面向大數(shù)據(jù)時代的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革與實(shí)踐

陸 楓1, 2, 3, 4

（1.華中科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 服務(wù)計算技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學(xué) 集群與網(wǎng)格計算湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4.華中科技大學(xué) 大數(shù)據(jù)技術(shù)與系統(tǒng)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

面向大數(shù)據(jù)時代的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革與實(shí)踐

陸 楓1, 2, 3, 4

（1.華中科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 服務(wù)計算技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學(xué) 集群與網(wǎng)格計算湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4.華中科技大學(xué) 大數(shù)據(jù)技術(shù)與系統(tǒng)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

針對大數(shù)據(jù)時代計算機(jī)本科專業(yè)人才培養(yǎng)出現(xiàn)的新問題，分析目前國內(nèi)外計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革現(xiàn)狀和趨勢，闡述將培養(yǎng)并行計算能力作為基本培養(yǎng)目標(biāo)之一，從新增和沉淀的角度改革和整合課程內(nèi)容，以抽象和總結(jié)的方法形成層層遞進(jìn)的課程知識體系，提出面向大數(shù)據(jù)時代計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系改革方案。

計算機(jī)本科教學(xué)改革；大數(shù)據(jù)時代；計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)；并行計算能力培養(yǎng)

1 時代發(fā)展對計算機(jī)人才培養(yǎng)提出挑戰(zhàn)

眾所周知，自2012年3月22日奧巴馬宣布美國政府投資2億美元啟動“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃”以來，大數(shù)據(jù)中隱含的巨大商業(yè)價值和商機(jī)正在從社會、經(jīng)濟(jì)、科研等多方面影響著時代的發(fā)展。在計算機(jī)專業(yè)教育領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)時代的到來也正在悄然引起變革。已有的串行機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)分析算法都需要根據(jù)不同的大數(shù)據(jù)并行處理平臺以并行化方式重寫。從社會和企業(yè)需求看，超過傳統(tǒng)馮·諾依曼串行計算的學(xué)科知識需要計算機(jī)專業(yè)教育工作者們?nèi)徱曀伎迹紤]如何將這些知識融入大學(xué)本科的課程體系中，培養(yǎng)能夠面對大數(shù)據(jù)時代需要的人才。

2 國內(nèi)外已做出的改革嘗試

2.1 計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)國內(nèi)外現(xiàn)狀

以美國計算機(jī)四大名校為例，自1998年起，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）開始改革計算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程，整合計算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和編譯原理等多門課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，目前該課程已在全球200多所學(xué)校得到推廣。斯坦福大學(xué)在2008年實(shí)施的改革中將計算機(jī)系統(tǒng)課程（CS110）列入了6門專業(yè)核心課程[1]。麻省理工大學(xué)（MIT）在計算機(jī)科學(xué)（CS）和電子工程（EE）學(xué)士學(xué)位中將該課程（6.033）列為三門CS的專業(yè)限選課之一。被IEEE Spectrum評為“美國計算機(jī)界的卓越泰斗”的Yale N. Patt在美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開設(shè)了計算機(jī)系統(tǒng)課程。

國內(nèi)，清華大學(xué)將數(shù)字電路邏輯設(shè)計、匯編語言程序設(shè)計、計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程依據(jù)統(tǒng)一的系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)理念整合起來，采用縱向視角的教學(xué)內(nèi)容組織與方法，基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力[2]。北京大學(xué)引入CMU的15-213課程，采用大班講授、小班研討的方式整合教育資源[1]。南京大學(xué)袁春風(fēng)教授于2009年開始建設(shè)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程群，進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革嘗試[3]，南京大學(xué)包含計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)在內(nèi)的“以問題求解為核心的計算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程體系的重構(gòu)與實(shí)踐”獲得2014年度國家級教學(xué)成果二等獎。北京航空航天大學(xué)以建設(shè)大課重課改革思路推進(jìn)的“計算機(jī)系統(tǒng)核心課程群及其實(shí)驗(yàn)體系的研究與實(shí)踐”獲得了2014年度國家級教學(xué)成果二等獎[4]。浙江大學(xué)通過建立層次化、循序漸進(jìn)、開放式課程群的課程體系，貫通軟硬件知識培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力[5]。國防科大以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為主線，壓縮學(xué)時、打破課程界限，大幅度提高實(shí)踐比例，培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)造性的后備人才。中國科技大學(xué)將計算機(jī)系統(tǒng)課程作為入門課程，讓學(xué)生從零開始全面認(rèn)識計算機(jī)系統(tǒng)，逐步建立起對計算機(jī)軟件與硬件的認(rèn)識。中科大和浙大還分別邀請Yale做客暑期學(xué)校講授計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程。上海交通大學(xué)軟件學(xué)院根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時代的特征，學(xué)習(xí)四大名校的基礎(chǔ)上，在二年級上下兩學(xué)期培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力，總共占9個學(xué)分。

