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1、计算机系统能力培养现状和发展,王志英 国防科技大学计算机学院 2016-7-12,目 录,引言 系统能力培养 培养试点工作 的改革需求 有关思考,目前国内许多高校正在进行系统能力培养有关课程体系和实践环节的改革，系统能力培养改革进入一个新的阶段。同时，也为教指委系统能力培养课程体系研究组了新的要求和挑战。 南京大学、北航、北京大学、国防科大、上海交大、中科大、清华大学等高校积极推进计算机专业学生系统能力培养的课程体系改革，以及持续的教师交流和研讨，,引 言,本届教指委组织了研究组展开计算机专业学生系统能力培养的研究，分成为两个小组： 由南京大学、国防科大、北京大学、西北工业大学、武汉大学等学校
2、有关教授和机械工业出版社华章公司组成的研究组侧重进行关于计算机专业学生系统知识结构、系统能力、系统课程设置及实践的研究。 由北京航空航天大学、浙江大学、国防科大、南京大学等学校有关教授和高等教育出版社组成的研究组侧重进行系统实践能力培养的研究,引 言,系统能力的主要内涵 系统能力核心是在掌握计算系统基本原理基础上，熟悉如何进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统。这需要学生更多地掌握计算系统内部各软件/硬件部分的关联关系与逻辑层次，了解计算系统呈现的外部特性以及与人和物理世界的交互模式。 系统能力培养体现出工程教育特征。计算机专业学生的知识体系不仅需要更新与扩展，而且其系统设计创新能力必须得到
3、强化与提升。,系统能力培养,系统能力 = 系统知识 + 工程实践能力 系统知识：掌握计算机核心系统的工作原理及其构造方法，理解计算机系统的软硬件相互作用关系 工程实践能力：用工程方法开发计算机应用系统,6,系统能力培养,计算机专业的教育应该建立新的系统级的课程，特别是设立有关的系统级综合性课程，并重新规划计算机系统核心课程的内容，使这些核心课程之间的内容联系更紧密、衔接更加顺畅。 国际上CMU、Stanford、UC Berkley等,国内南京大学、清华大学、北京大学、北航、国防科大、浙江大学、中国科大、上海交大等学校已经开始进行有关的尝试，取得了一定的成效。 目前国内主要有4种系统能力培养模
4、式,系统能力培养,1、深入理解计算机系统 Randal E. Bryant, David R. OHallaron, Computer Systems: A Programmers Perspective（CMU1-213, Stanford CS107） 该教材从程序员的角度来讲述应用程序员如何能够利用系统知识来写出更好的程序。将计算机软件和硬件理论结合讲述的经典教程，内容覆盖计算机导论、体系结构和处理器设计等多门课程。,系统能力培养,2、计算系统概论 Yale N. Patt, Sanjay J. Patel， Introduction to Computing Systems from
5、Bits and Gates to C and Beyond （CMU18-447） 该教材的目的是让学生对计算机科学有一个深入理解，为以后的课程打下坚实的基础。学生在掌握了计算机底层工作的原理机制之后，能更加从容地解决以后可能面临的新问题，包括高级编程语言方面的问题 该教材包括两方面的内容：计算机底层结构、高级语言编程及编程方法学。,系统能力培养,3、计算机系统基础 袁春风南京大学计算机科学与技术系教授。 该教材基于“IA-32+Linux+GCC+C语言”平台来讲授计算机系统基础。使读者能够很好地将高级语言程序、汇编语言、编译和链接、组成原理、操作系统等相关的基础内容有机贯穿起来，以建立完
6、整的计算机系统概念，从而能深刻理解计算机系统中各个抽象层之间的等价转换关系； 分3个层次建设系统课程,系统能力培养,计算机系统分析、设计、优化和检错能力是计算机专业专长 以“提高对计算机系统全面认识和系统设计能力”为目标 强调软/硬件的关联和协同、强调课程间的关联、强调理论课与实验课内容的关联 在统一的指导思想和培养目标下，全方位系统地构建相关课程的课堂教学和实验教学方案 把概论和组原重组形成新的课程，强调系统性和关联性 最终目标：逐步把操作系统、编译等课程的相关内容也加到该实验平台上，形成一门从硬件、系统软件到应用软件的计算机系统综合实验课程,系统能力培养,4、系统实践 核心课程群：数字逻辑
