面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)實踐教學(xué)模式

譚志虎?秦磊華?胡迪青

摘 要：計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)是目前國內(nèi)外計算機教育的新動向。系統(tǒng)能力的培養(yǎng)依賴于計算機專業(yè)理論與實踐教學(xué)的有效聯(lián)動，傳統(tǒng)計算機實踐教學(xué)體系存在實驗?zāi)繕穗x散、實驗內(nèi)容割裂、實驗規(guī)模不夠、實驗平臺分離的問題，結(jié)合系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系統(tǒng)觀、構(gòu)造觀、工程觀等特征，以設(shè)計與實現(xiàn)完整的計算機軟硬件系統(tǒng)為頂層目標，重構(gòu)了面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的一體化實踐教學(xué)模式，并給出了相應(yīng)實踐教學(xué)組織保障體系。

關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)能力；實踐教學(xué)；系統(tǒng)觀；構(gòu)造觀；工程觀

2013年以來，計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)已經(jīng)成為國內(nèi)外計算機教育的新動向，教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會（以下簡稱“教指委”）非常重視并開展了大量系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究與推廣工作，國內(nèi)一大批高校加入“教指委”主導(dǎo)的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究項目，圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)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(xué)計算機學(xué)院從2012年開始推行計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，并對面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)模式進行了探索。

一、計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本特征

2008年，國內(nèi)學(xué)者提出了包含計算機系統(tǒng)認知、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用等能力點的計算機系統(tǒng)能力概念，并設(shè)計了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)核心課程體系[1]。2011年又對計算機系統(tǒng)能力進行了細化，分別將系統(tǒng)認知能力、系統(tǒng)設(shè)計能力、系統(tǒng)開發(fā)能力及系統(tǒng)應(yīng)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(fā)布的CC2001中原有的14個知識域進行了適度調(diào)整，增加了系統(tǒng)基礎(chǔ)、并行和分布式計算、基于平臺的開發(fā)、信息保障和安全等四個新領(lǐng)域，同時強調(diào)系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力培養(yǎng)。綜合分析CS2013和近幾年國內(nèi)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系列研究成果[3-5]，可以發(fā)現(xiàn)計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)具有如下幾個基本特征。

（1）系統(tǒng)觀。系統(tǒng)觀是系統(tǒng)認知、系統(tǒng)設(shè)

計、系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用能力的共性體現(xiàn)。強調(diào)學(xué)生對計算機系統(tǒng)的深刻理解[6]，掌握計算系統(tǒng)軟/硬件部分各抽象層的關(guān)聯(lián)、相互制約與相互促進關(guān)系；了解計算機底層硬件結(jié)構(gòu)（包括并行結(jié)構(gòu)）、指令集設(shè)計等對程序執(zhí)行性能的影響，具有“性能編程”的思維和系統(tǒng)層次視野。

（2）構(gòu)造觀。構(gòu)造觀是系統(tǒng)設(shè)計能力的具體體現(xiàn)。強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生從計算機軟/硬件功能部件到計算機系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計能力，包括硬件功能部件（含芯片、外部設(shè)備等）、智能系統(tǒng)硬件（含計算機硬件、傳感器硬件等）、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計能力；強調(diào)自主知識產(chǎn)權(quán)，強調(diào)軟/硬協(xié)同。

（3）工程觀。工程觀是系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用能力的具體體現(xiàn)。強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生軟/硬協(xié)同視角下的計算機系統(tǒng)開發(fā)和實現(xiàn)能力，訓(xùn)練學(xué)生考慮工程制約因素、選擇恰當(dāng)技術(shù)和工具進行工程優(yōu)化的意識。強調(diào)大工程觀[7]，關(guān)注工程實施過程中科學(xué)要素、技術(shù)要素及非技術(shù)要素的協(xié)調(diào)與融合。

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

二、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的不足

通過前文對計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)三個基本特征的分析不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能力培養(yǎng)需要通過大量的系統(tǒng)級復(fù)雜工程訓(xùn)練才能達到。然而，目前計算機類專業(yè)實踐教學(xué)模式在諸多方面還存在一些不利于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的因素，概括起來主要有如下不足。

（1）實驗?zāi)繕穗x散。實驗?zāi)繕藝@課程教學(xué)目標制訂，缺乏系統(tǒng)級頂層設(shè)計和統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致專業(yè)核心課程間的關(guān)聯(lián)與融合不夠、系統(tǒng)性不強，難以給學(xué)生提供系統(tǒng)級思維與實踐的訓(xùn)練，不利于學(xué)生建立系統(tǒng)觀。

（2）實驗內(nèi)容割裂。原有實踐體系中課程實驗內(nèi)容設(shè)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(guī)模更大的系統(tǒng)，學(xué)生在校期間缺少完整計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的實踐經(jīng)歷，無法達成復(fù)雜計算機系統(tǒng)構(gòu)造觀的訓(xùn)練。

（3）實驗規(guī)模不夠。只有達到足夠規(guī)模，一個系統(tǒng)所具有的共性特征、開發(fā)難點等才能較好顯現(xiàn)，學(xué)生才能真正學(xué)習(xí)并掌握系統(tǒng)構(gòu)造方法，進一步領(lǐng)會系統(tǒng)構(gòu)造的核心原則（如設(shè)計權(quán)衡）[8]。原有實踐體系目標離散、內(nèi)容無序割裂、各課程實驗規(guī)模偏小，工程訓(xùn)練強度不足，很難養(yǎng)成系統(tǒng)級開發(fā)能力中必需的工程觀素養(yǎng)。

（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(shù)計算機院系分別配置有數(shù)字邏輯、組成原理、接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)級訓(xùn)練。

