摘要： “中国制造2025”的提出，给新工科背景下的计算机系统能力增加了新的内涵。该文介绍了我校以“数字逻辑”“计算机系统基础”“计算机组成与系统结构”三门课程的课程群为主线，调整教育培养的目标，在理论知识和实践能力培养中建立课程之间的相关性;又通过“以赛代教”的学科比赛方式，提高学生的学习能动性。
关键词：系统能力;新工科;本科计算机专业
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）03-0124-02
1 前言
“中国制造2025” 是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，其中涉及新一代信息技术产业。2018年3月教育部办公厅发文《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》，推动我国从制造业大国向制造业强国迈进。教育部副部长林蕙青在大会上强调，大力发展新工科 （Emerg-ing Engineering Education，3E）的建设，可以探索出具有国际水平的中国特色的工程教育体系，其推动了我国工程教育的发展，并可培养出具有我国特色的工程技术人才。
新工科的专业包括物联网工程专业、光电信息科学与工程专业、计算机科学与技术专业、数字媒体技术专业数据科学与大数据技术专业、机器人工程专业、智能电网信息工程专业、智能科学与技术专业、智能建造专业等。其中，计算机科学与技术是新工科体系中的重要学科，其与其他学科交叉，形成“计算机+”的新专业，因此，以新工科为基础的计算机专业的学生应该具有厚重的专业基础和实践能力，才能成为卓越工程科技人才。
系统能力包括两个方面：系统知识的掌握与工程实践能力。系统知识的掌握主要针对计算机核心系统的工作原理、体系结构、软硬件合作协同、层次间逻辑关联转换;工程实践能力体现在用工程方法开发计算机应用系统等方面[1]。系统能力培养的加强主要表现在以下几个方面：升级改造当前高等学校的计算机类专业教育;推动高新技术与计算机类专业的知识、体系结构、素质要求深度融合;探索计算机类专业升级改造的实施步骤;提高学生适应新经济发展的整体能力和综合素质[1]。
2 现状
我国拥有世界上最大规模的工程教育。以2016年为例，本科在校生工科专业为538万人，其毕业生123万人，专业布点就高達17037个，高等教育在校生总数的三分之一为工科专业学生。工科建设中数量最多且影响最大的专业为计算机专业。在新工科的计算机类专业建设和教育提升中，系统能力培养是非常关键的重要内容，系统能力培养具有举足轻重的迫切需求[2]。
在新工科建设的大环境下，当前计算机科学与技术专业学生必备的基础能力为计算机系统能力，但是目前，国内大部分高校的计算机类专业教学对系统能力的培养重视程度不够，培养的学生在系统能力方面存在一些问题，且达不到新工科对人才需要的要求。主要体现在以下几个方面：首先，建立不了的计算机系统概念，不能全面解决系统层面的问题;其次，掌握计算机系统的核心内容不够充分，大部分学生难以完成复杂的软/硬件协同设计任务;第三，因专业基础课程之间内容缺乏联系性，所导致在处理大型设计问题分析、设计时，大部分学生是手足无措;最后，缺乏系统性的综合实践环节，导致了在系统实践相关课程中学生动手能力较差，甚至出现无从下手的局面，越差越怕动手的恶性循环。
新工科“计算机+”交叉学科的新专业的发展是必然趋势，系统能力欠缺的学生是无法适应其发展。只有新工科计算机类系统能力培养的加强，方可推动高新技术与计算机类专业的知识、能力、素质要求深度融合;进行计算机类专业改造升级的实施路径的探索，方可提高学生适应新经济发展的整体素质和能力。那么，在新工科背景下计算机系统能力的新内涵是什么？培养体系或培养方法是什么？我们对师资队伍的建设又要注意哪些呢？
3 系统能力培养现状及问题
目前在我国一些知名高校中，如清华大学、北京航空航天大学、国防科技大学、南京大学、西北工业大学等，正在积极进行系统能力培养的实践与探索。比如南京大学袁春风教授，其在多年的计算机专业教学实践中得出了宝贵的经验，她认识到传统的计算机课程体系中，缺少了帮助本科生建立硬件与软件相关联的课程，他们对计算机系统中一些非常重要的基本概念缺乏深入理解。比如，大部分学生无法准确地描述出指针变量的硬件实现过程;而栈、递归概念更像是在“变魔术”难以深刻理解。所以袁春风教授亲自编写了计算机类专业系统能力培养系列教材----《计算机系统基础》，并且所授课程相关资料已在Coursera平台上线。她认为在计算机专业教学中必须树立系统观（如图一所示），培养学生独特而全面地系统眼光。面对不同的问题提出，学生应该学会站在各个层面上去把握各个层次上的系统，并学会系统全面地考虑计算机系统各部件与外界的逻辑与关联，能够完成一定规模的系统设计。该课程站在程序员层面上，重点介绍如何利用计算机系统知识来编写出效率高的程序代码，并且以C语言程序开发作为一条主线，将该开发过程中常见的环节所涉及的硬件和软件概念联系到一起，可以让学生更好地理解计算机系统中的每一个抽象层与其涉及的相互转换关系（如图1所示），为后续课程打下了坚实基础。
