计算机专业系统能力培养现状和发展课件

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

计算机系统能力培养

现状和发展王志英目录引言系统能力培养培养试点工作提出的改革需求有关思考目录引言

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提出了新的要求和挑战。

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，引言目前国内许多高校正在进行系统能力培养有关课程体系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本届教指委组织了研究组展开计算机专业学生系统能力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强化与提升。

系统能力培养系统能力的主要内涵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、UCBerkley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种系统能力培养模式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1、《深入理解计算机系统》RandalE.Bryant,DavidR.O‘Hallaron,ComputerSystems:AProgrammer’sPerspective（CMU1-213,StanfordCS107）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1、《深入理解计算机系统》系统能力培养2、《计算系统概论》YaleN.Patt,SanjayJ.Patel，

IntroductiontoComputingSystemsfromBitsandGatestoCandBeyond（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2、《计算系统概论》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3、《计算机系统基础》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计算机系统分析、设计、优化和检错能力是计算机专业专长系统能力4、系统实践核心课程群：数字逻辑、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4、系统实践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系统能力培养现代计算机系统的3个主要部分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

2008-2013ARM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的飞速发展可穿戴设备市场领军>70%智能TV网络基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？

控制器设计是否可行？

CPU实现是否可行？CPU验证是否可行？ARM可行性分析是否达到原理课程设计的教学目标？是否可行？ARM详细规划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从2个方面进行系统能力培养试点工作：培养试点工作1培养试点工作1计算机专业系统能力培养现状和发展课件计算机专业系统能力培养现状和发展课件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试点工作的依据和目标培养试点工作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，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，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，提出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、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评审标准：培养试点工作2安徽大学实现数字逻辑、计算机组成、编译原理、操作系统系列核心课程的打通北方民族大学1）建设计算机系统基础课程；2）打通汇编语言、操作系统、组成、编译等专业核心课程，形成完整的系统能力培养课程体系。北京电子科技学院1）增开计算机系统基础课程；2）以CPU设计为核心，打通计算机组成、编译、操作系统课程北京科技大学调整完善现有专业核心课程体系，加强课程之间的关联关系，有效建立计算机系统的认识，并能将知识转化为解决复杂工程问题所必须的能力，设计良好的各类实践项目。大连海洋大学探索地方性本科院校的系统能力培养体系，本项目期着重在第一层和第二层课程的打通培养试点工作2--专业综合改革安徽大学实现数字逻辑、计算机组成、编译原理、操作系统系列核心东北大学1）开设计算机系统基础课程；2）打通组成、操作系统、编译课程；3）开拓第三层课程东北林业大学1）开设系统基础课程；2）改造操作系统课程，3）完善移动开发系列课程改革复旦大学1）加强计算机系统课程建设，扩充必要传统系统课程的基本知识和最新研究进展内容；2）重新建设传统系统课程；3）开设提升学生系统全局观的实验课程。哈尔滨工业大学1)以构建一个完整的计算机系统为主线，实现面向复杂问题求解、学生学习成效驱动的计算机系统能力培养，打造计算机系统与系统软件课程群;2)建设一套以Xilinx公司的ISE为软件实验环境和SpartanFPGA芯片为主的统一实验教学平台；3)建立以C程序设计语言为核心，关联底层、中间层、桥接顶层的综合性课程体系。培养试点工作2--专业综合改革东北大学1）开设计算机系统基础课程；2）打通组成、操作系统、哈尔滨师范大学通过计算机系统能力课程群和各专业的特色课程群建设，融会贯通各个模块的课程内容，突出学生贯通能力和系统能力的培养目标。合肥工业大学1）增设计算机系统基础课程2）打通第二层课程，完成CPU设计、编译器设计、操作系统设计湖北工业大学

