計算機軟硬件協同貫穿式人才培養的創新與實踐

孫 涵，陳 兵，馮愛民，陳 丹，馬維華，朱小軍

（南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京211106）

1 背 景

進入21世紀以來，計算技術正在發生深刻變化，從初期的科學計算與信息處理進入以移動互聯、物物相聯、云計算與大數據計算為主要特征的后PC時代，呈現出“人與信息世界及物理世界融合”的趨勢和網絡化、服務化、普適化、智能化的鮮明特征。未來的5～10年是中國將工業化與信息化發展階段結合起來實現兩化融合，利用信息技術與裝備，提高資源利用率、改造傳統產業、優化經濟結構、提高技術創新能力與現代管理水平的關鍵時期，而實現這一目標，要求計算機專業人員必須具有計算機系統能力。

系統能力核心是在掌握計算系統基本原理基礎上，進一步開發構建以計算技術為核心的應用系統。這需要學生更多地掌握計算系統內部各軟件/硬件部分的關聯關系與邏輯層次，了解計算系統呈現的外部特性以及與人和物理世界的交互模式[1]。系統能力培養體現出典型的工程教育特征，系統能力培養的過程整體貫穿了解決復雜工程問題的各要素[2]。

然而縱觀我國的計算機教育，經過半個多世紀的發展，盡管相應的課程體系基本完善、課程內容日趨成熟，但仍存在一些普遍性問題。例如，原先計算機專業人才培養強調“程序”設計；各課程大多獨立設計和實施，知識體系規劃缺乏系統性，課程設置“重軟輕硬”，使學生不能很好地建立完整的計算機系統觀念；實踐課程同樣“重軟輕硬”，實踐過程中缺乏足夠的工程訓練規模與難度。這些問題在相當程度上影響了我國計算機類專業人才培養質量的進一步提高，更無法滿足系統級專業人才的迫切需求。

國內多所高校在計算機類專業教指委指導下，開展了卓有成效的探索工作。北京航空航天大學高小鵬介紹了一種工程化綜合方法來指導學生開發具有足夠規模的系統，提升學生的計算機專業系統能力[3]。浙江大學施青松、陳文智通過強化計算機課程貫通教學能有效提高學生的系統能力[4]。華中科技大學秦磊華、譚志虎則提出了以系統能力為主線推進信息產業自主可控人才培養的舉措[5]。還有若干高校面向系統能力培養，進行了專業課程體系改革[6]，計算機組成原理、操作系統等課程改革探索[7]。

2 層次化、軟硬協同的創新人才培養課程體系

課程體系的設計考慮實現軟硬件之間的交互及融合，以提升學生對計算機系統整體的理解能力和綜合應用能力。相應的課程體系如圖1所示。

圖1 軟硬協同創新人才培養課程體系

首先從邏輯思維層次實現軟硬件概念貫穿，包括計算思維、科學導論以及新技術講座等課程，以此建立起從真實世界到信息世界的思維轉換，從計算理論到軟硬件實現（計算自動化）的邏輯關聯，為后續建立計算機系統架構奠定基礎。

隨之的專業素養層面實現軟硬件程序貫穿，主要包括系統基礎、程序設計、數據結構以及算法分析等課程，以程序的生成、執行和優化為核心，形成計算機系統的層次化結構概念，建立計算機系統整機架構，強調軟硬件關聯與協同。

這里特別值得提出的是重構的“計算機系統基礎”課程，根據國外經典教材“深入理解計算機系統”和國內包括北京大學、南京大學、復旦大學等所開設的同類課程并進一步結合我校學生特點開設的。該課程承上啟下，按照“從程序設計視角出發，強調軟硬件關聯與協同，以程序的生成和執行過程為核心，以提高系統性能為目標”的思路組織教學內容，使學生掌握計算機系統各組成部分的工作原理、組成方法及相互關系，理解計算機系統的層次化結構概念，弄清硬件與軟件之間的接口界面，建立計算機系統整機概念，為后續課程（如微機原理與接口技術、操作系統、體系結構等）打下堅實基礎。

作為第三層的核心能力層面是系統能力培養的重中之重，主要涵蓋4門課程，即組成原理、接口技術、操作系統與編譯原理，是實現軟硬件系統貫通的根本，這些課程與第二層課程之間貫穿融合，如圖2所示。

圖2 計算機專業核心課程知識融通

在課程設置上跨時一年半，從大二上學期到大三下學期，涵蓋了學生專業學習的黃金時間段。以構建一臺功能型計算機為目標，通過在組成原理實驗中完成CPU設計，到接口技術實驗中支持鍵盤、顯示器等用戶接口，從而通過兩門硬件課程之間的內在關聯完成了馮諾依曼體系結構的五大部件；在此基礎上，圍繞著上述硬件的體系結構（這里我們采用的是精簡指令系統代表的MIPS系統），進一步通過相應的模擬器設計一個C編譯器并要求在編譯原理實驗中完成。操作系統實驗則將MIT的XV6教學操作系統移植到MIPS平臺上，具體包括內存管理、文件系統以及處理器管理的多任務執行等，如圖3所示。這里我們仍舊把系統基礎的實驗內容作為重要的支撐，以體現其和操作系統之間的密切聯系以及對兩大硬件體系結構CISC和RISC的重視。

對于圖3中最上層的嵌入式應用課程，則以自主研發的嵌入式平臺為基礎展開，該平臺集成了科研項目實際應用中經常遇到的常見接口電路，為我們后續的創新實驗奠定了堅實的基礎。