4 我校课程改革情况
我校建立了计算机专业的系统能力培养的课程群，主要有三门课程进行了改革（如图2所示），具体如下：
1）数字逻辑
该课程是计算机、电子信息相关IT专业的专业基础课及必修主干课程。其主要内容包括逻辑基础知识、组合逻辑、时序逻辑、编程逻辑，以及逻辑分析设计方法、芯片应用能力，是硬件相关课程的基础和先导。我们选择的是课程群老师编写的《数字逻辑（第三版）》，该课程有两大特点：第一在原来的基础上增加了小视频的资源，书上每个章节重要知识点附近附有二维码，通过手机扫描就可以看见相关视频教学，每个视频在1-2分钟，短小而生动，大大增加了学生的学习兴趣。第二在传统的数字逻辑电路的基础上，又增加了HDL设计。现代逻辑（编程逻辑）设计方法学与传统逻辑（组合逻辑、时序逻辑）相比，提高了对象描述的抽象性，与EDA技术相结合，不仅能够进行系统级对象设计，还可以高效实现。
2）计算机系统基础
该课程是计算机科学与技术专业的专业必修课。采用由南京大学袁春风教授编写的《计算机系统基础》。该教材将比较难的汇编语言、编译原理、组成原理与系统结构、操作系统等相关基础内容与高级程序语言有机贯穿起来，轻松地建立了完整的计算机系统概念。该课程使学生对计算机系统有整体认识，对后续课程如“计算机组成”“操作系统”等打下坚实基础。
3）计算机组成与系统结构
该课程是计算机科学与技术专业的专业必修课。本课程首先讲授计算机硬件的基本构成和基本设计原理层面，然后着重加强学生的设计能力，利用在“数字逻辑”课程中学到的门电路的知识和HDL语言设计，再加上“计算机系统基础”中对计算机的整体系统观，使用Modelsim软件对计算机各个部件进行仿真测试，比如ALU部件。这样能够让学生全面地理解计算机系统的实现机理。
4）紧跟学科竞赛发展，“以赛代教”
为了让数字逻辑、计算机系统基础和计算机组成与结构3门课程中的实验内容能够很好地衔接，课程组教师们编写了基于FPGA开发系统的综合实验内容，让部分优秀学生先在传统的实验平台上从门电路开始设计基本功能部件，然后再以HDL语言为基础设计存储部件和外围接口和CPU，最终将存储部件、I/O接口和CPU通过总线互连成为一个简单完整的计算机硬件系统。
为了提高学生的计算机系统能力，学院还鼓励指导教师带领学生参加学科竞赛，紧跟学科前沿。2017年5月报名参加了第一届“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛，本次大赛共有40多所高校近70支队伍参赛，参赛学生近280人，指导老师近140人。我校代表队4名同学进入了前二十名，参加了9月在北航的决赛，最终获得了优胜奖，来之不易。“以赛代教”调动了学生学习计算机硬件的积极性，对学生培养计算机系统能力起着重要的作用。
5 结束语
新工科背景下，计算机系统能力应该是： 1）动态性：以不变应对多变的未来科技发展趋势;2）创新性：继承与创新相结合，以多学科融合为手段;3）多元化：与时俱进，以多元化的创新为目标[3]。
我校以“数字逻辑”“计算机系统基础”“计算机组成与系统结构”三门课程的课程群为主线，再加上“以赛代教”的學科竞赛方式，学生既有了扎实的计算机系统观，又有了实际动手经验，对计算机系统学习的兴趣越来越强。系统能力培养将大幅度地提高计算机类专业人才培养水平和质量，为新工科建设的深入展开打下坚实基础。
参考文献：
[1] 言十.新工科建设与系统能力培养[J].计算机教育，2018（7）：1-4.
[2] 王志英，周兴社，袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013（9）： 1-6.
[3] 葛方振.新工科背景下计算机系统能力培养的重定位思考[J].电脑知识与技术，2017（36）：133-134.
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浅谈新工科下计算机系统能力培养的探索
2019-05-14 来源:电脑知识与技术 作者：王君;谢维奇;何云红
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