面向計算機專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索

寧曉菊，翟社平，楊銳，邢高峰

摘要：計算機專業(yè)的學生要求更多地關(guān)注計算系統(tǒng)的整體特性，培養(yǎng)自身計算機系統(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)當前計算機專業(yè)學生在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面存在的問題，探索和研究計算機專業(yè)學生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，建立以計算機組成原理為核心的硬件課程群。

關(guān)鍵詞：計算機專業(yè)；系統(tǒng)能力；計算機組成原理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：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)計算機基本原理的基礎上熟悉如何進一步開發(fā)構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應用系統(tǒng)[1]。對于大多數(shù)計算機專業(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)及應用能力不如相關(guān)專業(yè)的學生，算法設計及分析基礎又不如數(shù)學專業(yè)的學生，那么，計算機專業(yè)學生的特長在什么地方呢？會編程決不是我們的特長，我們的特長是“具有計算機系統(tǒng)能力”，即“系統(tǒng)思維”。因此，計算機專業(yè)應更加注重對學生計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。計算機專業(yè)的課程體系與內(nèi)容建設要與時俱進，不斷翻新、推陳出新，同時相應地還要加強計算機系統(tǒng)設計與創(chuàng)新的能力。而計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心基礎課程[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。教師以程序設計語言及數(shù)字邏輯電路作為先導課程[3]，重點解析計算機硬件系統(tǒng)的基本組成、運行原理和協(xié)同工作機制，分析計算機組成對系統(tǒng)性能的影響，闡述計算機系統(tǒng)的基本設計方法，幫助學生建立計算機整機系統(tǒng)的概念[4]，為學習系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程提供扎實基礎。該課程對學生全面理解計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、理解軟硬件之間的關(guān)系、構(gòu)建計算機的整機概念、培養(yǎng)計算機系統(tǒng)分析設計及開發(fā)能力都起到十分重要的作用。

二、增強學生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)

2013年—2017年教育部高等學校計算機專業(yè)教學指導委員會制定的教學指導計劃中指出，計算機專業(yè)應該培養(yǎng)的四大基本能力是計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現(xiàn)能力和系統(tǒng)能力。計算機組成原理課程應從全局和系統(tǒng)的角度介紹進行計算機整機設計所必須了解與掌握的專業(yè)知識，為培養(yǎng)學生的系統(tǒng)認知、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應用能力打下堅實的基礎，這四方面就構(gòu)成了系統(tǒng)能力。四大基本能力及能力點分配見表1，每種基本能力都有相應能力點的分配，其中系統(tǒng)能力占到75%[5]。

目前加強系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計算機專業(yè)學生最重要的任務。而計算機組成原理則是計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列課程中的最核心課程，在計算機專業(yè)課程體系中起到了承上啟下的作用，主要介紹構(gòu)成計算機的各個功能部件、計算機的組成及工作原理，其重要任務就是培養(yǎng)學生對計算機硬件結(jié)構(gòu)的分析、應用、設計及開發(fā)能力，它也是編寫高質(zhì)量程序代碼的專業(yè)基礎課。一般都把計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成原理、操作系統(tǒng)和編譯原理這4門課程作為計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)最基本的核心課程。有了計算機組成原理核心課程的基礎，學生就更容易從計算機系統(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，學生才能更容易的形成完整計算機“系統(tǒng)觀”的概念。

三、系統(tǒng)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀及問題

目前國內(nèi)一些有名高等院校，如南京大學、復旦大學、清華大學、北京航空航天大學、浙江大學、西北工業(yè)大學、國防科技大學等，正在不同程度上積極進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索與實踐。北京航空航天大學高小鵬老師認為，計算機專業(yè)學生的“系統(tǒng)能力”是要有能力設計一個包括微處理器、操作系統(tǒng)和編譯器的計算機系統(tǒng)，并且提出了由學生自主設計“一個微處理器、一個操作系統(tǒng)、一個編譯器”的目標，從而完成計算機系統(tǒng)設計和實驗；確定了“三工”準則為教學定位，即工業(yè)標準、工程規(guī)模和工程方法。北航將數(shù)字電路、匯編語言程序設計、計算機組成原理與微型計算機原理合并為一門學科基礎大課，主要是在UC-Berkeley（加州大學伯克力分校）EECS系的課程Great Ideas in ComputerArchitecture（Machine Structures）（CS61C）基礎上進行教學內(nèi)容的裁剪。南京大學袁春風老師編寫了為加強學生“系統(tǒng)觀”的計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材《計算機系統(tǒng)基礎》[5]，并且所授課程已在Coursera平臺上線。課程從程序員視角出發(fā)，重點介紹如何利用計算機系統(tǒng)知識編寫更有效的程序，以高級語言程序開發(fā)和運行過程作為一條主線，將該過程中每一個環(huán)節(jié)所涉及到的硬件和軟件的概念關(guān)聯(lián)起來，使得學生可以初步理解計算機系統(tǒng)中的每一個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。浙江大學計算機學院近些年來圍繞著“面向系統(tǒng)設計能力培養(yǎng)”這一課程建設核心，以計算機系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的實踐過程為手段，以深刻理解計算機系統(tǒng)和高性能程序設計為目標，以數(shù)字電路設計、計算機組成原理、計算機編譯技術(shù)、計算機操作系統(tǒng)等課程為主線，以系統(tǒng)的設計能力為統(tǒng)一視圖，建立了層次化、循序漸進、開放式課程群的課程體系和實驗體系。