以系统能力培养为核心，形成以计算机体系结构和移动互联网为代表的硬软两个专业方向，并建设相应的课程体系和课程群。华东师范大学以系统能力培养理念为核心，开展嵌入式专业方向建设，涵盖嵌入式系统规范与建模理论、软硬件协同设计方法、嵌入式系统设计与智能终端开发技术系列课程华中科技大学数字逻辑、计算机组成、系统结构、编译原理、操作系统等课程的贯通；系统基础为选修课培养试点工作2--专业综合改革哈尔滨师范大学通过计算机系统能力课程群和各专业的特色课程群建华中农业大学1）增开计算机系统基础课程，2）重组数字逻辑、组成、编译、操作系统课程；3）增开嵌入式、大数据、生物信息等方向性课程吉林大学结合自身定位与特色，研究如何重构计算机专业课程体系。以培养解决复杂工程问题能力为导向，整合课程设置，重组教学内容，更新教学模式，改革教学方法。形成新的本科培养方案。金陵科技学院1)构建应用型高校系统能力培养课程体系；2）构建基于系统能力培养的实践教学体系；3）建设系统能力达成度评价模型南昌大学融合贯通计算机组成、数字逻辑设计、操作系统、计算机网络和编译原理等课程，建立系统观知识体系南京航空航天大学参照教指委系统能力培养的课程体系要求进行系统能力改革，已按照北航、南大的模式进行中，后续会向江苏省推广培养试点工作2--专业综合改革华中农业大学1）增开计算机系统基础课程，2）重组数字逻辑、组南京理工大学提出并实施面向系统能力培养的软硬贯通课程群体系，包括工程科学原理课程群、系统硬件课程群、系统软件课程群、软硬贯通专业课程群和软硬贯通实践课程群。南京林业大学面向系统观，改造计算机系统基础课程，形成“计算机系统基础——程序设计——数据结构与算法——数据库系列”的课程体系南京师范大学1）增开计算机系统基础课程，2）重组数字逻辑、组成、编译、操作系统等核心课程南开大学首期在物联网工程专业进行《计算机组成原理》、《操作系统》和《计算机体系结构》等课程的改革和贯通青海大学1）完善“计算机系统平台课程”；2）以此课程为主线，向前打通程序设计、数据结构、算法课程，强化问题求解能力；向上拓展大数据、云计算相关课程培养试点工作2--专业综合改革南京理工大学提出并实施面向系统能力培养的软硬贯通课程群体系，上海电机学院以系统能力为目标，构建应用型高校的嵌入式系列课程体系武汉纺织大学在第一层开设计算机系统基础结构课程。在第二层打通操作系统、编译原理和计算机组成原理三门课程。建立计算机的基本组成原理、内部工作机制、编译程序的算法和技术、资源管理和控制等课程体系和质量监控评价体系。西北工业大学1）打通核心课程知识体系，狠抓系统能力；2）打通《计算机组成与系统结构》《操作系统》《编译原理》《计算机网络》课程；3）搭建相应实践平台郑州大学1）新增系统基础课程，2）改造计算机组成课程等核心课程，3）建设嵌入式方向课程中国石油大学（华东）1）增设系统基础课程，2）打通操作系统、编译和硬件相关课程培养试点工作2--专业综合改革上海电机学院以系统能力为目标，构建应用型高校的嵌入式系列课程重庆大学1)形成计算机系统能力（《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》）与网络系统能力两大课程群的课程培养方案；2）基于Xilinx等系列和相关产品建立计算系统能力培养综合实验平台与网络系统能力培养综合实验平台。大连外国语大学、武汉科技大学、武汉大学联合申报1）采用多校合作的方式，探索系统能力培养理念下嵌入式系统方向系列课程及其相关基础课程的培养路径。2）增设系统基础课程；3）开设嵌入式系统基础、嵌入式系统开发、智能系统原理与设计等系列课程；4）利用ARM、INTEL等主流厂商产品构建实验平台湖北文理学院在《计算机组成与体系结构》课程教学系统中引入系统思维，培养学生的系统能力，帮助学生建立“从程序员视角理解计算机硬件系统设计，从硬件设计的视角理解程序设计与执行”的思想，建立扎实的计算机系统概念培养试点工作2--课程改革重庆大学1)形成计算机系统能力（《数字逻辑》、《计算机组成原湖南大学采用“深入理解计算机系统”改造计算机组成课程，再逐步改造编译系统、操作系统,网络、计算机体系结构等课程济南大学1）增加计算机系统基础课程；2）强化计算机硬件课程群课程（包括电路与数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构、ARM处理器原理及应用、嵌入式系统设计、硬件描述语言等课程）；3）以设计CPU为目标实施实践环节山东大学1）对课程“计算机系统原理”的教学内容及实验平台进行改革；同时通过开放的实验平台、丰富的实验课程构建学生对计算机系统的认知。2）以系统能力为核心，构建网络课程群培养试点工作2--课程改革湖南大学采用“深入理解计算机系统”改造计算机组成课程，再逐步太原科技大学以系统能力培养为核心，进行计算机组成课程改革天津大学以嵌入式计算系统构建为目标，结合系统能力培养的理念，重新整合优化“计算机组成原理、计算机设计与调试、计算机系统设计、VLSI系统设计”四门课程的理论教学及实践教学天津大学仁爱学院将C语言、数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言、计算机微机接口技术等课程重新整合，建设“计算机系统基础”课程，围绕C语言程序的编译、链接和执行，从系统层面帮助学生形成计算机学科完整的知识体系武汉大学进行数字逻辑、系统基础、计算机组成、微机原理与接口、体系结构、嵌入式的硬件系列课程改革培养试点工作2--课程改革太原科技大学以系统能力培养为核心，进行计算机组成课程改革天津培养试点工作2--课程改革扬州大学对计算机专业中的硬件系列课程《数字电子技术基础》、《计算机组成原理》、《汇编语言程序设计》和《微机原理及应用》等课程进行整合、优化，形成完整的计算机“系统观”概念。增加《Verilog数字逻辑电路设计》课程。以CPU设计为目标改革组成课程中国海洋大学改造计算机组成课程，按照北航的思路实现CPU设计培养试点工作2--课程改革扬州大学对计算机专业中的硬件系列课提出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、北航、北大、南大、上交大等先进经验很