三、系統(tǒng)能力培養(yǎng)實踐教學(xué)一體化設(shè)計

系統(tǒng)能力的內(nèi)涵揭示出系統(tǒng)能力培養(yǎng)只有通過大量的實踐環(huán)節(jié)才能達成。面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐既強調(diào)原創(chuàng)性自主設(shè)計或集成性創(chuàng)新，又強調(diào)實踐應(yīng)具有一定的規(guī)模性和復(fù)雜度[7]。

原有實踐體系中課程實驗?zāi)繕硕ㄎ?、?nèi)容設(shè)計及實驗平臺配備等均按課程進行，缺乏一體化設(shè)計，加之原有課程結(jié)構(gòu)不完整，多門課程的實驗不能融合集成為完整計算機系統(tǒng)，學(xué)生在校期間缺少完整計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的實踐經(jīng)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(tǒng)能力培養(yǎng)側(cè)重點進行實踐教學(xué)體系的頂層重構(gòu)。

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

（2）實驗內(nèi)容一體化。根據(jù)計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)所需知識與能力體系，將設(shè)計實現(xiàn)完整計算機系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)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(tǒng)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(xù)融合，并最終構(gòu)成完整計算機系統(tǒng)。學(xué)生在上述各功能模塊的設(shè)計與集成并最終構(gòu)成完整計算機系統(tǒng)的實踐中逐步提升其計算機系統(tǒng)的分析設(shè)計能力與開發(fā)能力。

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

（3）實驗?zāi)繕艘惑w化。為配合實驗內(nèi)容一體化，需明確每門課程實驗環(huán)節(jié)服務(wù)于本課程教學(xué)的局部目標和服務(wù)于完整計算機系統(tǒng)設(shè)計的全局目標，全局目標是實驗?zāi)繕艘惑w化的具體體現(xiàn)。幫助學(xué)生體會先導(dǎo)課程與后續(xù)課程間的關(guān)聯(lián)，把握課程實驗的局部與整體關(guān)系，提高學(xué)生對課程實踐環(huán)節(jié)的重視，調(diào)動學(xué)生主動實踐的積極性，提升實踐教學(xué)和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的有效度。表2給出了華中科技大學(xué)計算機學(xué)院面向系統(tǒng)設(shè)計的實驗?zāi)繕艘惑w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(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，將系列核心課程的實驗平臺統(tǒng)一到統(tǒng)一的FPGA平臺上進行，為系統(tǒng)級實驗的實施提供平臺支撐。FPGA技術(shù)及EDA軟件的普及為平臺一體化提供了良好的技術(shù)支持，小巧輕便的FPGA開發(fā)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(nèi)容割裂對系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)能力培養(yǎng)的諸多制約；將實現(xiàn)完整計算機系統(tǒng)的任務(wù)劃分成若干個在FPGA開發(fā)板上可運行、可集成的子模塊，如CPU、接口、操作系統(tǒng)、編譯器等子模塊，將它們映射成不同課程的實驗內(nèi)容，并據(jù)此確定課程實驗的目標，實現(xiàn)內(nèi)容一體化和目標一體化，在學(xué)生中營造出“ 配置一塊開發(fā)板，造出一臺計算機”的良好氛圍。有效解決課程實驗?zāi)繕穗x散、實驗內(nèi)容無序割裂不能融合構(gòu)成完整計算機系統(tǒng)的問題。

一體化實踐體系創(chuàng)新了實踐教學(xué)模式，有效突破了實驗平臺與時間對開展系統(tǒng)能力培養(yǎng)綜合實踐的制約，實現(xiàn)了課內(nèi)、課外相結(jié)合，跨課程、跨學(xué)期的大型綜合實踐項目得以分步實施，為學(xué)生的自主實驗、個性化學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境。

四、系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)組織

（1）實踐教學(xué)“小班化”。為幫助學(xué)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(xué)生提供及時、有針對性的實驗指導(dǎo)。為此，我們對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實驗環(huán)節(jié)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(xiàn)場實驗指導(dǎo)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(dǎo)的實驗且成績優(yōu)秀者，以便為學(xué)生提供最及時而優(yōu)秀的實踐指導(dǎo)。

（2）過程管理“精細化”。系統(tǒng)能力培養(yǎng)實踐教學(xué)總目標具有較高挑戰(zhàn)性，要保證最終的完成率，盡可能地讓大部分同學(xué)參與系統(tǒng)能力培養(yǎng)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(xùn)類課程需要有嚴而不死的課堂考勤制度保障學(xué)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(wù)（類似游戲關(guān)卡），難度逐漸遞進，以增強學(xué)習(xí)的及時反饋，提升學(xué)習(xí)興趣；努力為學(xué)生提供豐富的測試用例及自動檢測工具（游戲裝備），提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率；通過云平臺及時匯總公示學(xué)生學(xué)習(xí)進度（游戲龍虎榜），促進形成良性競爭的學(xué)習(xí)氛圍；線上線下師生經(jīng)常性互動，收集整理各種常見問題（游戲通關(guān)秘籍）；嘗試團隊合作以及天梯對抗機制讓學(xué)生們一起愉快地進行合作學(xué)習(xí)（戰(zhàn)隊游戲）。

（3）實踐考評“工程化”。為基于內(nèi)容一體化集成不同課程的實驗結(jié)果構(gòu)成一臺完整計算機，需對每門課程的實驗結(jié)果按照一定的工程標準進行評估驗收?？剂康闹笜税ǎ汗δ芡瓿啥?、系統(tǒng)性能、代碼質(zhì)量、文檔質(zhì)量、創(chuàng)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(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程能力不斷提升，這也為系統(tǒng)能力培養(yǎng)綜合訓(xùn)練的順利完成提供了保障。

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

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[責(zé)任編輯：余大品]