7、、计算机组成、操作系统、编译技术 教学目标：一个CPU、一个OS、一个编译器 改革思路 课程体系整合重构：根据系统构造的内在逻辑关系，梳理课程群知识体系，重构各课程的知识分布及衔接关系 实验体系物理综合：实验成果层次递进，在统一硬件实验平台上实现计算机软硬件的物理综合 以MIPS或者ARM指令集为基础，逐步建立深化系统观念,系统能力培养,现代计算机系统的3个主要部分 处理器 操作系统 编译器 计算机系统开发有助于： 理解硬件系统的运行原理 掌握硬件系统及系统软件构造方法 领悟软/硬件相互作用关系,13,系统能力培养,ARM的飞速发展,可穿戴设备市场领军,70% 智能TV 95% of 游戏机,
8、网络基础设施以及数据中心,进军服务器市场,拓展智能汽车, 家庭网络市场,95% 智能手机和平板,80% 数码相机,10亿 2013 采用ARM技术的中国芯出货量,50 倍 2008-2013 ARM 合作伙伴出货量的成长倍数,2.5亿 2013采用ARM技术的中国应用处理器 （AP) 出货量,ARM可行性分析,是否达到原理课程设计的教学目标？ 深入理解计算机组成原理的相关概念和原理 掌握从指令集到CPU的设计方法，包括数据通路和控制器的设计方法 实现难度是否适当？ 适合三年级（上）本科生 初步的数字逻辑、数字电路基础,是否可行？,如果使用ARM： 指令集分析是否可行？ 数据通路设计是否可行？
9、控制器设计是否可行？ CPU实现是否可行？ CPU验证是否可行？,ARM详细规划,培养试点工作,从2个方面进行系统能力培养试点工作： 高等学校计算机系统能力培养 系统能力培养专业课程体系及课程建设,培养试点工作1,试点工作的依据和目标 试点范围和内容 试点工作的实施（组织分工、评估验收） 保障措施,培养试点工作1,共有全国48所高校申报了50个项目（个别学校申报了多个项目，也出现多校联合申报的情况），其中专业综合改革项目31项（占62%），课程及系列课程改革项目19项（38%）。 本次申报内容对系统能力培养课程体系中的每一层课程都有涵盖，其中涉及第一层课程的有21项，涉及第二层课程的有36项，
10、涉及第三层次课程的有16项。第三层次课程方向涉及大数据、网络、云计算、嵌入式、物联网。,培养试点工作2,所有申报项目在关注理论课程改革的同时，都将实践平台、实践课程内容的建设和改革放在了重要地位。 各高校均结合本校特色，了较为可行的系统能力改革设想和路径，比如，有的高校全面贯彻教指委的三层课程体系；有的院校从核心课程开始改造，逐步影响第一层和第三层课程；有的高校则从第三层课程起步，逐步倒推回第二层和第一层课程的改革。,培养试点工作2,评审标准： 1、院校之前的基础（能深入理解教指委系统能力培养项目的内涵和意义、积极参加教指委系统能力培养研讨活动、已开设或启动计算机系统基础等课程的建设或改造）2
11、、改革思路的科学合理性（按照教指委给出的课程体系，参照某一示范校的改革思路，如新增系统基础课程、打通第二层次相关课程等）3、学院或系部的支持力度,培养试点工作2,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-专业综合改革,培养试点工作2-课程改革,培养试点工作2-课程改革,培养试点工作2-课程改革,培养试点工作2-课程改革,的改革需求,希望教指委专家及改革先进校能予以具体的指导，针对试点校的实际和基础，帮助该校制定实际、可行的课程体系，让系统能力培养的理念扎实落地。 清华、北
12、航、北大、南大、上交大等先进经验很好，但对于普通高校难度太大，希望教指委能牵头组织适合普通地方高校的系统能力培养体系（如组织应用型系统能力培养的研究小组等等） 希望教指委能给出更加细化的系统能力培养知识点或课程方案，便于高校参考、实施。,关于学生系统能力评价标准的问题，有些老师希望教指委能研究、给出如何评价教师所做的系统能力培养，以及学生是否具备了系统能力。 希望教指委能提供更多的资源便于老师们进行系统能力培养的改革，包括课程资源（教材、网站、案例、实践方案等）、名师资源（国内的、国外的）、企业资源，获取更多的企业支持，包括企业导师、先进技术等。,的改革需求,希望教指委能研究系统能力培养的出口
13、和评价，如参加大赛、企业实习或其他形式，以便更好地激励高校进行系统能力改革。 组织多种形式的改革高校间的交流与学习。,的改革需求,教指委将对批准立项的试点高校提供必要的咨询与指导，定期组织教师交流与研讨活动，提供校企合作的平台，帮助试点院校的工作取得实质性成果。 各试点单位应在试点工作方案的指导下，高度重视试点工作，按照自定的试点目标和规划，吸收教指委专家意见，不断总结实践经验，确保试点工作稳步推进，切实提高计算机类专业人才系统能力。,有关思考,结合国际和国内的教育和学科技术发展，针对各个层次进行深入研究，重视以系统观为核心的新教材编写和调整。 理论和实践结合，深化建设实践教学的环境和内容。 系统观教育对专业教师更高的知识与素质要求，必须强化计算机专业的教师培训。 拟进行系统能力竞赛以测评系统能力的培养成果。,有关思考,谢 谢!,
