淺談新工科下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索

王君 謝維奇 何云紅

摘要： “中國制造2025”的提出，給新工科背景下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力增加了新的內(nèi)涵。該文介紹了我校以“數(shù)字邏輯”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”“計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門課程的課程群為主線，調(diào)整教育培養(yǎng)的目標(biāo)，在理論知識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)中建立課程之間的相關(guān)性;又通過“以賽代教”的學(xué)科比賽方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力;新工科;本科計(jì)算機(jī)專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）03-0124-02

1 前言

“中國制造2025” 是中國政府實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)，其中涉及新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2018年3月教育部辦公廳發(fā)文《關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，推動(dòng)我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)。教育部副部長林蕙青在大會(huì)上強(qiáng)調(diào)，大力發(fā)展新工科 （Emerg-ing Engineering Education，3E）的建設(shè)，可以探索出具有國際水平的中國特色的工程教育體系，其推動(dòng)了我國工程教育的發(fā)展，并可培養(yǎng)出具有我國特色的工程技術(shù)人才。

新工科的專業(yè)包括物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、光電信息科學(xué)與工程專業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、機(jī)器人工程專業(yè)、智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)、智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、智能建造專業(yè)等。其中，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是新工科體系中的重要學(xué)科，其與其他學(xué)科交叉，形成“計(jì)算機(jī)+”的新專業(yè)，因此，以新工科為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具有厚重的專業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐能力，才能成為卓越工程科技人才。

系統(tǒng)能力包括兩個(gè)方面：系統(tǒng)知識(shí)的掌握與工程實(shí)踐能力。系統(tǒng)知識(shí)的掌握主要針對(duì)計(jì)算機(jī)核心系統(tǒng)的工作原理、體系結(jié)構(gòu)、軟硬件合作協(xié)同、層次間邏輯關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換;工程實(shí)踐能力體現(xiàn)在用工程方法開發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等方面[1]。系統(tǒng)能力培養(yǎng)的加強(qiáng)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：升級(jí)改造當(dāng)前高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)教育;推動(dòng)高新技術(shù)與計(jì)算機(jī)類專業(yè)的知識(shí)、體系結(jié)構(gòu)、素質(zhì)要求深度融合;探索計(jì)算機(jī)類專業(yè)升級(jí)改造的實(shí)施步驟;提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整體能力和綜合素質(zhì)[1]。

2 現(xiàn)狀

我國擁有世界上最大規(guī)模的工程教育。以2016年為例，本科在校生工科專業(yè)為538萬人，其畢業(yè)生123萬人，專業(yè)布點(diǎn)就高達(dá)17037個(gè)，高等教育在校生總數(shù)的三分之一為工科專業(yè)學(xué)生。工科建設(shè)中數(shù)量最多且影響最大的專業(yè)為計(jì)算機(jī)專業(yè)。在新工科的計(jì)算機(jī)類專業(yè)建設(shè)和教育提升中，系統(tǒng)能力培養(yǎng)是非常關(guān)鍵的重要內(nèi)容，系統(tǒng)能力培養(yǎng)具有舉足輕重的迫切需求[2]。

在新工科建設(shè)的大環(huán)境下，當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生必備的基礎(chǔ)能力為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，但是目前，國內(nèi)大部分高校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)對(duì)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)重視程度不夠，培養(yǎng)的學(xué)生在系統(tǒng)能力方面存在一些問題，且達(dá)不到新工科對(duì)人才需要的要求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，建立不了的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，不能全面解決系統(tǒng)層面的問題;其次，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心內(nèi)容不夠充分，大部分學(xué)生難以完成復(fù)雜的軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù);第三，因?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程之間內(nèi)容缺乏聯(lián)系性，所導(dǎo)致在處理大型設(shè)計(jì)問題分析、設(shè)計(jì)時(shí)，大部分學(xué)生是手足無措;最后，缺乏系統(tǒng)性的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了在系統(tǒng)實(shí)踐相關(guān)課程中學(xué)生動(dòng)手能力較差，甚至出現(xiàn)無從下手的局面，越差越怕動(dòng)手的惡性循環(huán)。

新工科“計(jì)算機(jī)+”交叉學(xué)科的新專業(yè)的發(fā)展是必然趨勢，系統(tǒng)能力欠缺的學(xué)生是無法適應(yīng)其發(fā)展。只有新工科計(jì)算機(jī)類系統(tǒng)能力培養(yǎng)的加強(qiáng)，方可推動(dòng)高新技術(shù)與計(jì)算機(jī)類專業(yè)的知識(shí)、能力、素質(zhì)要求深度融合;進(jìn)行計(jì)算機(jī)類專業(yè)改造升級(jí)的實(shí)施路徑的探索，方可提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整體素質(zhì)和能力。那么，在新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的新內(nèi)涵是什么？培養(yǎng)體系或培養(yǎng)方法是什么？我們對(duì)師資隊(duì)伍的建設(shè)又要注意哪些呢？

