面向計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索

寧曉菊，翟社平，楊銳，邢高峰

摘要：計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生要求更多地關(guān)注計(jì)算系統(tǒng)的整體特性，培養(yǎng)自身計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。本文分析了系統(tǒng)能力的內(nèi)涵，并且從現(xiàn)狀入手，從系統(tǒng)觀角度出發(fā)，根據(jù)當(dāng)前計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面存在的問題，探索和研究計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，建立以計(jì)算機(jī)組成原理為核心的硬件課程群。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)專業(yè)；系統(tǒng)能力；計(jì)算機(jī)組成原理

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）44-0257-03

一、引言

系統(tǒng)能力的關(guān)鍵內(nèi)容是要在掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)基本原理的基礎(chǔ)上熟悉如何進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)[1]。對(duì)于大多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生來說，硬件水平不如電子工程專業(yè)的本科生，軟件的開發(fā)及應(yīng)用能力不如相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，算法設(shè)計(jì)及分析基礎(chǔ)又不如數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，那么，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的特長(zhǎng)在什么地方呢？會(huì)編程決不是我們的特長(zhǎng)，我們的特長(zhǎng)是“具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力”，即“系統(tǒng)思維”。因此，計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)更加注重對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系與內(nèi)容建設(shè)要與時(shí)俱進(jìn)，不斷翻新、推陳出新，同時(shí)相應(yīng)地還要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的能力。而計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程[2]，在課程體系中占有非常重要的位置，起到承上啟下的作用。教師以程序設(shè)計(jì)語言及數(shù)字邏輯電路作為先導(dǎo)課程[3]，重點(diǎn)解析計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成、運(yùn)行原理和協(xié)同工作機(jī)制，分析計(jì)算機(jī)組成對(duì)系統(tǒng)性能的影響，闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的概念[4]，為學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程提供扎實(shí)基礎(chǔ)。該課程對(duì)學(xué)生全面理解計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、理解軟硬件之間的關(guān)系、構(gòu)建計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念、培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)及開發(fā)能力都起到十分重要的作用。

二、增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)

2013年—2017年教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的教學(xué)指導(dǎo)計(jì)劃中指出，計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)該培養(yǎng)的四大基本能力是計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力和系統(tǒng)能力。計(jì)算機(jī)組成原理課程應(yīng)從全局和系統(tǒng)的角度介紹進(jìn)行計(jì)算機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)所必須了解與掌握的專業(yè)知識(shí)，為培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這四方面就構(gòu)成了系統(tǒng)能力。四大基本能力及能力點(diǎn)分配見表1，每種基本能力都有相應(yīng)能力點(diǎn)的分配，其中系統(tǒng)能力占到75%[5]。

目前加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生最重要的任務(wù)。而計(jì)算機(jī)組成原理則是計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列課程中的最核心課程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中起到了承上啟下的作用，主要介紹構(gòu)成計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件、計(jì)算機(jī)的組成及工作原理，其重要任務(wù)就是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開發(fā)能力，它也是編寫高質(zhì)量程序代碼的專業(yè)基礎(chǔ)課。一般都把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和編譯原理這4門課程作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)最基本的核心課程。有了計(jì)算機(jī)組成原理核心課程的基礎(chǔ)，學(xué)生就更容易從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的角度理解操作系統(tǒng)、編譯原理等后續(xù)課程[6]。這樣，學(xué)生才能更容易的形成完整計(jì)算機(jī)“系統(tǒng)觀”的概念。

三、系統(tǒng)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀及問題

目前國(guó)內(nèi)一些有名高等院校，如南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等，正在不同程度上積極進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐。北京航空航天大學(xué)高小鵬老師認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的“系統(tǒng)能力”是要有能力設(shè)計(jì)一個(gè)包括微處理器、操作系統(tǒng)和編譯器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且提出了由學(xué)生自主設(shè)計(jì)“一個(gè)微處理器、一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)編譯器”的目標(biāo)，從而完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)；確定了“三工”準(zhǔn)則為教學(xué)定位，即工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工程規(guī)模和工程方法。北航將數(shù)字電路、匯編語言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理與微型計(jì)算機(jī)原理合并為一門學(xué)科基礎(chǔ)大課，主要是在UC-Berkeley（加州大學(xué)伯克力分校）EECS系的課程Great Ideas in ComputerArchitecture（Machine Structures）（CS61C）基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的裁剪。南京大學(xué)袁春風(fēng)老師編寫了為加強(qiáng)學(xué)生“系統(tǒng)觀”的計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》[5]，并且所授課程已在Coursera平臺(tái)上線。課程從程序員視角出發(fā)，重點(diǎn)介紹如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)編寫更有效的程序，以高級(jí)語言程序開發(fā)和運(yùn)行過程作為一條主線，將該過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)所涉及到的硬件和軟件的概念關(guān)聯(lián)起來，使得學(xué)生可以初步理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每一個(gè)抽象層和它們之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院近些年來圍繞著“面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)”這一課程建設(shè)核心，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐過程為手段，以深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能程序設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以數(shù)字電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)編譯技術(shù)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等課程為主線，以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力為統(tǒng)一視圖，建立了層次化、循序漸進(jìn)、開放式課程群的課程體系和實(shí)驗(yàn)體系。

