集成的計算機硬件體系，難以快速地建立這一層次的知識體系，從底層向高層的體系構建方向困難重重。

針對以上問題，采取一種自頂向下的系統能力培養模式，主要包括以下3 方面。

（1）對標工程教育認證各項指標點，細化系統能力培養的評價體系。通過深度調研，獲取企業、教師、學生等各個角色對于系統能力培養的細節要求。

（2）以常見軟件現象為出發點的漸進式計算機系統知識體系構建方法。以軟件為核心，帶動實際系統能力應用需求，發掘“掩藏”在硬件中的內存管理模式、并發機制、安全機制等頂層需求映射，梳理從實際軟件問題出發的、逐層向下的縱向知識脈絡。

（3）通過系列講座、課程貫通、綜合實驗3個步驟，實現漸進式的軟件系統能力培養。

2 系統能力培養國內外現狀

ACM/IEEE 在2013 年公布了計算機教育教學方案[6]，對于18 個知識域進行了梳理，相較前版方案，更加強調系統知識和系統能力的培養。教育部計算機專業教學指導委員會組織了《高等學校系統能力培養研究》項目，對于本科生能力培養和實踐教學體系進行了研究，全國共有4 批次102 所高校成為試點高校參與。同時，由教指委主辦的“全國大學生計算機系統能力培養大賽”已經成功舉辦兩屆，為全國各層次高校系統能力培養提供了展示的舞臺。國內多所知名高校如國防科技大學、清華大學、北京航空航天大學、中國科技大學、中國科學院大學、上海交通大學、南京大學、西北工業大學等，已經在面向系統能力培養的課程體系建設、教材與實驗指導材料編撰、支撐工具研發與應用等方面取得了豐碩的成果。2019 年，教指委又成功立項“智能時代計算機專業教育研究”專項，研究“移、物、云、大、智”時代多學科交叉融合趨勢下計算機系統能力培養的新問題。

對于傳統計算機專業教育課程體系存在的常見問題，很多學者有切中要害的分析，如缺乏貫穿整個計算機系統的基礎課程，忽視課程之間的銜接和關聯，固守“經典”知識而忽視并行、分布式等計算架構和CPU、FPGA 等新體系對傳統知識體系的影響。

3 自頂向下的培養方法

從就業需求入手，針對我國高校本科教學規模龐大的現實狀況，以應用軟件層面的實際工程問題為出發點，可采用自頂向下，逐步深入CPU指令層實現的系統能力培養思路；同時，從目標、措施和步驟層面，建立一套可行的培養方法。

1）明確目標——入手點。

經過梳理近年來的畢業生就業去向與用人單位需求發現，大多數用人單位很難對于畢業生的系統能力層次進行明確要求，招聘條件往往是以工程實踐為導向的，因此以面向就業目標的系統能力培養為入手點，形成“程序實現”“程序安全機制”“程序測試方法”等面向軟件實現細節的入手點，從軟件的角度，牽引系統能力培養的實施。

2）融會貫通——措施。

構建以系列學術講座、系統化課程建設以及綜合實驗為主要措施的培養措施，其中，系列學術講座作為符合我院實際情況的措施，進行了詳細的規劃。

首先，根據入手點確認講座主題。以軟件問題為主線設置題目，有利于擴大講座的受眾，避免學生和教師產生畏難情緒。

其次，以自頂向下的方式組織講座的內容。邀請資深教師，以軟件問題為牽引，自頂向下地將應用軟件、系統軟件及硬件層知識進行貫穿，培養學生系統性分析解決軟件問題的能力。

第三，以講座形式不限年級地多次參與。講座形式靈活，可以作為課程的預熱、補充和延伸。相較本科一年級的導論課，講座時間短、針對性強、目標明確；相較本科四年級的就業指導課，講座有內容、有方法，融會貫通。講座不限制學生的年級，都可以參與，效果明顯。

最后，兼顧重要課程的知識體系，在集體備課、貫通課程的同時，將講座和課程關聯，為學生進一步探索感興趣的知識和內容起到引導作用。

3）漸進發展——步驟。

以“尖子班”學生為試點，要求必須參加系列講座，并且通過調查問卷等獲取反饋，提升講座的質量；逐步拓展到普通班學生，要求一年級必聽，其他年級選聽；同時，根據課程貫通的實際推進步驟，對于講座內容進行調整，以適應整體的架構。

4 培養模式實踐探索

自頂向下的軟件系統能力培養模式的核心思想在于軟件層面的問題驅動，即從實際軟件工程問題出發，通過分析“常見”的應用層軟件問題，逐步深入，自頂向下，滲透到操作系統層，再到指令系統層的結構，從而完成從軟件功能到指令層的映射，由淺入深地構建計算機系統知識體系。