3 系統(tǒng)能力培養(yǎng)現(xiàn)狀及問題

目前在我國一些知名高校中，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，正在積極進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實(shí)踐與探索。比如南京大學(xué)袁春風(fēng)教授，其在多年的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中得出了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，她認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程體系中，缺少了幫助本科生建立硬件與軟件相關(guān)聯(lián)的課程，他們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一些非常重要的基本概念缺乏深入理解。比如，大部分學(xué)生無法準(zhǔn)確地描述出指針變量的硬件實(shí)現(xiàn)過程;而棧、遞歸概念更像是在“變魔術(shù)”難以深刻理解。所以袁春風(fēng)教授親自編寫了計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材----《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》，并且所授課程相關(guān)資料已在Coursera平臺(tái)上線。她認(rèn)為在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中必須樹立系統(tǒng)觀（如圖一所示），培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)特而全面地系統(tǒng)眼光。面對(duì)不同的問題提出，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)站在各個(gè)層面上去把握各個(gè)層次上的系統(tǒng)，并學(xué)會(huì)系統(tǒng)全面地考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件與外界的邏輯與關(guān)聯(lián)，能夠完成一定規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該課程站在程序員層面上，重點(diǎn)介紹如何利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)來編寫出效率高的程序代碼，并且以C語言程序開發(fā)作為一條主線，將該開發(fā)過程中常見的環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件概念聯(lián)系到一起，可以讓學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每一個(gè)抽象層與其涉及的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系（如圖1所示），為后續(xù)課程打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 我校課程改革情況

我校建立了計(jì)算機(jī)專業(yè)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程群，主要有三門課程進(jìn)行了改革（如圖2所示），具體如下：

1）數(shù)字邏輯

該課程是計(jì)算機(jī)、電子信息相關(guān)IT專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課及必修主干課程。其主要內(nèi)容包括邏輯基礎(chǔ)知識(shí)、組合邏輯、時(shí)序邏輯、編程邏輯，以及邏輯分析設(shè)計(jì)方法、芯片應(yīng)用能力，是硬件相關(guān)課程的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。我們選擇的是課程群老師編寫的《數(shù)字邏輯（第三版）》，該課程有兩大特點(diǎn)：第一在原來的基礎(chǔ)上增加了小視頻的資源，書上每個(gè)章節(jié)重要知識(shí)點(diǎn)附近附有二維碼，通過手機(jī)掃描就可以看見相關(guān)視頻教學(xué)，每個(gè)視頻在1-2分鐘，短小而生動(dòng)，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第二在傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)上，又增加了HDL設(shè)計(jì)。現(xiàn)代邏輯（編程邏輯）設(shè)計(jì)方法學(xué)與傳統(tǒng)邏輯（組合邏輯、時(shí)序邏輯）相比，提高了對(duì)象描述的抽象性，與EDA技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)對(duì)象設(shè)計(jì)，還可以高效實(shí)現(xiàn)。

2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

該課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課。采用由南京大學(xué)袁春風(fēng)教授編寫的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》。該教材將比較難的匯編語言、編譯原理、組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容與高級(jí)程序語言有機(jī)貫穿起來，輕松地建立了完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念。該課程使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有整體認(rèn)識(shí)，對(duì)后續(xù)課程如“計(jì)算機(jī)組成”“操作系統(tǒng)”等打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3）計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課。本課程首先講授計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成和基本設(shè)計(jì)原理層面，然后著重加強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，利用在“數(shù)字邏輯”課程中學(xué)到的門電路的知識(shí)和HDL語言設(shè)計(jì)，再加上“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”中對(duì)計(jì)算機(jī)的整體系統(tǒng)觀，使用Modelsim軟件對(duì)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行仿真測試，比如ALU部件。這樣能夠讓學(xué)生全面地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。

4）緊跟學(xué)科競賽發(fā)展，“以賽代教”

為了讓數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)3門課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠很好地銜接，課程組教師們編寫了基于FPGA開發(fā)系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓部分優(yōu)秀學(xué)生先在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從門電路開始設(shè)計(jì)基本功能部件，然后再以HDL語言為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)部件和外圍接口和CPU，最終將存儲(chǔ)部件、I/O接口和CPU通過總線互連成為一個(gè)簡單完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

為了提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，學(xué)院還鼓勵(lì)指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生參加學(xué)科競賽，緊跟學(xué)科前沿。2017年5月報(bào)名參加了第一屆“龍芯杯”全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽，本次大賽共有40多所高校近70支隊(duì)伍參賽，參賽學(xué)生近280人，指導(dǎo)老師近140人。我校代表隊(duì)4名同學(xué)進(jìn)入了前二十名，參加了9月在北航的決賽，最終獲得了優(yōu)勝獎(jiǎng)，來之不易。“以賽代教”調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件的積極性，對(duì)學(xué)生培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力起著重要的作用。

5 結(jié)束語

新工科背景下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力應(yīng)該是： 1）動(dòng)態(tài)性：以不變應(yīng)對(duì)多變的未來科技發(fā)展趨勢;2）創(chuàng)新性：繼承與創(chuàng)新相結(jié)合，以多學(xué)科融合為手段;3）多元化：與時(shí)俱進(jìn)，以多元化的創(chuàng)新為目標(biāo)[3]。

我校以“數(shù)字邏輯”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”“計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”三門課程的課程群為主線，再加上“以賽代教”的學(xué)科競賽方式，學(xué)生既有了扎實(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，又有了實(shí)際動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的興趣越來越強(qiáng)。系統(tǒng)能力培養(yǎng)將大幅度地提高計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量，為新工科建設(shè)的深入展開打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 言十.新工科建設(shè)與系統(tǒng)能力培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（7）：1-4.

[2] 王志英，周興社，袁春風(fēng)，等.計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（9）： 1-6.

[3] 葛方振.新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重定位思考[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（36）：133-134.

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