圖3 核心層的課程實驗構成

通過上述3層的有效訓練，學生已初步具備了處理復雜工程問題的能力。在此基礎之上，我們設計了學科拓展層，并將學科優勢資源輻射到本科教學中，通過將網絡空間安全、航空計算以及智能物聯等科研上的課題開放，真正實現了軟硬件系統設計到現實的貫通，通過上述主題創新實驗，實現了學科拓展并提升了創新能力。

3 軟硬貫穿、虛實結合的實驗實踐體系

結合人才培養規律，計算機、信息安全、物聯網等技術發展及其工程實際需求，構建了專業基礎能力培養實驗、工程系統能力培養實驗和科研創新能力培養虛擬仿真實驗3類軟硬融合、軟硬協同的虛擬實驗平臺，形成“軟硬兼施、能實不虛、以虛達實”的新型實踐教學體系，具體參見圖4。

圖4 計算機軟硬協同虛擬化實驗平臺

第一，專業基礎能力培養實驗以專業認知、基礎類實驗為主體，通過觀察和操作，理解計算機軟硬件協同工作機制，包括計算思維、系統基礎、程序設計、數據結構以及算法設計實驗系列。

第二，工程系統能力培養實驗以CPU指令設計為起點，貫穿到接口技術、操作系統和編譯原理等的實驗系統與課程設計，實現了一個功能型計算機、一個操作系統以及一個編譯器的核心能力培養鏈。

第三，科研創新能力培養虛擬仿真實驗實現從綜合設計到創新研究的提升，建設了3類主題創新：航空計算、網絡空間安全和智能家居物聯網實驗平臺，既緊貼我校特色，又緊緊結合學科前沿。

4 科教融合、產教結合的多維度協同育人

深化科研成果向教學轉化，將科研成果與新型教育教學理念、方式和方法融合，新編和更新5部省部級教材，開設計算機科學與計算科學、漫游網絡世界等12門新生研討課和學科拓展課，自主研制了嵌入式實驗和無線通信實驗等設備。緊密結合學科發展前沿，貫穿軟硬件協同思想，提升學生對專業學習和探索的求知欲；優選軟硬結合的科研項目，通過分解凝練，轉換成為學生課外科技創新活動的項目，提升學生工程實踐能力和團隊合作能力。每年支撐院、校、省、國家4級科創項目70余項、250余人次，每年本科生發表論文、申請專利和著作權超過50余項。每年獲得各類省部級以上競賽獎勵超過200人次。

校企緊密結合，形成校內訓練中心、實踐基地合作企業、課程合作企業為一體的校企合作模式。建立了1個校企合作國家級工程實踐教育中心和2個省部級實驗教學示范中心及12個產學研人才培養基地。通過認知實習、專項工程實踐能力訓練、生產實習不斷線的產教結合，實現學生軟硬件協同貫穿、系統能力培養效果的全面提升。

5 結 語

在分析計算機類專業人才培養面臨的社會和技術發展需求基礎之上，針對傳統計算機類專業人才培養模式的不足，以培養計算機系統能力強的創新人才為目標，創建了四層次遞進、軟硬件融合貫通的課程體系，實現了邏輯思維層的概念貫通、專業素養層的程序貫通、核心能力層的系統貫通以及學科拓展層的應用貫通。

充分利用虛擬仿真優勢，構建了學科專業基礎能力培養實驗、工程系統能力培養實驗和科研創新能力培養虛擬仿真實驗3類軟硬融合的實驗平臺，涵蓋了軟硬協同的認知實驗、基礎實驗、綜合設計和創新研究，實現了從強調“程序”設計變為強調“系統”設計，從“使用計算機”到“構建計算機”的質變，實現了學生能力與素質的有機集成。

同時，我們充分發揮了校內和校外各種資源優勢，創建了以“學科、科研、企業”為輸入，“課堂、教材、新課程、科創、實習”為產出的多維度協同育人模式，形成“大魚前導，小魚從游”的研究氛圍，培養了學生嚴謹的科學態度，提高了創新能力，育人效果顯著。

[1]王志英, 周興社, 袁春風, 等. 計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J]. 計算機教育, 2013(9): 1-6.

[2]蔣宗禮. 本科工程教育, 聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J]. 中國大學教學, 2016(11): 27-30, 84

[3]高小鵬. 計算機專業系統能力培養的技術途徑[J]. 中國大學教學, 2014(8): 53-57, 34.

[4]施青松, 陳文智. 強化計算機課程貫通教學, 深入面向系統能力培養[J]. 中國大學教學, 2014(12): 61-65.

[5]秦磊華, 譚志虎. 強化系統能力 推進信息產業自主可控人才培養[J]. 中國大學教學, 2016(7): 37-43.

[6]劉衛東, 張悠慧, 向勇, 等. 面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J]. 中國大學教學, 2014(8): 48-52.

[7]蔣永國, 洪鋒, 董軍宇. 面向系統能力培養的計算機組成原理核心課程建設[J]. 計算機教育, 2015(21): 3-6.

[8]楊銳, 翟社平, 寧曉菊. 面向系統能力培養的計算機組成原理實踐教學改革[J]. 計算機教育, 2016(12): 24-27.

[9]趙鵬, 劉慧婷, 姚晟, 等. 基于系統能力培養的操作系統課程改革和建設[J]. 計算機教育, 2016(1): 56-58.