我校西安郵電大學計算機學院也緊跟國內(nèi)知名大學的步伐，進行了學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索。然而在教學中還存在如下問題。

1.目前學生所學的相關(guān)課程，如數(shù)字電路、匯編語言程序設計、組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理這幾門課程仍然獨立規(guī)劃和獨立教學，并沒將培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力作為共同的教學目標，從而導致了知識點在各門課程中重復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體系的完備性，尤其是在系統(tǒng)性實驗課程中設計性實驗相對欠缺，主要停留在驗證性實驗上，使得學生很難形成一個完整的計算機系統(tǒng)觀。

2.目前計算機專業(yè)的學生普遍以為專業(yè)學習就是學習編程，出現(xiàn)了一種“欺軟怕硬”的現(xiàn)象，大多精力都用來學習Java、C/C + +、數(shù)據(jù)庫以及前端開發(fā)等軟件知識，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，因此利用硬件知識進行程序調(diào)試的能力很弱。endprint

3.大部分學生認為學習編程就是把時間和精力放在程序的語法和功能邏輯部分，而忽略了對計算機系統(tǒng)中各個抽象層之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的理解。

四、改革與探索

針對上述問題，我們計算機學院關(guān)注計科專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，首先就是提升該專業(yè)學生對計算機系統(tǒng)的整體認知能力。為此要改變以往各門課程的獨立規(guī)劃、獨立教學，以及知識體系中知識點冗余和銜接關(guān)系脫節(jié)的現(xiàn)象，采用軟硬件課程貫通整體設計，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，明確計科專業(yè)課程體系的基本教學目標：建立計算機系統(tǒng)的完整概念，深入理解計算機系統(tǒng)中各個抽象層次之間的轉(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)進行編譯優(yōu)化的基本技術(shù)。通過將教學內(nèi)容統(tǒng)一編排，明確課程體系中各門課程的定位和設置以及各門課程教學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和之間的銜接，建設一體化課程體系，從而為學生構(gòu)建完整的面向系統(tǒng)的知識體系和知識結(jié)構(gòu)。面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的硬件課程群以數(shù)字電路課程為基礎前導，重點講述計算機數(shù)字電路原理與設計技術(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)機模塊等；以計算機組成原理為群內(nèi)核心，重點講述計算機各個部件的設計技術(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)等處理器集成和應用技術(shù)，為后續(xù)課程提供可用的多周期微處理器；以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為深入提高，重點講述計算機硬件系統(tǒng)的相關(guān)優(yōu)化技術(shù)，如存儲層次優(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門課的教學與實驗，構(gòu)成三位一體、循序漸進、緊密結(jié)合的層次關(guān)聯(lián)。在核心課程群的基礎上，引入微機原理、嵌入式系統(tǒng)等課程，建立起硬件范疇的擴展課程群，深化硬件系統(tǒng)的學習和實踐。