我校西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院也緊跟國(guó)內(nèi)知名大學(xué)的步伐，進(jìn)行了學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索。然而在教學(xué)中還存在如下問題。

1.目前學(xué)生所學(xué)的相關(guān)課程，如數(shù)字電路、匯編語言程序設(shè)計(jì)、組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理這幾門課程仍然獨(dú)立規(guī)劃和獨(dú)立教學(xué)，并沒將培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力作為共同的教學(xué)目標(biāo)，從而導(dǎo)致了知識(shí)點(diǎn)在各門課程中重復(fù)講述以及前后銜接關(guān)系的脫節(jié)。每門課程都太注重各自知識(shí)體系的完備性，尤其是在系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相對(duì)欠缺，主要停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上，使得學(xué)生很難形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀。

2.目前計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生普遍以為專業(yè)學(xué)習(xí)就是學(xué)習(xí)編程，出現(xiàn)了一種“欺軟怕硬”的現(xiàn)象，大多精力都用來學(xué)習(xí)Java、C/C + +、數(shù)據(jù)庫(kù)以及前端開發(fā)等軟件知識(shí)，卻忽視了硬件視角下編譯優(yōu)化的基本技術(shù)，不明白從硬件角度出發(fā)編制高效程序的原理，因此利用硬件知識(shí)進(jìn)行程序調(diào)試的能力很弱。endprint

3.大部分學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)編程就是把時(shí)間和精力放在程序的語法和功能邏輯部分，而忽略了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)抽象層之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的理解。

四、改革與探索

針對(duì)上述問題，我們計(jì)算機(jī)學(xué)院關(guān)注計(jì)科專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，首先就是提升該專業(yè)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)知能力。為此要改變以往各門課程的獨(dú)立規(guī)劃、獨(dú)立教學(xué)，以及知識(shí)體系中知識(shí)點(diǎn)冗余和銜接關(guān)系脫節(jié)的現(xiàn)象，采用軟硬件課程貫通整體設(shè)計(jì)，構(gòu)建面向系統(tǒng)能力的課程體系。以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為目標(biāo)，明確計(jì)科專業(yè)課程體系的基本教學(xué)目標(biāo)：建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)抽象層次之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。深刻理解操作系統(tǒng)和硬件之間的分工及銜接關(guān)系，理解從硬件角度出發(fā)進(jìn)行編譯優(yōu)化的基本技術(shù)。通過將教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)一編排，明確課程體系中各門課程的定位和設(shè)置以及各門課程教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和之間的銜接，建設(shè)一體化課程體系，從而為學(xué)生構(gòu)建完整的面向系統(tǒng)的知識(shí)體系和知識(shí)結(jié)構(gòu)。面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的硬件課程群以數(shù)字電路課程為基礎(chǔ)前導(dǎo)，重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)數(shù)字電路原理與設(shè)計(jì)技術(shù)并為后續(xù)課程提供基本數(shù)字系統(tǒng)器件，如核心選擇器、譯碼器、加法器、寄存器組和狀態(tài)機(jī)模塊等；以計(jì)算機(jī)組成原理為群內(nèi)核心，重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)技術(shù)，如RISC指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路、單周期和多周期控制器、總線架構(gòu)等處理器集成和應(yīng)用技術(shù)，為后續(xù)課程提供可用的多周期微處理器；以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為深入提高，重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的相關(guān)優(yōu)化技術(shù)，如存儲(chǔ)層次優(yōu)化、流水線處理器等，并為后續(xù)課程提供流水線微處理器。核心課程群統(tǒng)一考慮3門課的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成三位一體、循序漸進(jìn)、緊密結(jié)合的層次關(guān)聯(lián)。在核心課程群的基礎(chǔ)上，引入微機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等課程，建立起硬件范疇的擴(kuò)展課程群，深化硬件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)過程中，實(shí)踐占了很大比重，是學(xué)生應(yīng)用學(xué)過的原理性知識(shí)，解決實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的一個(gè)過程，更是深入理解教學(xué)內(nèi)容的非常重要的手段。計(jì)科的專業(yè)課都有自己的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，大多采用孤立的傳統(tǒng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)方法。面向系統(tǒng)能力的培養(yǎng)要求，需要將軟硬件貫通進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，所以需要研究以實(shí)現(xiàn)模型機(jī)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)體系。為此需要確認(rèn)各課程的階段子目標(biāo)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，完成模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，再通過綜合實(shí)驗(yàn)來最終集成，形成一個(gè)基本完整的模型機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)各課程間實(shí)驗(yàn)的有機(jī)銜接。需要貫穿這樣一條主線：作為底層，“數(shù)字電路邏輯”實(shí)驗(yàn)圍繞著構(gòu)建微處理器內(nèi)部所需的各種功能部件來展開；“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)則是利用數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)所開發(fā)的功能部件作為基礎(chǔ)，以構(gòu)造能支持操作系統(tǒng)運(yùn)行的MIPS微處理器為主線展開；進(jìn)一步擴(kuò)展到微機(jī)原理接口實(shí)驗(yàn)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。微機(jī)原理接口實(shí)驗(yàn)主要完成匯編、微處理器與存儲(chǔ)器、輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)，為后續(xù)課程提供存儲(chǔ)器、鍵盤、鼠標(biāo)、串口、顯示器等構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本外圍部件；嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要完成面向特殊領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。通過研究明確各個(gè)設(shè)計(jì)模塊之間的輸入輸出關(guān)系，從底層逐步向高層過渡，最終使學(xué)生全面建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。而實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，各模塊之間有機(jī)聯(lián)系、輸入輸出關(guān)系對(duì)應(yīng)，需要研究選擇合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在進(jìn)一步教改開展的過程中根據(jù)計(jì)科專業(yè)實(shí)際情況對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展。最后在此基礎(chǔ)上開展模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。模型機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該在兩個(gè)層次展開，首先在學(xué)生完成數(shù)字邏輯電路、Verilog語言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理相關(guān)課程學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生綜合利用各課程所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)和完成一個(gè)有一定規(guī)模指令集的RISC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其次，進(jìn)一步結(jié)合操作系統(tǒng)和編譯原理以及匯編語言程序設(shè)計(jì)中的知識(shí)，積極探索軟硬件結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，不僅要從功能部件本身考慮，還要從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，比如理解在開發(fā)過程中編譯器的選擇、指令集的選擇、硬件中器件的設(shè)計(jì)等，培養(yǎng)學(xué)生能夠進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)系統(tǒng)的能力。

