應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系

羅先錄 譚德立 張永棠 陳桂宏

摘 要：系統(tǒng)能力是近期提出的計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一個(gè)重要能力，應(yīng)用型本科需要重視本項(xiàng)能力的構(gòu)建，從而為工程實(shí)踐能力做好前期基礎(chǔ)準(zhǔn)備。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)能力的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考相關(guān)高校專業(yè)的課程體系，提出了應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力課程體系計(jì)劃。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；系統(tǒng)能力；工程教育

中圖分類號(hào)：TP3-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

我們計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生比其他專業(yè)自學(xué)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)生強(qiáng)在哪里？這是我們?cè)谟?jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中經(jīng)常遇到的問題，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后會(huì)反思的問題。我們國(guó)家經(jīng)歷了這些年的計(jì)算機(jī)專業(yè)教育，但是很少有對(duì)這個(gè)問題令人滿意的回答。中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)教育專業(yè)委員會(huì)在《2012中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告》中明確提出：相比較其他專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和應(yīng)用能力，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生更強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)[1]。南京大學(xué)的袁春風(fēng)等認(rèn)為， 計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的優(yōu)勢(shì)之一在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，即具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層面的認(rèn)知與設(shè)計(jì)能力、能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度考慮和解決問題[2]。

國(guó)內(nèi)在計(jì)算機(jī)系教育領(lǐng)先的大學(xué)，大都進(jìn)行了關(guān)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)知識(shí)、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的研討。這些大學(xué)都提出了自己的方案并進(jìn)行了探索和實(shí)踐。筆者參考了《2012中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告》中《計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程設(shè)置的研究與進(jìn)展》，以及參加2014年清華大學(xué)出版社和南京大學(xué)組織的第三屆高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇，看到和聽取了很多前沿的探索總結(jié)，深受啟發(fā)。

作為一所新辦的本科院校，廣東東軟學(xué)院具備東北大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、東軟集團(tuán)等校企背景，培養(yǎng)適應(yīng)計(jì)算機(jī)新技術(shù)、新問題、新領(lǐng)域發(fā)展的人才，我們必須要從易到難，從可以實(shí)現(xiàn)到較高目標(biāo)定位來(lái)逐步落實(shí)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

2 國(guó)內(nèi)外借鑒（Domestic and international

reference）

（1）國(guó)際高校系統(tǒng)能力課程體系

麻省理工學(xué)院（MIT）?；A(chǔ)課程6.004計(jì)算結(jié)構(gòu)（Computation Structures）[3]+6.033計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程（Computer System Engineering）[4]。6.004是一門貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程。這門課包括硬件方面的門電路、功能部件、單周期和流水線CPU之間的所有基本內(nèi)容和軟件方面的C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器指令之間的基本內(nèi)容，還涉及過(guò)程調(diào)用、系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程、并行、性能評(píng)價(jià)等一些重要概念。6.033內(nèi)容涵蓋了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等多門課程中的重要概念。6.004目前還沒有教材，6.033中文版《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理》由清華大學(xué)出版社出版。該課程于1968年開始講授，是MIT EECS兩位資深教授40多年教學(xué)和研究的總結(jié)，經(jīng)過(guò)不斷修改和與時(shí)俱進(jìn)，正式與2009年開始出版，堪稱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)典教材。

卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）和斯坦福大學(xué)（Stanford University）。CMU的CS213[5]和斯坦福CS107[6]，所用教材都是《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》（Computer Systems：A Programmer's Perspective，Randal E.Bryantand David R.O'Hallaron）。中文版由機(jī)械工業(yè)出版社出版。這門課從程序員的視角詳細(xì)闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)概念，并展示這些概念如何實(shí)實(shí)在在地影響應(yīng)用程序的正確性、性能和實(shí)用性。主要內(nèi)容包括信息的表示和處理、程序的機(jī)器級(jí)表示、處理器體系結(jié)構(gòu)、優(yōu)化程序性能、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)、鏈接、異?？刂屏鳌⑻摂M存儲(chǔ)器、系統(tǒng)級(jí)I/O、網(wǎng)絡(luò)編程、并發(fā)編程等。華盛頓大學(xué)（University of Washington）在cousera上有一門課程The Hardware/Software Interface[7]，采取了同樣內(nèi)容和教材。主要從程序員角度介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，更偏向于系統(tǒng)軟件層面。本課程于1998年在CMU計(jì)算機(jī)學(xué)院開始開設(shè)，經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)總結(jié)，2003年開始出版，得到了很多美國(guó)高校的采用，中文版在我們國(guó)家出現(xiàn)后，得到了IT業(yè)界的廣泛認(rèn)可。

