計算機科學與技術卓越課程行動計劃實踐

摘要：介紹同濟大學計算機科學與技術卓越課程行動計劃，對計算機科學與技術系已有課程進行凝練和深化，提出“計算機系統級課程”的教學改革方案。通過兩級基礎深化、知識體系構建、實踐能力培養和前沿技術追蹤，將計算思維融入課程中，取得若干教學改革成果。

關鍵詞：卓越課程；計算機系統；計算思維

0 引言

“卓越工程師培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是適應我國工業化發展進程，培養和造就一大批創新能力強、適應我國經濟社會發展需要的工程技術人才的重要舉措，是增強我國核心競爭力、建設創新型國家、走新型工業化道路的必然選擇。同濟大學作為首批實施“卓越計劃”的高校，于2010年啟動“卓越課程行動計劃”，加強課程的內涵建設，推動教學改革以取得突破性進展。

另一方面，計算思維（ComputationalThinking）作為一種教學理念，近年來在計算機基礎教育中受到關注。計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。當今社會已進入信息化時代，具備計算思維，能夠運用計算機技術和手段進行學習和工作、解決專業問題是高級人才必備的素質。計算思維能力是與讀寫能力一樣的人類基本思維方式。

為了配合同濟大學實施“卓越工程師培養計劃”試點方案，提高骨干教師的業務素質和教學水平，同濟大學于2011年開展計算機科學與技術卓越課程行動計劃，將計算思維融入“計算機系統級課程”的教學改革中，取得了良好的教學效果。

1 “計算機系統級課程”教學改革內容

本次課程改革試點的核心內容主要包括3個方面：一是課程授課方式改革；二是訓練（指各種類型的作業、結合課程的創新性實驗項目、綜合性和設計性實驗等）方式改革；三是考試方法改革。

課程授課方式改革要大力推行啟發式、探究式、討論式、參與式、小班制等教學方式。訓練方式改革除了傳授知識外，還要通過設計綜合性作業、結合課程的創新性項目以及其他形式多樣的綜合性訓練，將學生的綜合能力和人格培養落實到具體課程教學中。考試方法改革要消除應試教育產生的不利影響，以學生綜合能力評價和人格養成作為核心，努力實現學生學習成績評價方式的多元化。同時，建立計算機系統級教學團隊，以團隊形式對課程進行設計，積極建設和落實包含課程授課方式、訓練方式、考試方法3大環節改革的具體方案。

“計算機系統級課程”教學改革項目在同濟大學軟件學院和電子與信息工程學院共建的“計算機系統結構”國家級精品課程建設的基礎之上，結合電子與信息工程學院在學科方向上的特色和優勢，采取“兩級基礎深化、知識體系構建、實踐能力培養、前沿技術追蹤”4項措施，建立面向“卓越工程師”培養的計算機系統級課程教學體系。

1）兩級基礎深化。教師通過“計算機與信息安全導論”“計算機導論”和“計算機系統結構”課程，分別從廣度與深度兩個方面對學生進行全面的計算機學科基礎教學。“計算機與信息安全導論”和“計算機導論”旨在幫助初學者認清學科的輪廓，而“計算機系統結構”則為計算機學科高年級本科生提供完整的學科核心知識。

2）知識體系構建。教師以“虛擬化與云計算”“Web編程”和“計算機前沿技術概論”等課程為基礎，建立計算系統和網絡的知識體系框架，為強化計算機科學與技術學科的特色和建立完整的計算機系統學科知識體系規范打下基礎；同時還注重相關課程的交叉，如“計算機系統結構”與“操作系統原理”“編譯原理”在虛擬操作系統、編譯優化等方面的結合，“計算機系統結構”與“虛擬化與云計算”在大規模并行處理系統下的融合等。

3）實踐能力培養。教師通過“計算機系統實驗”課程，將“計算機系統結構”“操作系統原理”與“編譯原理”等課程中關系極為密切的核心內容以綜合實驗形式進行集成，如存儲結構及其管理、目標代碼生成及優化、線程調度等。這樣既有利于消除孤立知識點，又加強了學生的綜合實踐能力訓練，為他們將來從事計算機系統開發工作打下堅實基礎。

4）前沿技術追蹤。教師通過“計算機前沿技術概論”課程追蹤國際計算機系統結構領域中的前沿問題與技術。

筆者提出的面向卓越工程師的計算機系統結構系列課程體系框架如圖1所示。該教改項目的實施將提高計算機系的辦學水平，加強對青年教師的培養力度，同時也有助于本科教學中多出科研成果。

該教改項目從理論與實踐2個方面展開，圍繞計算機系統主題，在課程體系建設上注重基礎、突出重點。特別是在實踐教學方面，除了在相應課程的實驗環節對學生進行訓練外，還將在專門的“計算機系統實驗”課程中進行有關計算機系統硬件和軟件2個方面的完整的集成實驗，通過數據采集和建模分析等手段驗證實驗結果的正確性和有效性。通過發現并解決實驗過程中遇到的各種問題，學生更加深刻地理解并扎實地掌握計算機學科的核心理論，同時提高了從理論到實踐的知識貫通能力和創新能力。