一個應用層面的實際問題——C 語言程序運行的知識脈絡，從內存布局，到函數調用、數據訪問、緩沖區溢出（管理）、垃圾回收（機制）自頂向下地引導知識體系的構建。以一年級本科學生對于C 程序設計課程的掌握情況，可以初步理解程序運行的概念。通過已理解概念向縱深層次的延伸，緊扣“程序執行”的主題思想，將內存布局、數據訪問、函數調用、緩沖區管理、內存垃圾回收等概念貫穿到硬件指令集和存儲空間層面，激發學生學習興趣，克服學生畏難情緒，采用先突破一點，再帶動一面的策略，實現知識體系的逐步構建。

該培養模式包括兩個維度的研究內容。

1）軟件系統能力指標體系研究。

針對計算機系統能力的概念，即在掌握計算機系統內部各軟件/硬件部分的關聯關系與邏輯層次的基礎上，培養學生以計算機技術為核心的應用系統的能力。通過調研多個層面的相關人群對于系統能力的實際需求：畢業生用人單位、授課教師以及課程改革試點收益班級學生，對于推進系統能力培養改革具有重要意義。

首先，對計算機應用系統的概念達成共識，即不僅僅局限于大型系統軟件，如計算機操作系統，還包括領域應用系統，如工業制圖軟件、地理信息系統等；“一般”應用系統，如簡單的管理信息系統、移動應用等。學生具備了開發操作系統級大型應用的能力和開發簡單的管理信息系統的能力，但從開發這3 類應用系統的市場需求量分析，開發“一般”應用系統的人才需求占絕大多數。

其次，分析本科畢業生就業情況。絕大部分計算機相關專業本科培養的人才輸送到了各行各業的信息化、智能化建設崗位。用人單位的實際需求可以分成計算機基礎知識、應用領域知識、實際工程問題解決能力等方面的要求。我院畢業生在計算機基礎知識的準備方面能夠基本滿足用人單位的需求，但在領域知識的運用及實際工程問題解決方面，還存在一定差距。這衍生出一種非計算機專業特性的能力需求：學習能力需求。在信息科學領域技術、理論飛速發展的時代大趨勢下，在終身學習的歷史大潮中，學習能力和良好的學習習慣是畢業生質量的重要指標參數，但目前還沒有有效的度量標準。

第三，通過校企聯合、產學研合作等途徑，豐富學生行業領域知識；通過學科競賽（ACM、系統能力培養大賽等），拓展學生的系統思維模式、錘煉實際工程問題解決能力的措施得到教師和學生普遍認可。

第四，把握10 余年來教育部專業認證標準的演進，分析以OBE 理念為指導的教學效果評價體系在畢業生質量衡量過程中起到的重要作用。對于系統能力培養教學效果的評估而言，工程教育認證分解指標點評價體系側重點更加廣泛，但不夠精準。在認證過程中，將畢業要求分解成12 個指標點，其中第3 點中的“掌握計算機專業領域系統設計、集成、開發及工程應用的基本方法，能夠綜合運用理論和技術手段設計解決復雜工程問題的方案，設計滿足特定需求的計算機軟、硬件系統，能夠將創新意識體現到設計環節中”對于系統能力給出了有針對性的要求，但缺乏對于畢業生系統能力的細節評價標準和手段。

最后，在學生評價系統能力改革相關課程的學習效果調查中，普遍反映面向CPU 指令系統的MIPS 處理器實驗課程與前序課程的關聯性不強，不容易把握該課程中實驗目標與其他主干課程的內在聯系。在數據結構、算法分析等傳統軟件理論與技術相關課程中，該課程對新方法、新工具、新思維的要求較高，與傳統課程在內容和教學形式等方面有較大差別，對學生個人能力要求較高。一方面我們可喜地看到課程改革嘗試得到了認可，另一方面對于整個課程體系改革的廣度和深度也提出了更高的要求。

綜合各種調研的結果，確認以軟件帶硬件的課程改革方向，采用自頂向下的軟件系統能力培養模式。

2）軟件問題導向的貫穿式知識體系建設。

以北京航空航天大學等多所國內知名高校引領的貫通式課程體系改革已經初見成效。課程的貫通式改革，核心目標是明確知識的關聯。在構建關聯的系統性知識體系角度，我們做出了3 方面的嘗試。