（2）國(guó)內(nèi)高校系統(tǒng)能力課程體系

南京大學(xué)軟件學(xué)院。B111SE《計(jì)算系統(tǒng)基礎(chǔ)》采用了Yale N.Patt，Sanjay J.Patel，Introduction to Computing Systems：From bits & gates to C & beyond（Second Edition），機(jī)械工業(yè)出版社，2006（對(duì)照中譯本：梁阿磊譯，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論，第2版，機(jī)械工業(yè)出版社，2006）。課程采取自底向上的教學(xué)模式，圍繞一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)（LC3）進(jìn)行從比特到高級(jí)語(yǔ)言（C語(yǔ)言）的全面、系統(tǒng)的介紹，為初學(xué)者建立一個(gè)完整的計(jì)算概念，包括：數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示、數(shù)字邏輯、馮·諾伊曼模型、機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、輸入和輸出、Trap機(jī)制和子程序、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)與C語(yǔ)言。課程較好地解決了基礎(chǔ)知識(shí)與動(dòng)手能力相結(jié)合、硬件與軟件相結(jié)合、系統(tǒng)軟件與程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的問題，既注重學(xué)生對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的宏觀理解，又加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[8]。本教材是起源于1995年密歇根大學(xué)開設(shè)的課程，于2000年開始出版，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的經(jīng)典基礎(chǔ)教材，被國(guó)內(nèi)外大學(xué)廣泛采用為教材。

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。計(jì)算機(jī)組成+操作系

統(tǒng)+編譯技術(shù)組成三大必修課程，對(duì)應(yīng)三大系統(tǒng)級(jí)核心技術(shù)：CPU、操作系統(tǒng)和編譯器，以期學(xué)生達(dá)到三大能力目標(biāo)（能夠開發(fā)一個(gè)功能型CPU，能夠開發(fā)一個(gè)操作系統(tǒng)核心，能夠開發(fā)一個(gè)編譯器）[9]。

浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。總體設(shè)想是采用軟硬件課程貫通，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐過(guò)程為手段，深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能程序設(shè)計(jì)為目標(biāo)，融會(huì)貫通數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)和編譯技術(shù)等課程知識(shí)體系；以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為統(tǒng)一視圖，建立層次化、循序遞進(jìn)、開放式課程群的課程體系和實(shí)踐目標(biāo)。

具體分成了系統(tǒng)能力最小系統(tǒng)（《邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（數(shù)字電路）》+《計(jì)算機(jī)組成原理》），系統(tǒng)能力基本系統(tǒng)（《邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（數(shù)字電路）》+《計(jì)算機(jī)組成原理》+《編譯原理》+《操作系統(tǒng)》），以及系統(tǒng)能力最大系統(tǒng)（《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》+《計(jì)算機(jī)接口與匯編》）[10]。

3 融合與提升（Integration and promotion）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外高校系統(tǒng)能力課程體系的借鑒，結(jié)合廣東東軟學(xué)院的實(shí)際情況，尋求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的融合與提升之道。我們認(rèn)為計(jì)算機(jī)教育改革的重點(diǎn)是以教育部教指委關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)為核心。以計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)為核心，將計(jì)算思維能力培養(yǎng)貫穿整個(gè)課程體系，調(diào)整計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方案。計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力要求如圖1所示。

為了達(dá)到更好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的融合與提升效果，我們做了一下思考：

（1）作為應(yīng)用型大學(xué)，提升系統(tǒng)能力，最終目標(biāo)是為了工程應(yīng)用。我們先設(shè)置第一門課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）”?！芭c傳統(tǒng)課程體系設(shè)置相比，最大的不同在于，新的課程體系中有一門涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)抽象層面的能夠貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)課程：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）。該課程講解如何從程序員角度來(lái)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以使程序員進(jìn)一步明確程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中的語(yǔ)句、數(shù)據(jù)和程序是如何在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的，讓程序員了解不同的程序設(shè)計(jì)方法為什么會(huì)有不同的性能等[1]。”從程序員角度來(lái)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是培養(yǎng)以工程應(yīng)用人才為目標(biāo)的真正體現(xiàn)。我們?cè)O(shè)置本課程的內(nèi)容和教材可以采用和卡耐基梅隆大學(xué)和斯坦福大學(xué)的《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》（Com-puter Systems：A Programmer's Perspective，Randal E.Bryantand David R.O'Hallaron）的中文版。課程設(shè)計(jì)參考華盛頓大學(xué)（University of Washington）在cousera上的課程The Hardware/Software Interface。