2.2 并行計算課程改革現(xiàn)狀

目前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入面向并行計算的轉(zhuǎn)折期。美國計算機(jī)協(xié)會ACM和國際電子電氣工程師協(xié)會計算機(jī)學(xué)會IEEE-CS（ACM/IEEECS）發(fā)起制定每10年及時更新計算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置指南之CS2013[6]，首次將并行與分布式計算類課程的等級由原來的選修課程提升為核心基礎(chǔ)課程，且推薦的核心學(xué)時數(shù)與傳統(tǒng)的核心基礎(chǔ)課程操作系統(tǒng)相當(dāng)。

國內(nèi)外知名大學(xué)已面向高年級本科生開設(shè)相關(guān)課程。比如，康奈爾大學(xué)圍繞并行與分布式計算開設(shè)了5門系列課程：分布式計算導(dǎo)論（CS 4412）、并行計算機(jī)的應(yīng)用（CS 5220）、云計算（CS 5412）、分布式計算原理（CS 5414）、并行與分布式計算（CS 5460）。哥倫比亞大學(xué)開設(shè)并行編程（COMS W4130）、并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（CSEE E6824）。萊斯大學(xué)開設(shè)并行編程原理（COMP 322）、分布式程序結(jié)構(gòu)（COMP 413）、分布式計算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論（COMP 420）、并行計算導(dǎo)論（COMP 422）。中科大面向本科生開設(shè)并行計算、并行程序設(shè)計和高性能處理器體系結(jié)構(gòu)等。浙江大學(xué)開設(shè)多核計算、網(wǎng)格計算和分布式系統(tǒng)、并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和編程等。北京大學(xué)開設(shè)多核編程等。

上述在高年級本科生或研究生層次上開設(shè)課程的方式從某種程度上解決了問題。然而，在基礎(chǔ)課程體系設(shè)置中未將并行計算系統(tǒng)和思維的培養(yǎng)納入考慮。在當(dāng)前計算環(huán)境的整體發(fā)展趨勢下，計算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)同時涵蓋串行與并行計算機(jī)系統(tǒng)。需要重新審視和沉淀計算機(jī)學(xué)科知識，規(guī)劃和重建課程體系，從根本上解決計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問題。這一觀點(diǎn)，在CS2013[6]中有體現(xiàn)。比如，CS2013建議分別從系統(tǒng)和軟件開發(fā)兩個層面，歸納和沉淀計算機(jī)學(xué)科的專業(yè)核心知識，強(qiáng)調(diào)計算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

3 依據(jù)的教育學(xué)理論基礎(chǔ)

多年來，高等工程教育已初步形成“以需求為導(dǎo)向，以實(shí)訓(xùn)為動力，以學(xué)生為中心，務(wù)課程之重構(gòu)”的一體化的教育模式[7]，進(jìn)行工程教育改革，需要在發(fā)展需求和問題的引導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的引領(lǐng)作用，研究理論與實(shí)踐的關(guān)系，總結(jié)認(rèn)知規(guī)律，最終落實(shí)到課程的重構(gòu)上，培養(yǎng)優(yōu)秀人才[78]。

首先，將計算機(jī)系統(tǒng)能力作為目前的專業(yè)基礎(chǔ)能力之一符合高等工程教育的價值取向。高等工程教育的價值歸屬在于工程應(yīng)用性[7]，“以學(xué)生為中心”的工程應(yīng)用性的具體體現(xiàn)就是培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力。計算機(jī)類專業(yè)教指委目前給出的專業(yè)基礎(chǔ)能力在強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維能力的同時，更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問題的能力，明確定義了計算機(jī)本科生應(yīng)具備的工程應(yīng)用能力。

