面向系统设计能力培养教学改革探索

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1、面向系统设计能力培养教学改革探索　　文章编号：1672-5913（2013）2049070-07中图分类号：G642摘要：随着信息技术快速发展，计算机新兴硬件器件及系统设计工具不断涌现，国内外计算机学科教育面临着挑战和机遇。传统课程体系以单门课程为中心，课程之间缺少衔接，学生难以深入理解计算机系统技术，不适应技术发展和社会需要。文章介绍浙江大学计算机学院面向系统设计能力培养的教学改革，采用软硬件课程融会贯通的方法，以数字逻辑设计、计算机组成、操作系统、编译技术等课程为主线，以系统设计能力为统一视图，建立层次化、循序递进。开放式

2、课程群的课程体系和实践体系。关键词：系统设计能力；软硬件贯通教学；教学体系1计算机学科教学面临的挑战和机遇17当今世界新技术和新产业迅猛发展，信息产业正成为引领未来经济社会发展的重要力量。信息技术与生物技术、新材料技术、新能源技术的交叉融合和突破，将引发新的产业革命，令计算机学科的教学面临巨大挑战。进行软硬件贯通和面向系统设计能力培养的教学改革，能让学生深入理解计算机，具有利用计算机系统观解决实际问题的能力并提升整体素质，适应社会对人才的需求。这项教学改革在国内具有创新示范作用和重要意义。1）面临的挑战。（1）计算架构多样化：

3、①SSD、PCM、GPU、FPGA等新器件层出不穷；②模拟、仿真、可编程硬件、可模拟网络系统等新工具应运而生；③CUDA、Hadoop、MapReduce等新编程语言框架让人应接不暇。（2）软硬件协同设计成为主流：①硬件、操作系统、编译器、并行计算关系更密切；②硬件多核及并行架构需要支持高效程序运行，编写高效程序必须了解计算机底层结构。（3）计算机应用问题更复杂，领域更广：①高性能计算；②大数据处理；③大型系统开发与维护；④智能（嵌入式）系统开发等。这些挑战使得高校人才培养与社会对人才需求之间的差距有不断加大的趋势。摆在高校教

4、师面前的迫切任务是如何改变这种局面，以提升硬件和系统类课程的教学质量和效果，提高学生实践能力并激发其兴趣，解决计算机专业学生应该具备怎样的计算机系统知识、教师应该采用什么样的培养方式和如何适应社会对人才的需求等问题。2）存在的机遇。EDA技术的发展降低了硬件设计和应用的难度，更有利于计算机学科（科学、工程、软件）深入运用硬件研究和实现体系结构的创新和优化。硬件描述语言（hardware17discribelanguage）、SystemC及仿真技术令计算机学科从系统层研究到软硬界面的硬件方向研究进了一大步。计算机体系结构的发展

5、使得师生在系统层教学和科研成为可能，RISC设计思想使CPU设计变化更容易实现，尤其是在嵌入式系统需求上。FPGA器件采用计算机辅助硬件设计，为开展计算机和软件专业能力型人才培养教学提供非常有效的工具，同时拓宽学生的就业领域，加强计算机硬件人才、软硬件复合型人才和研究型人才的培养，满足企业对于高质量的计算机人才的要求。3）现状分析。美国一流大学计算机系统相关课程设置各具特色。MIT采用BOTTOM-UP的设计方法，以汇编为中心，强调底层涉及硬件与操作系统的接口。UCBerkeley采用TOP-DOWN的设计方法，以不同粒度的并

6、行为线索设计各个层次，实验跨度比较大。StandfordUniver曲和CMU采用，TOP-DOWN的方法，强调从程序员角度看到的底层内容，重点为C语言的底层支持、程序优化、存储器分配管理。它们有一个最大的共同点就是非常重视实验动手能力，尽量做到课程群之间实验内容前后贯通和实验平台二致。17浙江大学计算机学院从20世纪90年代起就酝酿和实施计算机硬件系统课程的教学改革，多年来坚持围绕“面向系统设计能力培养”这一课程建设核心，以计算机系统设计与实现的实践过程为手段，以深入理解计算机系统和高性能程序设计为目标，以数字逻辑设计、计算

7、机组成、操作系统、编译技术等课程为主线，以系统设计能力为统一视图，建立层次化、循序递进、开放式课程群的课程体系和实践体系。近年来，改革小组相关教师数十次参加全国性计算机系统相关教学研讨会，举办计算机系统设计师资培训班，编写出版系列化教材，受邀参加教育部国家教学指导委员会计算机专业委员会的邀请，参与面向系统设计能力培养的研究报告并取得良好效果。国内其他高校对于面向系统设计能力培养这一观点逐渐形成共识，一些重点高校正在开展相关的教学改革。2面向系统能力培养的关键问题面向系统能力培养的教学改革是一项综合性的改革工程，涉及内容、体制、

8、方法等各方面，重点在教学体系、课程体系、实验体系等方面探索新的方法和手段，关键问题主要有以下几个方面。1）如何以系统设计为统—视图建立课程体系。17面向系统设计能力培养进行教学改革涉及硬件类和系统软件类很多课程，必须采用软硬件课程贯通的整体设计思路和统一目标视图，汇总核心课程