而在計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)過程中，實踐占了很大比重，是學生應用學過的原理性知識，解決實際計算機系統(tǒng)設計問題的一個過程，更是深入理解教學內(nèi)容的非常重要的手段。計科的專業(yè)課都有自己的課內(nèi)實驗和集中實踐環(huán)節(jié)，大多采用孤立的傳統(tǒng)驗證型實驗方法。面向系統(tǒng)能力的培養(yǎng)要求，需要將軟硬件貫通進行整體設計，所以需要研究以實現(xiàn)模型機為目標的實驗體系。為此需要確認各課程的階段子目標和相應的實驗內(nèi)容，進行模塊化設計，完成模塊設計和實現(xiàn)后，再通過綜合實驗來最終集成，形成一個基本完整的模型機系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。通過合理規(guī)劃實驗內(nèi)容，實現(xiàn)各課程間實驗的有機銜接。需要貫穿這樣一條主線：作為底層，“數(shù)字電路邏輯”實驗圍繞著構(gòu)建微處理器內(nèi)部所需的各種功能部件來展開；“計算機組成原理”實驗則是利用數(shù)字電路邏輯實驗所開發(fā)的功能部件作為基礎，以構(gòu)造能支持操作系統(tǒng)運行的MIPS微處理器為主線展開；進一步擴展到微機原理接口實驗和嵌入式系統(tǒng)設計實驗。微機原理接口實驗主要完成匯編、微處理器與存儲器、輸入輸出接口實現(xiàn)技術(shù)，為后續(xù)課程提供存儲器、鍵盤、鼠標、串口、顯示器等構(gòu)成計算機硬件系統(tǒng)的基本外圍部件；嵌入式系統(tǒng)實驗主要完成面向特殊領域的計算機軟硬件設計技術(shù)，是計算機硬件系統(tǒng)現(xiàn)實的應用。通過研究明確各個設計模塊之間的輸入輸出關(guān)系，從底層逐步向高層過渡，最終使學生全面建立計算機系統(tǒng)的整機概念。而實現(xiàn)上述系統(tǒng)是一個比較復雜的過程，各模塊之間有機聯(lián)系、輸入輸出關(guān)系對應，需要研究選擇合適的實驗平臺，并在進一步教改開展的過程中根據(jù)計科專業(yè)實際情況對實驗平臺進行改進和擴展。最后在此基礎上開展模型計算機系統(tǒng)綜合設計實踐。模型機設計應該在兩個層次展開，首先在學生完成數(shù)字邏輯電路、Verilog語言程序設計、計算機組成原理相關(guān)課程學習后，要求學生綜合利用各課程所學知識設計和完成一個有一定規(guī)模指令集的RISC計算機系統(tǒng)。其次，進一步結(jié)合操作系統(tǒng)和編譯原理以及匯編語言程序設計中的知識，積極探索軟硬件結(jié)合的計算機系統(tǒng)設計方法，不僅要從功能部件本身考慮，還要從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)設計計算機，比如理解在開發(fā)過程中編譯器的選擇、指令集的選擇、硬件中器件的設計等，培養(yǎng)學生能夠進一步優(yōu)化與改進系統(tǒng)的能力。

我們在面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的前提下，結(jié)合計科專業(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，讓學生能夠?qū)⒄n堂所學在實驗和設計中學以致用。（2）能讓大多數(shù)學生按照培養(yǎng)要求，最終實現(xiàn)一個完整的模型機系統(tǒng)是一個教學難題，為此需要研究合理的階梯式實驗實施方法，讓多數(shù)人能夠達到要求。（3）統(tǒng)一架構(gòu)下各課程的課堂教學、實驗教學、課程設計教學環(huán)節(jié)縱向貫通教學的操作方法，探討開展設計性實驗、系統(tǒng)性實驗設計的開展時間、組織方式、學生參與方法、研究生助教指導方式等，以更好地開展人才培養(yǎng)。同時面對全新的教學內(nèi)容和實驗模式，需要研究多種激勵機制，激發(fā)學生的學習熱情。此外，還需要研究新的考核評價標準。目前組成原理、體系結(jié)構(gòu)等課程實驗課成績在總評成績中所占比重過小。結(jié)合系統(tǒng)能力的培養(yǎng)重點，既要在理論課程中加強面向系統(tǒng)能力的核心知識的考核，又要加強對實驗的考核力度。為此分級考核評價標準：可以考慮將實驗分成多個Project，明確做到什么層次可以獲得良，什么層次可以申優(yōu)。為了防止學生之間相互抄襲，可以考慮驗收時每組學生用不同測試例子，教師現(xiàn)場提問，或者增加指令限時開發(fā)。同時結(jié)合日常實驗行為的收集，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準。

五、結(jié)束語

基于以計算機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，我們計算機學院先對計算機組成原理課程進行改革，以逐漸培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力。如何使計算機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)級設計、實現(xiàn)以及提高應用能力為導向的新教學形式，是計算機專業(yè)學生“系統(tǒng)能力”培養(yǎng)的重點。西安郵電大學計算機學院目前試點對計算機組成原理課程進行改革和建設，采用新的教學體系、方法和模式，目的是使學生在理解計算機原理的基礎上，從系統(tǒng)層面思考，夯實系統(tǒng)理論基礎。但學生的系統(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、程序設計、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、計算機體系結(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習、研究、探索和實踐。

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