其次，采用抽象和總結(jié)的方法結(jié)合專業(yè)教育和通識教育是高等教育人才培養(yǎng)的可選方法。一般認(rèn)為，大學(xué)教育應(yīng)該更看重追求普遍的真理，也就是通識教育的基本目的。“沒有通識教育，大學(xué)就失去了靈魂”[9]，而對通識教育的理解是“精心設(shè)置的一系列課程，文理兼顧，在加強(qiáng)和提高學(xué)生心智才能的同時，也讓他們熟知人類探尋的知識中重大課題的主導(dǎo)原則”。將專業(yè)訓(xùn)練涉及的相關(guān)知識內(nèi)容通過抽象和總結(jié)，納入到通識教育的基本課程體系中，從問題求解的角度鍛煉學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力，是高等教育人才培養(yǎng)中對于通識教育強(qiáng)調(diào)的一種可選方法。

4 以并行計算為主線的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系改革

對工程教育來說，社會的需求、市場經(jīng)濟(jì)的需求、第二產(chǎn)業(yè)（尤其是制造業(yè)）的需求以及學(xué)生未來發(fā)展的需求，直接決定著工程教育的信念、目標(biāo)、體制、運(yùn)作過程和質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)[7]。改革與建設(shè)以并行計算為主線的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系，將并行與分布式計算能力培養(yǎng)融入現(xiàn)有計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系中，使得培養(yǎng)的學(xué)生能夠真正適應(yīng)現(xiàn)有和未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，是面向大數(shù)據(jù)時代計算需求的必然選擇。

自2011年秋季開始，CMU計算機(jī)系試行新的課程體系，將并行與分布式計算能力培養(yǎng)融合到整個計算機(jī)本科專業(yè)培養(yǎng)計劃中。本科生在一二年級的基礎(chǔ)訓(xùn)練階段，首先通過計算原理（15-110，第一學(xué)期，非本專業(yè)必選）的學(xué)習(xí)，建立對計算最基本的認(rèn)識。其次，通過命令式計算原理（15-122，第一學(xué)期，必選）和函數(shù)式編程原理（15-150，第二學(xué)期，必選），分別以C語言和ML語言為代表，讓學(xué)生掌握和熟悉如何將問題或數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可計算的解決方法，強(qiáng)調(diào)如何將問題轉(zhuǎn)化為須依次執(zhí)行（串行）或同時執(zhí)行（并行）的計算步驟，進(jìn)而學(xué)習(xí)并行與串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（15-210，第四學(xué)期，必選），重點(diǎn)講授利用并行或串行計算方法解決經(jīng)典計算問題涉及的相關(guān)原理、方法和技術(shù)，并行和串行計算方法的訓(xùn)練涵蓋在問題的解決方式中。最后，在高年級的課程中，通過開設(shè)并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和編程（15-418/618）、云計算（15-319）、分布式計算（15-640/440）、真實(shí)世界中的算法（15-853）等選修課程，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握在面對不同領(lǐng)域、不同體系結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)時問題的并行計算解決方案。

多年來，華中科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院一直在并行與分布式處理學(xué)科方向上注重學(xué)生的培養(yǎng)。自2002年起，陸續(xù)面向碩士生與高年級本科生開設(shè)了并行處理（210.503），網(wǎng)格和云計算（210.805）、分布式系統(tǒng)與中間件（210.527）、多核操作系統(tǒng)（210.550）、并行編程（210.520）、集群和高性能計算（0820041）等多門并行與分布式處理課程。在此基礎(chǔ)上，自2011年起，我院在教育部—英特爾專項(xiàng)基金的資助下，在全國率先建設(shè)針對本科生的并行編程原理與實(shí)踐課程。該課程于2013年12月，經(jīng)ACM/IEEE—CS的CS2013指導(dǎo)委員會篩選，被正式發(fā)布為全球計算機(jī)專業(yè)示范課程。這是我國唯一被列入ACM/ IEEE—CS的示范課程。隨后，在學(xué)習(xí)國內(nèi)外面向計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系的基礎(chǔ)上，開始建設(shè)以并行計算為主線的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系。第一學(xué)期上計算思維課程，建立學(xué)生對計算的最基本認(rèn)識；第三學(xué)期上函數(shù)式編程原理和命令式計算原理，讓學(xué)生掌握如何將問題轉(zhuǎn)化為計算步驟；第四學(xué)期上并行與串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，不僅訓(xùn)練學(xué)生的并行與串行計算思維能力，同時訓(xùn)練并行與串行算法設(shè)計與分析能力；第六學(xué)期上并行編程原理與實(shí)踐，讓學(xué)生熟悉在特定編程環(huán)境下，涉及不同數(shù)據(jù)存儲和多處理器體系結(jié)構(gòu)時問題的求解方法。同時加強(qiáng)訓(xùn)練學(xué)生的程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)能力以及系統(tǒng)能力；進(jìn)而在第七學(xué)期開設(shè)云計算與虛擬計算、大數(shù)據(jù)分析與處理等課程，讓學(xué)生了解面向特定重要領(lǐng)域的關(guān)鍵問題的并行或分布式求解方法。