我們?cè)诿嫦蛳到y(tǒng)能力培養(yǎng)的前提下，結(jié)合計(jì)科專業(yè)培養(yǎng)特色，從工程教育的角度，將原理性與工程性結(jié)合，研究在新的模式下的全新教學(xué)方法。具體研究：（1）如何將原理內(nèi)容與工程性有效結(jié)合，讓學(xué)生能夠?qū)⒄n堂所學(xué)在實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中學(xué)以致用。（2）能讓大多數(shù)學(xué)生按照培養(yǎng)要求，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的模型機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)教學(xué)難題，為此需要研究合理的階梯式實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法，讓多數(shù)人能夠達(dá)到要求。（3）統(tǒng)一架構(gòu)下各課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)縱向貫通教學(xué)的操作方法，探討開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的開展時(shí)間、組織方式、學(xué)生參與方法、研究生助教指導(dǎo)方式等，以更好地開展人才培養(yǎng)。同時(shí)面對(duì)全新的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，需要研究多種激勵(lì)機(jī)制，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。此外，還需要研究新的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前組成原理、體系結(jié)構(gòu)等課程實(shí)驗(yàn)課成績(jī)?cè)诳傇u(píng)成績(jī)中所占比重過小。結(jié)合系統(tǒng)能力的培養(yǎng)重點(diǎn)，既要在理論課程中加強(qiáng)面向系統(tǒng)能力的核心知識(shí)的考核，又要加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的考核力度。為此分級(jí)考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：可以考慮將實(shí)驗(yàn)分成多個(gè)Project，明確做到什么層次可以獲得良，什么層次可以申優(yōu)。為了防止學(xué)生之間相互抄襲，可以考慮驗(yàn)收時(shí)每組學(xué)生用不同測(cè)試?yán)?，教師現(xiàn)場(chǎng)提問，或者增加指令限時(shí)開發(fā)。同時(shí)結(jié)合日常實(shí)驗(yàn)行為的收集，通過行為分析，修改輔助決策，最終形成一套行之有效的考核標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)束語

基于以計(jì)算機(jī)組成原理課程為核心的課程群在系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系中的重要地位，我們計(jì)算機(jī)學(xué)院先對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程進(jìn)行改革，以逐漸培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。如何使計(jì)算機(jī)組成原理課程從單純的硬件講授，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴岣呦到y(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及提高應(yīng)用能力為導(dǎo)向的新教學(xué)形式，是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生“系統(tǒng)能力”培養(yǎng)的重點(diǎn)。西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院目前試點(diǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程進(jìn)行改革和建設(shè)，采用新的教學(xué)體系、方法和模式，目的是使學(xué)生在理解計(jì)算機(jī)原理的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)層面思考，夯實(shí)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)。但學(xué)生的系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不能僅僅依靠一門課程的改革，它涉及到了數(shù)字邏輯、程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等多門課程，面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要我們教育工作者不斷學(xué)習(xí)、研究、探索和實(shí)踐。

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