計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同貫穿式人才培養(yǎng)的創(chuàng)新與實(shí)踐

孫 涵，陳 兵，馮愛民，陳 丹，馬維華，朱小軍

（南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京211106）

1 背 景

進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算技術(shù)正在發(fā)生深刻變化，從初期的科學(xué)計(jì)算與信息處理進(jìn)入以移動互聯(lián)、物物相聯(lián)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)計(jì)算為主要特征的后PC時代，呈現(xiàn)出“人與信息世界及物理世界融合”的趨勢和網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、普適化、智能化的鮮明特征。未來的5～10年是中國將工業(yè)化與信息化發(fā)展階段結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)兩化融合，利用信息技術(shù)與裝備，提高資源利用率、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高技術(shù)創(chuàng)新能力與現(xiàn)代管理水平的關(guān)鍵時期，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要求計(jì)算機(jī)專業(yè)人員必須具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

系統(tǒng)能力核心是在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)。這需要學(xué)生更多地掌握計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次，了解計(jì)算系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性以及與人和物理世界的交互模式[1]。系統(tǒng)能力培養(yǎng)體現(xiàn)出典型的工程教育特征，系統(tǒng)能力培養(yǎng)的過程整體貫穿了解決復(fù)雜工程問題的各要素[2]。

然而縱觀我國的計(jì)算機(jī)教育，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，盡管相應(yīng)的課程體系基本完善、課程內(nèi)容日趨成熟，但仍存在一些普遍性問題。例如，原先計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計(jì)；各課程大多獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)施，知識體系規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，課程設(shè)置“重軟輕硬”，使學(xué)生不能很好地建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀念；實(shí)踐課程同樣“重軟輕硬”，實(shí)踐過程中缺乏足夠的工程訓(xùn)練規(guī)模與難度。這些問題在相當(dāng)程度上影響了我國計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提高，更無法滿足系統(tǒng)級專業(yè)人才的迫切需求。

國內(nèi)多所高校在計(jì)算機(jī)類專業(yè)教指委指導(dǎo)下，開展了卓有成效的探索工作。北京航空航天大學(xué)高小鵬介紹了一種工程化綜合方法來指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)具有足夠規(guī)模的系統(tǒng)，提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力[3]。浙江大學(xué)施青松、陳文智通過強(qiáng)化計(jì)算機(jī)課程貫通教學(xué)能有效提高學(xué)生的系統(tǒng)能力[4]。華中科技大學(xué)秦磊華、譚志虎則提出了以系統(tǒng)能力為主線推進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)自主可控人才培養(yǎng)的舉措[5]。還有若干高校面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)，進(jìn)行了專業(yè)課程體系改革[6]，計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)等課程改革探索[7]。

2 層次化、軟硬協(xié)同的創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程體系

課程體系的設(shè)計(jì)考慮實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的交互及融合，以提升學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的理解能力和綜合應(yīng)用能力。相應(yīng)的課程體系如圖1所示。

圖1 軟硬協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程體系

首先從邏輯思維層次實(shí)現(xiàn)軟硬件概念貫穿，包括計(jì)算思維、科學(xué)導(dǎo)論以及新技術(shù)講座等課程，以此建立起從真實(shí)世界到信息世界的思維轉(zhuǎn)換，從計(jì)算理論到軟硬件實(shí)現(xiàn)（計(jì)算自動化）的邏輯關(guān)聯(lián)，為后續(xù)建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

隨之的專業(yè)素養(yǎng)層面實(shí)現(xiàn)軟硬件程序貫穿，主要包括系統(tǒng)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法分析等課程，以程序的生成、執(zhí)行和優(yōu)化為核心，形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)軟硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同。

這里特別值得提出的是重構(gòu)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程，根據(jù)國外經(jīng)典教材“深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”和國內(nèi)包括北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等所開設(shè)的同類課程并進(jìn)一步結(jié)合我校學(xué)生特點(diǎn)開設(shè)的。該課程承上啟下，按照“從程序設(shè)計(jì)視角出發(fā)，強(qiáng)調(diào)軟硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同，以程序的生成和執(zhí)行過程為核心，以提高系統(tǒng)性能為目標(biāo)”的思路組織教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組成部分的工作原理、組成方法及相互關(guān)系，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念，弄清硬件與軟件之間的接口界面，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)概念，為后續(xù)課程（如微機(jī)原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)等）打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作為第三層的核心能力層面是系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重中之重，主要涵蓋4門課程，即組成原理、接口技術(shù)、操作系統(tǒng)與編譯原理，是實(shí)現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)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(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程知識融通

在課程設(shè)置上跨時一年半，從大二上學(xué)期到大三下學(xué)期，涵蓋了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的黃金時間段。以構(gòu)建一臺功能型計(jì)算機(jī)為目標(biāo)，通過在組成原理實(shí)驗(yàn)中完成CPU設(shè)計(jì)，到接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(nèi)在關(guān)聯(lián)完成了馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的五大部件；在此基礎(chǔ)上，圍繞著上述硬件的體系結(jié)構(gòu)（這里我們采用的是精簡指令系統(tǒng)代表的MIPS系統(tǒng)），進(jìn)一步通過相應(yīng)的模擬器設(shè)計(jì)一個C編譯器并要求在編譯原理實(shí)驗(yàn)中完成。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則將MIT的XV6教學(xué)操作系統(tǒng)移植到MIPS平臺上，具體包括內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)以及處理器管理的多任務(wù)執(zhí)行等，如圖3所示。這里我們?nèi)耘f把系統(tǒng)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為重要的支撐，以體現(xiàn)其和操作系統(tǒng)之間的密切聯(lián)系以及對兩大硬件體系結(jié)構(gòu)CISC和RISC的重視。