5 取得的經(jīng)驗(yàn)

面向時代新需求改革和建設(shè)新的課程體系目前已經(jīng)成為計算機(jī)教育界的共識，各高校已經(jīng)開始了不同角度的教學(xué)改革嘗試，取得了良好進(jìn)展。

斯坦福大學(xué)圍繞核心和跑道類課程改革的課程體系已經(jīng)取得良好效果。從社會認(rèn)可度看，2008年9月開始實(shí)施新課程體系，一年內(nèi)新生數(shù)增長了41%，第二年又增長了29%，兩年內(nèi)增長了83%（美國大學(xué)計算機(jī)系學(xué)生人數(shù)通常取決于學(xué)生自由申請的數(shù)量）。

我院在推進(jìn)以并行計算為主線的專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)中也取得了一些成效。在學(xué)生的認(rèn)同方面，并行編程原理與實(shí)踐課程受到熱烈歡迎。開課以來，由于選課人數(shù)超過預(yù)計，曾經(jīng)有兩個學(xué)期在教學(xué)中申請對教室進(jìn)行調(diào)整，安排到可容納更多人數(shù)（150人）的教室授課。學(xué)生們普遍反映通過課程的學(xué)習(xí)，對并行計算和編程有了更為正確和深刻的理解，其中，對并行系統(tǒng)、并行計算和高性能計算等新興知識的認(rèn)識，提升并行程序的性能，學(xué)會使用openMP等并行語言編程等內(nèi)容，讓學(xué)生感覺非常興奮。學(xué)生在并行計算相關(guān)的大學(xué)生國際比賽中取得不錯的成績。2013年3月，在由我院6名學(xué)生組隊(duì)參加的亞洲大學(xué)生超級計算大賽中，我隊(duì)針對BSDE應(yīng)用以60 000倍的性能加速成績獲得了“Best Mic Performance”單項(xiàng)獎勵以及總分第三的成績；同年6月該隊(duì)參加全球大學(xué)生超級計算機(jī)比賽，以8.45TFlops的成績獲得最佳計算性能獎，并打破該項(xiàng)賽事記錄；11月我院本科生參加了全國大學(xué)生RDMA編程比賽，獲得一等獎。2016年參與ASC世界大學(xué)生超級計算機(jī)競賽（ASC16），獲得總冠軍和e Prize計算挑戰(zhàn)獎。

從方法的推廣性方面看。在2013年由教育部計算機(jī)類專業(yè)教指委和機(jī)械工業(yè)出版社華章分社聯(lián)合舉辦的系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列課程研討班上，金海教授介紹了以并行計算為主線的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系改革的思路做法，得到全國各高校教師的積極響應(yīng)。在我院于2013年起連續(xù)兩年舉辦的并行計算系列課程暑期導(dǎo)教班上，我們推行并行計算課程的思路也得到了包括中國人民大學(xué)、中國科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南開大學(xué)等30多所211高校教師的普遍認(rèn)同。

6 結(jié) 語

時代的發(fā)展已經(jīng)對計算機(jī)教育界提出新的希望，全球各高校計算機(jī)院系開始了一系列迎合時代發(fā)展的教育改革嘗試。以并行計算為主線的計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系改革不僅具有教育學(xué)理論基礎(chǔ)，并且已經(jīng)在實(shí)踐中得到證明。當(dāng)然，也仍然存在一些問題，首先是教材的建設(shè)問題，除了與機(jī)械工業(yè)出版社簽訂并行編程原理與實(shí)踐的教材編寫合同外，目前我院與CMU達(dá)成基本意向，共同編寫包括并行與串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、函數(shù)式編程原理等教材；其次是實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)問題，需要高校充分借助科研與企業(yè)的相關(guān)力量，在教學(xué)改革與實(shí)踐中慢慢積累。實(shí)際上，教育改革的根本在于教學(xué)實(shí)踐，特別是需要得到學(xué)生的認(rèn)同。在這些相關(guān)課程資源尚未成熟以前，建議從一類本科院校做起，慢慢擴(kuò)散到更多的學(xué)校中去。

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（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)03-0033-04

G642

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目（2014054）； 2015年產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目（教高司函[2015]51號）。

陸楓，女，副教授，研究方向?yàn)椴⑿刑幚?、移動互?lián)網(wǎng)，lufeng@hust.edu.cn。