各門課程的教改內容簡述如下。

1）計算機與信息安全導論。作為該教學體系的基礎課程，將突出建設計算機系統知識體系方面的基礎知識。主要教改內容如下：

①選用《Computer Science：An Overview》作為該課程的雙語教材：

②每章核心內容突出計算機系統方面的基礎知識；

③將計算機系統方面的基本知識從傳統計

算機導論內容中自然引出；

④展開雙語教學，并建設精品課程。

2）計算機導論。作為該教學體系的基礎課程，將突出建設計算機系統知識體系方面的基礎知識。主要教改內容如下：

①選用《Computer Science：An Overview》作為該課程的全英文教材；

②每章核心內容突出計算機系統方面的基礎知識；

③加強計算思維方面的教學和實踐，將Python作為入門編程工具培養學生的實踐動手能力；

④展開全英文教學，并建設精品課程。

3）計算機前沿技術概論。作為全校的通識課程，適合各個年級的本科生，側重信息安全前沿，同時帶動整個教學體系前沿知識的探索。主要教改內容如下：

①匯集計算機系統結構課程體系中各個分支領域的前沿思想與技術；

②為“計算機系統實驗”課程提供前沿的實驗內容建議和素材；

③自行編寫課程講義與教材。

4）計算機系統實驗。該教學體系中的實驗課程建立在“計算機系統結構”“操作系統原理”“編譯原理”等課程的基礎之上，是整個教學體系中學生實踐能力培養的核心課程。主要教改內容如下：

①建立計算機系統課程知識體系；

②建立實驗環境，設計豐富多樣的綜合實驗項目和開放性實驗項目；

③編寫實驗指導書。

5）虛擬化與云計算。該教學體系中的專業課程之一，介紹可信與安全系統體系結構的基本概念、基本原理和基本結構。主要教改內容如下：

①建立課程知識體系；

②編寫教材。

6）Web編程。該教學體系中的專業課程之一。主要教改內容如下：

①完善課程知識體系；

②建立實驗環境，設計實驗項目；

③編寫教材和實驗指導書。

2 教改特點

基于“計算機系統級課程”的計算機科學與技術卓越課程行動計劃具有如下特點和創新性。

1）將本系計算機學科優勢、優質課程與“卓越工程師培養計劃”的實施相結合是本系統級課程教改項目的特點之一；

2）開設“計算機系統實驗”課程作為計算機系統級課程教學體系的核心實驗平臺，加強學生的實踐能力培養是本系統級課程教改項目的特點之二；

3）本教改項目結合計算機新教學法，將計算思維教學方式在計算機系統級課程中進行實踐（“計算機系統實驗”和“計算機導論”課程中實施），加強學生的實踐創新能力是本系統級課程教改項目的特點之三；

4）本項目將工業界的最新技術介紹給本科生，為其提供畢業設計選題和到著名企業實習的機會是本系統級課程教改項目的特點之四；

5）本項目將可信與安全計算系列課程作為建設對象，點面結合帶動一批課程、實驗基礎設施和教師隊伍的建設是本系統級課程教改項目的特點之五。

3 教改成果

經過兩個學期的建設，計算機系統級課程的教學改革取得如下成果。

3.1 教改立項方面

1）2012-2013年，教育部-IBM專業綜合改革項目建設課程“虛擬計算與云計算”；

2）2011-2012年，谷歌校企共建實用精品課程項目“Web編程技術”；

3）2011-2013年，同濟大學全英文課程建設項目“計算機導論”：

4）2011-2013年，同濟大學雙語課程建設項目“計算機與信息安全導論”；

5）2011-2012年，同濟大學電子與信息工程學院教學改革研究與建設項目“面向‘卓越工程師’培養的可信與安全計算課程教學體系建設”。

3.2課程建設方面

1）計算機系統結構。

該課程于2011年上半年被批準為同濟大學本科卓越課程（計算機科學與技術專業），同時作為計算機科學與技術系一軟件學院共建國家級精品課程。

2）計算機系統實驗。

計算機系和學院實驗中心已經購買相關的實驗設備并完成實驗室建設；已經開始組織2010級3位碩士研究生完成課程所涉及的5個實驗設計。

3）計算機與信息安全導論。

該課程成功申報同濟大學雙語建設課程，并于2011年9月開始實行雙語授課，同時完成了課程網站的建設。

4）計算機導論。

該課程成功申報同濟大學全英文建設課程，并于2011年9月開始實行雙語授課，同時完成了課程網站的建設。

5）計算機科學前沿技術導論。

該課程于2010年開設，目前已完成課程網站建設和《計算機科學前沿技術》教材的寫作。該教材獲得IBM大學合作項目書籍出版資助和同濟大學“十二五”規劃教材建設項目的資助。

6）Web編程技術。

該課程成功申報谷歌校企共建實用精品課程，并于2011年開設，同時完成了課程網站的建設。

7）虛擬計算與云計算。

該課程成功申報谷歌校企共建實用精品課程，并于2010年開設，同時完成了課程網站的建設。

3.3教材建設方面

1）《計算機科學前沿技術》教材已經編寫完成，于2012年7月正式出版，并被列為同濟大學“十二五”規劃教材。

該教材是一本計算機科學的入門與提高教材，在力求保證學科廣度的同時，還兼顧主題的深度，同時特別強凋計算機科學的前沿性，既介紹計算機學科相關主題的來龍去脈，又引入國內外最新和最熱門的前沿課題。該教材既涉及計算機傳統研究領域，如計算機網絡、操作系統、人工智能等又涉及云計算、物聯網、智慧地球等新興熱門研究領域，重點講解這些最新計算技術在各個學科中的應用，既讓讀者對計算機新興技術有一個宏觀的把握，又通過各種案例分析指導讀者將計算機最新技術應用到相關專業和學科中。

2）同濟大學已與清華大學出版社簽約出版《虛擬化與云計算》教材，目前已完成部分書稿，預計2013年初出版。

4 結語

“卓越工程師培養計劃”給了我們很大啟示，促使我們反思。大學卓越人才的教育，應該超越“學習知識”本身，追求“創造知識”能力的培養。計算機科學與技術系結合計算思維的創新課程，開展“計算機系統級課程”教學改革，取得了較好效果。

（編輯：宋文婷）