對于圖3中最上層的嵌入式應(yīng)用課程，則以自主研發(fā)的嵌入式平臺為基礎(chǔ)展開，該平臺集成了科研項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的常見接口電路，為我們后續(xù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 核心層的課程實(shí)驗(yàn)構(gòu)成

通過上述3層的有效訓(xùn)練，學(xué)生已初步具備了處理復(fù)雜工程問題的能力。在此基礎(chǔ)之上，我們設(shè)計(jì)了學(xué)科拓展層，并將學(xué)科優(yōu)勢資源輻射到本科教學(xué)中，通過將網(wǎng)絡(luò)空間安全、航空計(jì)算以及智能物聯(lián)等科研上的課題開放，真正實(shí)現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)到現(xiàn)實(shí)的貫通，通過上述主題創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科拓展并提升了創(chuàng)新能力。

3 軟硬貫穿、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐體系

結(jié)合人才培養(yǎng)規(guī)律，計(jì)算機(jī)、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展及其工程實(shí)際需求，構(gòu)建了專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)3類軟硬融合、軟硬協(xié)同的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，形成“軟硬兼施、能實(shí)不虛、以虛達(dá)實(shí)”的新型實(shí)踐教學(xué)體系，具體參見圖4。

圖4 計(jì)算機(jī)軟硬協(xié)同虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺

第一，專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以專業(yè)認(rèn)知、基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主體，通過觀察和操作，理解計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同工作機(jī)制，包括計(jì)算思維、系統(tǒng)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系列。

第二，工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以CPU指令設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，貫穿到接口技術(shù)、操作系統(tǒng)和編譯原理等的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與課程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個功能型計(jì)算機(jī)、一個操作系統(tǒng)以及一個編譯器的核心能力培養(yǎng)鏈。

第三，科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)從綜合設(shè)計(jì)到創(chuàng)新研究的提升，建設(shè)了3類主題創(chuàng)新：航空計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)空間安全和智能家居物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，既緊貼我校特色，又緊緊結(jié)合學(xué)科前沿。

4 科教融合、產(chǎn)教結(jié)合的多維度協(xié)同育人

深化科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化，將科研成果與新型教育教學(xué)理念、方式和方法融合，新編和更新5部省部級教材，開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算科學(xué)、漫游網(wǎng)絡(luò)世界等12門新生研討課和學(xué)科拓展課，自主研制了嵌入式實(shí)驗(yàn)和無線通信實(shí)驗(yàn)等設(shè)備。緊密結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，貫穿軟硬件協(xié)同思想，提升學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)和探索的求知欲；優(yōu)選軟硬結(jié)合的科研項(xiàng)目，通過分解凝練，轉(zhuǎn)換成為學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動的項(xiàng)目，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。每年支撐院、校、省、國家4級科創(chuàng)項(xiàng)目70余項(xiàng)、250余人次，每年本科生發(fā)表論文、申請專利和著作權(quán)超過50余項(xiàng)。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(jié)合，形成校內(nèi)訓(xùn)練中心、實(shí)踐基地合作企業(yè)、課程合作企業(yè)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(shí)踐教育中心和2個省部級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及12個產(chǎn)學(xué)研人才培養(yǎng)基地。通過認(rèn)知實(shí)習(xí)、專項(xiàng)工程實(shí)踐能力訓(xùn)練、生產(chǎn)實(shí)習(xí)不斷線的產(chǎn)教結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生軟硬件協(xié)同貫穿、系統(tǒng)能力培養(yǎng)效果的全面提升。

5 結(jié) 語

在分析計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的社會和技術(shù)發(fā)展需求基礎(chǔ)之上，針對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的不足，以培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力強(qiáng)的創(chuàng)新人才為目標(biāo)，創(chuàng)建了四層次遞進(jìn)、軟硬件融合貫通的課程體系，實(shí)現(xiàn)了邏輯思維層的概念貫通、專業(yè)素養(yǎng)層的程序貫通、核心能力層的系統(tǒng)貫通以及學(xué)科拓展層的應(yīng)用貫通。

充分利用虛擬仿真優(yōu)勢，構(gòu)建了學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)3類軟硬融合的實(shí)驗(yàn)平臺，涵蓋了軟硬協(xié)同的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新研究，實(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計(jì)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計(jì)，從“使用計(jì)算機(jī)”到“構(gòu)建計(jì)算機(jī)”的質(zhì)變，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生能力與素質(zhì)的有機(jī)集成。

同時，我們充分發(fā)揮了校內(nèi)和校外各種資源優(yōu)勢，創(chuàng)建了以“學(xué)科、科研、企業(yè)”為輸入，“課堂、教材、新課程、科創(chuàng)、實(shí)習(xí)”為產(chǎn)出的多維度協(xié)同育人模式，形成“大魚前導(dǎo)，小魚從游”的研究氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高了創(chuàng)新能力，育人效果顯著。

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