（2）在數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)這三門課程采用前沿先進(jìn)的教材的基礎(chǔ)上，在數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中加入FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)容，使得“數(shù)字邏輯電路”“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”“嵌入式計(jì)算系統(tǒng)”中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間能夠很好地銜接，讓學(xué)生在一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從門電路開始來(lái)設(shè)計(jì)基本功能部件， 然后再以功能部件為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)CPU、存儲(chǔ)器和外圍接口，最終將CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口通過(guò)總線互聯(lián)為一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)[2]。

因?yàn)椤坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”（《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》）以Intel x86為模型機(jī)進(jìn)行講解，所以它為“操作系統(tǒng)”（特別是Linux內(nèi)核分析）提供了很好的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。我們計(jì)劃引入國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，這樣學(xué)生會(huì)對(duì)操作系統(tǒng)和基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)有更深入的理解。作為一所應(yīng)用型高校，考慮學(xué)生實(shí)際情況和培養(yǎng)目標(biāo)，我們沒有設(shè)置“自動(dòng)機(jī)理論”“編譯原理”等課程。

（3）以課程群為建設(shè)單位，建設(shè)重點(diǎn)課程、大課程，逐步減少關(guān)聯(lián)性少的課程在二年級(jí)、三年級(jí)一學(xué)期的數(shù)量，將這些課程移入高年級(jí)的選修課程組中，最終達(dá)到專業(yè)基礎(chǔ)課程群集中、強(qiáng)關(guān)聯(lián)，專業(yè)課程組方向與技術(shù)發(fā)展緊密聯(lián)系的目標(biāo)。課程設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

4 結(jié)論（Conclusion）

系統(tǒng)能力是近年計(jì)算機(jī)教育有深度的總結(jié)性認(rèn)識(shí)，各個(gè)高校都提出了一些探索性的方案，只有全面認(rèn)識(shí)已經(jīng)在實(shí)踐的學(xué)校方案（最好去參加培訓(xùn)），多比較他們的方案。我們同時(shí)也要認(rèn)清本校的定位和實(shí)際師資、學(xué)生和課程建設(shè)現(xiàn)狀，經(jīng)常思考怎樣落地，以及實(shí)現(xiàn)的步驟，長(zhǎng)期堅(jiān)持，才有可能得到實(shí)際的效果。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] CCF計(jì)算機(jī)教育專業(yè)委員會(huì).計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)

和系統(tǒng)課程設(shè)置的研究與進(jìn)展[R].2012中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技

術(shù)發(fā)展報(bào)告，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，（B）：122-150.

[2] 袁春風(fēng)，王帥.系統(tǒng)能力培養(yǎng)初探[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，

2013，9（9）：48-55.

[3] MIT. Computation structures [EB/OL].Spring 2013.http：//

6004.csail.mit.edu/.

[4] MIT. Computer Systems Engineering [EB/OL].Spring 2014.

http：//web.mit.edu/6.33/www/index.shtml/.

[5] CMU.Introduction to computer systems[EB/OL].Fall 2014.

http：// www.cs.cmu.edu/～213/.

[6] Stanford University. Computer organization and systems[EB/

OL]. Spring 2012. http：//www.stanford.edu/class/cs107/.

[7] The Hardware/Software Interface [EB/OL].https：//www.

coursera.org/course/hwswinterface/.

[8] 南京大學(xué)教學(xué)體系[EB/OL].http：//software.nju.edu.cn/index.

php？option=com_content&view=article&id=146&Itemid=4/.

[9] 北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案（2014版）

[EB/OL].http：//scse.buaa.edu.cn/buaa-css-web/articleDetail.

action？firstSelId=6e011b46-2c70-4f68-a633-ec51f42b4718

&secondSelId=NOTICE_PUBLICITY&articleId=2b011735-

57a8-44b3-ba05-5a3bc21fa308&type=NEWS&language=0/.

[10] 陳文智，陳越，莊約挺.面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革探

索[J].計(jì)算機(jī)教育，2013，20：70-76.

作者簡(jiǎn)介：

羅先錄（1973-），男，碩士，副教授，系統(tǒng)分析師.研究領(lǐng)域：

軟件工程與網(wǎng)絡(luò)安全.

譚德立（1964-），男，碩士，副研究員.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)體系

結(jié)構(gòu)與FPGA應(yīng)用.

張永棠（1980-），男，碩士，副教授，系統(tǒng)分析師.研究領(lǐng)域：

光通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用.

陳桂宏（1983-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng).