赵一鸣系统观建设

1、系统构建计算机科学技术系统构建计算机科学技术专业课程体系及课程内容专业课程体系及课程内容复旦大学复旦大学 赵一鸣赵一鸣 背景背景 系统观角度培养学生系统观角度培养学生 系统观角度构建各大类的知识图谱系统观角度构建各大类的知识图谱 大系统观角度跨类构建课程内容大系统观角度跨类构建课程内容 一、背景一、背景 高端：拔尖人才培养，卓越工程师计划高端：拔尖人才培养，卓越工程师计划 基本的：专业认证基本的：专业认证 结合结合ACM/IEEE-CS CS 2013，进一步完善计，进一步完善计算机课程体系算机课程体系 系统类课程的系统建设系统类课程的系统建设 课程体系应该怎么建设课程体系应该怎么建设 ？ 梳

2、理知识点，若干知识点构建课程，然后？梳理知识点，若干知识点构建课程，然后？ 基础，专业，方向，任意选修基础，专业，方向，任意选修 一堆课程一堆课程 主线是什么？主线是什么？ 关联性怎样？关联性怎样？ 课程大纲虽然有课程的前继课程要求，课程大纲虽然有课程的前继课程要求， 笼统，不明确，哪些知识点？笼统，不明确，哪些知识点？ 有多少学生注意有多少学生注意 主讲教师注意了吗？主讲教师注意了吗？ 前继课程的主讲教师关心过本门课程在其他前继课程的主讲教师关心过本门课程在其他后续课程中的作用了吗？后续课程中的作用了吗？ 后续课程的老师去了解过前继课程到底讲了后续课程的老师去了解过前继课程到底讲了哪些？要求

3、？哪些？要求？ 从知识点角度来看：从知识点角度来看： 计算机原理，操作系统等课程，在知识点上计算机原理，操作系统等课程，在知识点上有交叉，如何规划，侧重点有交叉，如何规划，侧重点 离散数学，数据结构，算法设计与分析：离散数学，数据结构，算法设计与分析：Huffman算法算法 ，区分度在哪里，还有必要都，区分度在哪里，还有必要都从头介绍吗？从头介绍吗？ 各自的任务应该是什么？各自的任务应该是什么？ 二、系统观角度培养学生二、系统观角度培养学生 计算机科学与技术专业的学生应该具有系统视角计算机科学与技术专业的学生应该具有系统视角 1.具备系统观的思维格局具备系统观的思维格局 课程体系课程体系和课程

4、学习，应该使得和课程学习，应该使得学生的思维跨越各个学生的思维跨越各个课程，而不是被课程条块化分割。课程，而不是被课程条块化分割。 将跨课程、跨领域的知识点联系起来；将跨课程、跨领域的知识点联系起来； 对计算机科学多个领域中反复出现的概念、思想、方对计算机科学多个领域中反复出现的概念、思想、方法和原则，不应该只局限在所学领域，而是能够跨领法和原则，不应该只局限在所学领域，而是能够跨领域地领会和运用，比如在软件架构、计算机网络中都域地领会和运用，比如在软件架构、计算机网络中都有分层的概念，再比如抽象、复杂度、安全、并发、有分层的概念，再比如抽象、复杂度、安全、并发、共享、迭代、变更管理等在各个领

5、域中都有体现。共享、迭代、变更管理等在各个领域中都有体现。 建立多层次的系统观。不仅掌握计算机系统的实现，建立多层次的系统观。不仅掌握计算机系统的实现，还需对系统的结构、构造与分析的流程、系统与人及还需对系统的结构、构造与分析的流程、系统与人及物理世界的交互等建立多层次的系统观。物理世界的交互等建立多层次的系统观。 2.基于系统观的理论与实践的结合基于系统观的理论与实践的结合 教学不仅应该理论与实践相结合，还要实现不同课程教学不仅应该理论与实践相结合，还要实现不同课程之间的理论与实践相结合。之间的理论与实践相结合。 不仅需理解同一门课、同一个知识领域内理论与实践不仅需理解同一门课、同一个知识领

6、域内理论与实践之间的相互作用，还需理解跨课程、跨知识领域的理之间的相互作用，还需理解跨课程、跨知识领域的理论与实践的相互作用。论与实践的相互作用。 离散离散数学中的图论理论有助于学生理解软件工程中的数学中的图论理论有助于学生理解软件工程中的项目时间管理。项目时间管理。 一门课程的实验能否成为下一门课的实验基础？一门课程的实验能否成为下一门课的实验基础？ 几门课程的实验能否成为最终的产品？几门课程的实验能否成为最终的产品？ 3.具备基于系统观的问题求解能力具备基于系统观的问题求解能力 综合运用多门课程的知识点解决实际问题，对所开发综合运用多门课程的知识点解决实际问题，对所开发的系统的功能、可用性

7、、性能等进行定量和定性评估的系统的功能、可用性、性能等进行定量和定性评估，能对问题给出多种求解方案，并综合考虑多种因素，能对问题给出多种求解方案，并综合考虑多种因素来选择解决方案，而不仅仅根据技术因素进行选择。来选择解决方案，而不仅仅根据技术因素进行选择。 为了培养基于系统观的问题求解能力，对已有课程进为了培养基于系统观的问题求解能力，对已有课程进行整合，通过大类课程组的形式对课程的架构和建设行整合，通过大类课程组的形式对课程的架构和建设进行整体设计，以提高学生对知识的综合利用能力，进行整体设计，以提高学生对知识的综合利用能力，通过跨课程的项目通过跨课程的项目来来培养培养学生学生系统化求解问题

8、能力。系统化求解问题能力。 4.课程体系的系统构建课程体系的系统构建 剖析现有课程及知识点，参照剖析现有课程及知识点，参照cs2013, 计算机科学技术专业，专业基础三大计算机科学技术专业，专业基础三大类：类： 数学类，程序设计与算法类，系统类数学类，程序设计与算法类，系统类 计算机网络，数据库，软件工程这些计算机网络，数据库，软件工程这些就是专业课，就是专业课， 供选择的系列方向课和选修课供选择的系列方向课和选修课大系统观CS2013 数学分析 线性代数 概率论与数理统计数学类课程数学类课程 程序设计实践 数据结构、 离散数学 算法设计与分析程序设计与程序设计与算法类课程算法类课程 数字逻辑

9、与部件设计 计算机原理 操作系统 计算机体系结构 编译原理系统类课程系统类课程 培养目标培养目标 三、系统观角度构建各大类的知识图谱三、系统观角度构建各大类的知识图谱 通过跨课程的统一规划和设计，将同一个项目在不通过跨课程的统一规划和设计，将同一个项目在不同课程中从不同方面做深做透，充分利用课程跨度同课程中从不同方面做深做透，充分利用课程跨度完成系统能力的培养和锻炼。完成系统能力的培养和锻炼。 理顺各实践内容的相互关系，充分利用课程资源，理顺各实践内容的相互关系，充分利用课程资源，减少重复性实践，解决以往计算机实验教学中存在减少重复性实践，解决以往计算机实验教学中存在的各门课程实验各自为政，课

10、程内部实验教学与理的各门课程实验各自为政，课程内部实验教学与理论教学脱节、实践项目之间完全独立导致学生任务论教学脱节、实践项目之间完全独立导致学生任务繁重而缺乏延续性等弊病。繁重而缺乏延续性等弊病。 兼顾各课程内容兼顾各课程内容及自己的体系及自己的体系，加强各课程间的交加强各课程间的交流合作。流合作。 对对同一大类同一大类课程的内容通盘考虑，课程的内容通盘考虑，要保证各课程本身的完整要保证各课程本身的完整性，性，也要也要考虑各课程之间内容的相关性，保证各课程知识点考虑各课程之间内容的相关性，保证各课程知识点协调一致，协调一致，少重叠，不遗漏。少重叠，不遗漏。 1.程序设计与算法类课程的整合程序

11、设计与算法类课程的整合 明确明确各自各自内容和实验要求内容和实验要求 考虑考虑到到程序设计课程是技术大类统一的要求，要兼顾知识性、程序设计课程是技术大类统一的要求，要兼顾知识性、启蒙性、趣味性于一体，根据课时进度情况，适当安排部分启蒙性、趣味性于一体，根据课时进度情况，适当安排部分知识点到程序设计实践。知识点到程序设计实践。 可以保证关键知识点不遗漏，不影响后继课程数据结构对这可以保证关键知识点不遗漏，不影响后继课程数据结构对这两门课程的知识点要求两门课程的知识点要求 明确明确数据结构与程序设计数据结构与程序设计及实践及实践的知识点，合理安排好课程的知识点，合理安排好课程内容。数据结构课程老师

12、要了解前两门课程的内容和要求，内容。数据结构课程老师要了解前两门课程的内容和要求，在此基础上明确数据结构课程的要求。在此基础上明确数据结构课程的要求。 实验要求来讲，程序设计课程实验应该结合课程进度，完成相实验要求来讲，程序设计课程实验应该结合课程进度，完成相关几个小实验，同时可以设计考虑这些小实验又可以组合成完关几个小实验，同时可以设计考虑这些小实验又可以组合成完整的大实验，而且这个实验也可以延续到程序设计实践这门课整的大实验，而且这个实验也可以延续到程序设计实践这门课 设计棋类游戏项目，程序设计课程可以关注于棋盘的表示、下设计棋类游戏项目，程序设计课程可以关注于棋盘的表示、下棋规则的表示等

13、具体问题，使得学生学习如何从计算机的角度棋规则的表示等具体问题，使得学生学习如何从计算机的角度对现实中的问题进行转化，课程中随着课程内容的进展还可以对现实中的问题进行转化，课程中随着课程内容的进展还可以一题多解，给出各种各样的表示方法。如刚学习变量及运算符一题多解，给出各种各样的表示方法。如刚学习变量及运算符时，可以使用二进制表示棋盘，学习数组后，可以使用数组表时，可以使用二进制表示棋盘，学习数组后，可以使用数组表示棋盘，学习指针后，则可以通过指针表示棋盘。这些具体问示棋盘，学习指针后，则可以通过指针表示棋盘。这些具体问题组合后可以形成完整的棋盘程序，为了达到启蒙性、趣味性题组合后可以形成完整

14、的棋盘程序，为了达到启蒙性、趣味性的效果，可以不要求学生完成所有部分，而是由教师给出程序的效果，可以不要求学生完成所有部分，而是由教师给出程序模板，比如主要界面等，只重点训练模板，比如主要界面等，只重点训练相关知识点，相关知识点，这样学生可这样学生可以快速地体验到成功的感觉。有余力的学生则可以修改教师的以快速地体验到成功的感觉。有余力的学生则可以修改教师的模板进行更自由的开发。模板进行更自由的开发。 同样的棋类游戏，程序设计实践课程则可以侧重于同样的棋类游戏，程序设计实践课程则可以侧重于完整的开发、代码的组织、完整的测试、开发工具完整的开发、代码的组织、完整的测试、开发工具中各种编辑和调试的高

15、级功能的使用，并需要将软中各种编辑和调试的高级功能的使用，并需要将软件各个部分整合在一起实现完整的项目、进行集成件各个部分整合在一起实现完整的项目、进行集成测试。测试。 算法设计与分析课程则需要学生自己利用所学到的算法设计与分析课程则需要学生自己利用所学到的链表、图等知识来表示棋盘和判断落子是否合乎规链表、图等知识来表示棋盘和判断落子是否合乎规则，并根据不同的棋类特点选择最优的数据结构和则，并根据不同的棋类特点选择最优的数据结构和算法，将所学的算法具体应用来解决棋类游戏的各算法，将所学的算法具体应用来解决棋类游戏的各种设计问题，甚至需要自己设计算法。种设计问题，甚至需要自己设计算法。 离散数学

16、图论中部分内容离散数学图论中部分内容和和数据结构数据结构以及算法以及算法设计与分析设计与分析重叠，就要明确这重叠，就要明确这三三门课程在相关门课程在相关内容上的侧重点，如离散数学应该侧重图论算内容上的侧重点，如离散数学应该侧重图论算法的正确性证明，而数据结构则应侧重于算法法的正确性证明，而数据结构则应侧重于算法实现和应用，实现和应用，算法设计与分析则应考虑算法的算法设计与分析则应考虑算法的复杂性分析，以及更优算法问题。复杂性分析，以及更优算法问题。 都会介绍都会介绍Huffman算法，算法，离散数学是算法准确离散数学是算法准确性证明，数据结构是算法实现以及利用算法构性证明，数据结构是算法实现以

17、及利用算法构建压缩软件，而算法设计与分析则是把它建压缩软件，而算法设计与分析则是把它作为作为贪心法设计思想的例子引入进来，贪心法设计思想的例子引入进来，并分析并分析采用采用最小堆数据结构来实现时的时间复杂度等。最小堆数据结构来实现时的时间复杂度等。 最小生成树的最小生成树的Kruskal算法，算法，离散数学是正确离散数学是正确性证明，数据结构是如何实现，而算法设计性证明，数据结构是如何实现，而算法设计则针对数据结构实现方法，则针对数据结构实现方法，分析时间复杂度。分析时间复杂度。 算法分析和数据结构算法分析和数据结构都会介绍散列都会介绍散列(哈希哈希)表表数据结构，数据结构，算法设计课程则重点

18、在算法设计课程则重点在全域散列全域散列函数的性质及构造，函数的性质及构造，介绍介绍Bloom过滤器以及过滤器以及如何来求频繁元素等，如何来求频繁元素等， 各课程通过似乎是重叠的知识点建立了联系，各课程通过似乎是重叠的知识点建立了联系，又肩负着同一知识点的不同任务，相互补充又肩负着同一知识点的不同任务，相互补充 2.建立系统类课程的系统观建立系统类课程的系统观 打造数字逻辑与部件设计，计算机原理，操打造数字逻辑与部件设计，计算机原理，操作系统，计算机体系结构，编译原理等系统作系统，计算机体系结构，编译原理等系统类课程的系统观。类课程的系统观。 数字部件数字部件及其实验及其实验(大二上大二上) 计

19、算机原理计算机原理及其实验及其实验(大二下大二下) 操作系统操作系统及其实验及其实验(大三上大三上) 计算机体系结构计算机体系结构及其实验及其实验(大三下大三下) 编译原理编译原理及其实验及其实验(大四上大四上) 协调各门课程的内容划分和重点协调各门课程的内容划分和重点 根据知识点和学科规律，确定内容重点根据知识点和学科规律，确定内容重点 最大限度地减少课程间的内容重复，节省出来的最大限度地减少课程间的内容重复，节省出来的时间用于案例分析和研讨式拓展（时间用于案例分析和研讨式拓展（创新创新） 尽量避免由于过去内容重叠导致的实际空缺现象尽量避免由于过去内容重叠导致的实际空缺现象彼此都认为对方会详

20、细介绍（彼此都认为对方会详细介绍（补漏补漏） 调整各门课程的教学计划调整各门课程的教学计划 课程课程知识知识点点数字部件数字部件(大大二上二上) 唐唐计算机原理计算机原理(大大二下二下)操作系统操作系统 (大大三上三上)计 算 机 体 系计 算 机 体 系结构结构(大三下大三下) 编译原理编译原理(大四大四上上)存储体系存储体系寄 存 器 概 念寄 存 器 概 念引入引入,基本实基本实现现: 数据数据, 移移位位实现实现使用角度使用角度通用通用, 专用寄存专用寄存器器现场保护现场保护; 函数函数调用调用X86系统惯例系统惯例PC, PSW, X86上实现上实现页表基址寄存页表基址寄存器器现场保

21、护现场保护X86体系体系, 页页C20, Cache 设计设计乱序乱序, 一致存一致存储储, 非一致存非一致存储储CacheCache局部性原理局部性原理软软Cache实验实验Pipeline命名级命名级PipelineCache硬件实硬件实现现 课程知识点数字部件(大二上) 计算机原理(大二下)操作系统 (大三上)计算机体系结构(大三下)编译原理(四上)内存内存静态分配; 动态分配; 内碎片, 外碎片;Sweeping, 最佳适配常 规 内 存 丢掉虚存虚存局部性原理对速度影响虚存重点讲页,段硬盘第三级存储器中断每个指令周期的最后一个: 中断DMA: 概念, 中断最后一个; 外设IO设备驱动

22、软 件 和 方 法体系磁盘调度RAIDNASDASIO存储体系 课程课程知识知识点点数 字 部 件数 字 部 件(大二上大二上) 计 算 机 原 理计 算 机 原 理(大二下大二下)操 作 系 统操 作 系 统 (大三上大三上)计算机体系计算机体系结构结构(大三下大三下) 编译原理编译原理(大四大四上上)指令指令时 钟 周 期时 钟 周 期 , cost因素因素; 资资源使用源使用内存访问内存访问, 寄寄存器访问的差存器访问的差异异; 为何为何 X1, X10量化分析量化分析50条指令集条指令集给编译给编译写清参数给写清参数给原理原理如 何 用如 何 用 ; 规规划划指令选择指令选择文件文件进

23、程进程处理器处理器多核多核线程线程概念概念一致性一致性量化分析量化分析 课程实验联系，延续，打通课程实验联系，延续，打通 进度问题，最后几周进度问题，最后几周的的教学教学内容内容，实验很难，实验很难去布置，可以布置任务，作为下一门课程实去布置，可以布置任务，作为下一门课程实验的开始及基础验的开始及基础 计算机原理，操作系统，编译原理计算机原理，操作系统，编译原理 CPU,操作系统，跑编译操作系统，跑编译 前导：数字部件，前导：数字部件， 中间：系统中间：系统结构结构 配套配套进来进来，形成，形成完整的系统架构完整的系统架构 四、大系统观角度跨类构建课程内容四、大系统观角度跨类构建课程内容 除了

24、大类内部的系统建设，也要考虑大类之除了大类内部的系统建设，也要考虑大类之间，以及与其他方向课、选修课的关系间，以及与其他方向课、选修课的关系 对于数学分析，除了考虑自己本身的完整性，对于数学分析，除了考虑自己本身的完整性，概率统计中要用到的知识点之外，还要考虑概率统计中要用到的知识点之外，还要考虑后继其他计算机专业课程的需求后继其他计算机专业课程的需求 数学与计算机科学有着密切的联系，有些基数学与计算机科学有着密切的联系，有些基础数学知识会影响到计算科学的各个领域，础数学知识会影响到计算科学的各个领域，有些则只和计算科学的特定领域相关。有些则只和计算科学的特定领域相关。CS2013将计算机科学

25、对数学的要求列为主要将计算机科学对数学的要求列为主要挑战之一。挑战之一。 信号与系统，富里埃变换，信号与系统，富里埃变换，数学分析中的数学分析中的富富里埃变换里埃变换，富里埃富里埃级数级数 模式识别，模式识别，需要需要线性代数，概率统计线性代数，概率统计知识，知识， 计算机图形学课程中图形变换知识点需要用计算机图形学课程中图形变换知识点需要用到线性代数中矩阵计算知识点到线性代数中矩阵计算知识点 一些知识点在多门课程中都会用到一些知识点在多门课程中都会用到 离散数学离散数学中最短路径知识点在计算机网络课中最短路径知识点在计算机网络课程计算路由的知识点中需要用到，在算法设程计算路由的知识点中需要用到，在算法设计与分析课程中分析最短路径算法时也需要，计与分析课程中分析最短路径算法时也需要，在软件工程课程的项目时间管理知识点中也在软件工程课程的项目时间管理知识点中也需要。需要。 数据库引论课程中关系范式理论知识点需要数据库引论课程中关系范式理论知识点需要用用到到离散离散学中数理逻辑和集合论知识点