面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)實踐教學模式

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)理論與實踐教學的有效聯(lián)動，傳統(tǒng)計算機實踐教學體系存在實驗目標離散、實驗內(nèi)容割裂、實驗規(guī)模不夠、實驗平臺分離的問題，結合系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系統(tǒng)觀、構造觀、工程觀等特征，以設計與實現(xiàn)完整的計算機軟硬件系統(tǒng)為頂層目標，重構了面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的一體化實踐教學模式，并給出了相應實踐教學組織保障體系。

關鍵詞：計算機系統(tǒng)能力；實踐教學；系統(tǒng)觀；構造觀；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，教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會（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。華中科技大學計算機學院從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)學者提出了包含計算機系統(tǒng)認知、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)應用等能力點的計算機系統(tǒng)能力概念，并設計了面向系統(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)設計能力、系統(tǒng)開發(fā)能力及系統(tǒng)應用能力細化為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、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

計、系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)應用能力的共性體現(xiàn)。強調(diào)學生對計算機系統(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聯(lián)、相互制約與相互促進關系；了解計算機底層硬件結構（包括并行結構）、指令集設計等對程序執(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）構造觀。構造觀是系統(tǒng)設計能力的具體體現(xiàn)。強調(diào)培養(yǎng)學生從計算機軟/硬件功能部件到計算機系統(tǒng)及應用系統(tǒng)的設計能力，包括硬件功能部件（含芯片、外部設備等）、智能系統(tǒng)硬件（含計算機硬件、傳感器硬件等）、系統(tǒng)軟件、應用系統(tǒng)的設計能力；強調(diào)自主知識產(chǎn)權，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)應用能力的具體體現(xiàn)。強調(diào)培養(yǎng)學生軟/硬協(xié)同視角下的計算機系統(tǒng)開發(fā)和實現(xiàn)能力，訓練學生考慮工程制約因素、選擇恰當技術和工具進行工程優(yōu)化的意識。強調(diào)大工程觀[7]，關注工程實施過程中科學要素、技術要素及非技術要素的協(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)的實踐教學模式的研究具有十分重要的指導意義。

二、實踐教學環(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)級復雜工程訓練才能達到。然而，目前計算機類專業(yè)實踐教學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）實驗目標離散。實驗目標圍繞課程教學目標制訂，缺乏系統(tǒng)級頂層設計和統(tǒng)一規(guī)劃，導致專業(yè)核心課程間的關聯(lián)與融合不夠、系統(tǒng)性不強，難以給學生提供系統(tǒng)級思維與實踐的訓練，不利于學生建立系統(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)，學生在校期間缺少完整計算機系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的實踐經(jīng)歷，無法達成復雜計算機系統(tǒng)構造觀的訓練。

（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)，學生才能真正學習并掌握系統(tǒng)構造方法，進一步領會系統(tǒng)構造的核心原則（如設計權衡）[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、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)級訓練。

三、系統(tǒng)能力培養(yǎng)實踐教學一體化設計

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)性自主設計或集成性創(chuàng)新，又強調(diào)實踐應具有一定的規(guī)模性和復雜度[7]。

原有實踐體系中課程實驗目標定位、內(nèi)容設計及實驗平臺配備等均按課程進行，缺乏一體化設計，加之原有課程結構不完整，多門課程的實驗不能融合集成為完整計算機系統(tǒng)，學生在校期間缺少完整計算機系統(tǒng)設計與實現(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)側重點進行實踐教學體系的頂層重構。

（1）實踐教學體系頂層設計。為幫助學生建立良好的計算機系統(tǒng)觀，我們將大學四年能夠獨立設計實現(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)作為頂層實踐教學目標，要實現(xiàn)該頂層目標學生必須掌握CPU設計、接口設計、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)依賴于對相關軟硬件設計工具的熟練運用，依賴于CPU各功能部件的設計與實現(xiàn)能力，依賴于基于FPGA的接口設計能力，依賴于操作系統(tǒng)與編譯系統(tǒng)的設計與實現(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)設計與實現(xiàn)所需知識與能力體系，將設計實現(xiàn)完整計算機系統(tǒng)的總任務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，并最終構成完整計算機系統(tǒng)。學生在上述各功能模塊的設計與集成并最終構成完整計算機系統(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)課程設置實驗導致內(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系統(tǒng)級綜合實驗面臨的學時不足和實驗任務龐大的難題。表1給出了華中科技大學計算機學院面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實驗內(nèi)容一體化示例。

（3）實驗目標一體化。為配合實驗內(nèi)容一體化，需明確每門課程實驗環(huán)節(jié)服務于本課程教學的局部目標和服務于完整計算機系統(tǒng)設計的全局目標，全局目標是實驗目標一體化的具體體現(xiàn)。幫助學生體會先導課程與后續(xù)課程間的關聯(lián)，把握課程實驗的局部與整體關系，提高學生對課程實踐環(huán)節(jié)的重視，調(diào)動學生主動實踐的積極性，提升實踐教學和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的有效度。表2給出了華中科技大學計算機學院面向系統(tǒng)設計的實驗目標一體化示例。

（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技術及EDA軟件的普及為平臺一體化提供了良好的技術支持，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。有效解決課程實驗目標離散、實驗內(nèi)容無序割裂不能融合構成完整計算機系統(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)、課外相結合，跨課程、跨學期的大型綜合實踐項目得以分步實施，為學生的自主實驗、個性化學習創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境。

四、系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐教學組織

（1）實踐教學“小班化”。為幫助學生克服畏難心理，及時掌控實驗進展，提升實驗效果，必須為學生提供及時、有針對性的實驗指導。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的實驗且成績優(yōu)秀者，以便為學生提供最及時而優(yōu)秀的實踐指導。

（2）過程管理“精細化”。系統(tǒng)能力培養(yǎng)實踐教學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類課程需要有嚴而不死的課堂考勤制度保障學生的參與度；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（類似游戲關卡），難度逐漸遞進，以增強學習的及時反饋，提升學習興趣；努力為學生提供豐富的測試用例及自動檢測工具（游戲裝備），提升學生學習效率；通過云平臺及時匯總公示學生學習進度（游戲龍虎榜），促進形成良性競爭的學習氛圍；線上線下師生經(jīng)常性互動，收集整理各種常見問題（游戲通關秘籍）；嘗試團隊合作以及天梯對抗機制讓學生們一起愉快地進行合作學習（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果構成一臺完整計算機，需對每門課程的實驗結果按照一定的工程標準進行評估驗收。考量的指標包括：功能完成度、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)綜合訓練的順利完成提供了保障。

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

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