首先，對于學院計算機相關專業培養計劃中現有課程的課程教學大綱進行語義匹配，得到章節、知識群、知識點等條目的語義匹配結果，挖掘現有課程體系中課程之間的關聯關系。從得到的結果看，多門課程存在知識點交疊的狀況。針對交疊狀況，組織相關課程教學團隊，進行跨課程研討，以明確知識點/群的歸屬，實現課程之間的清晰分工，但此項工作的成果還達不到貫通式的課程改革標準。

其次，針對不同年級的學生，特別是一年級剛入學的新生和三年級下學期末即將完成大多數專業課的準畢業生，進行問卷調查，分析學生對于軟件問題的貫通式解決方案的認識。2016 級軟件工程專業卓越工程師班和計算機專業唐敖慶班（教育部“基礎學科拔尖學術培養基地”吉林大學計算機科學與技術學院實施的拔尖班級）學生中，有28 人參加了調查，占總人數的50%。對于C語言程序的軟件執行問題，我們設計如圖1 所示的問卷題目。每個題目涉及一個軟件問題，包括“程序運行模式”“輸入輸出與系統調用”“并發”“B/S 架構應用程序的指令層實現”以及“應用系統安全”5 個主題。通過選項調查學生對該主題相關知識的了解程度。

圖1 調查問卷題目樣例

在所有收回的有效問卷中，學生的反饋如圖2 中的柱狀圖所示。圖中的橫軸代表問卷的題目代碼，其中第2 題如圖1 所示，縱軸代表的是學生評估的分數總和。其中，“了解”計1 分，“一般了解/不清晰/不太了解”計0.5 分，“不了解”計0 分。針對不同的題目，問卷設計了4～6 個選項，圖2 顯示了學生對每個主題的各相關知識點/群的了解狀況。

圖2 軟件問題相關系統知識了解情況調查結果

從圖2 中我們可以看到，在所有主題中學生對于知識點的了解程度。針對“程序運行模式”這一編譯原理課程單科幾乎涵蓋所有知識點的主題，學生的了解程度基本上達到了半數（14/28）以上，而對于諸如系統調用（第3 題）、并發（第4 題）等，幾乎沒有超過半數的學生了解。第4題第一選項調查的內容“單線程和多線程的區別和實現機制”是操作系統課程單科涵蓋的知識群，所以學生的了解率達到了預期。對于B/S 架構應用（第4 題）和安全（第5 題）這兩個需要綜合考量且在單科教學中未涉及的主題，學生的了解率大幅度下降，谷值達到了2.5。

調查結果表明，雖然學生已經基本完成了相關專業課程的學習，但是對于常見軟件問題在指令系統層面的相應知識了解和掌握程度低于預期。

在調查問卷的結果分析中，我們也發現可喜的一面。多數參加調查的學生都對這些主題很感興趣，并且針對諸如“分布式系統實現”“GPU并行編譯”“網絡”“系統管理”“Python 的機器層實現”“大數據下的隱私保護問題”“系統權限獲取與驗證”“復雜系統構建”等問題，具有濃厚的興趣。通過軟件問題作為興趣驅動，可以調動學生的積極性，驗證了軟件牽引的貫穿式知識體系建設的可行性。

5 結語

作為重點本科高校，吉林大學的計算機相關專業對于學生系統能力培養模式現狀進行了廣泛的調研，在借鑒國內外知名高校先進經驗的基礎上，立足于本校在計算機軟件與理論研究方面的雄厚基礎，抓住人工智能研究大趨勢，探索了一條以常見軟件問題為核心、軟件帶動硬件理論、自頂向下的系統能力培養模式。

模式探索初期，利用調查的方法對于系統能力培養與畢業要求能力指標點的對應方式，形成了細化的系統能力培養目標，確立了以軟件問題為導向的系統能力培養思路。在模式探索的中期，嘗試對計算機專業現有課程體系知識點關聯的挖掘與關聯，并動員和推進跨課程團隊的交流研討，明確知識點/群的依賴和界限，為模式探索奠定基礎。

對于常見軟件問題進行梳理，在廣泛選題、重點選拔的思路下，確立一系列的主題，形成以這些主題為核心的講座模式，打破學生年級界限，幫助不同年級的學生逐步建立計算機系統知識體系。

迄今為止，該系列講座已經進行了2 次，參與的學生人數明顯增長。講座之后的非官方調查顯示，學生對于貼近已有知識體系的主題有親切感，容易找到切入點和興趣點，對于構建計算機系統知識體系有實質性的幫助。

吉林大學計算機專業正在探索一條有學校特色的、行之有效的軟件系統能力培養路徑。通過大量的調研和匿名問卷，摸索到了計算機軟件常見問題對于構建計算機系統知識體系的重要牽引作用，通過系列講座這種打破年級的交流方式，幫助學生逐漸建立計算機系統知識體系，取得了一定的效果。