计算机专业学生系统能力培养和系统课程设置的研究与进展 摘要：计算机专业学生需要更强调计算机系统能力的培养。计算机专业学生系统能力的核心是通过对基本系统的进一步开发，来构建以计算技术为核心的应用系统。这需要学生更多地关心计算系统的整体特性，也是工程教育特征。相比较其他专业学生的计算机基础和应用能力，计算机专业学生更强调计算机系统能力的培养。本文详细分析研究了目前关于计算机专业学生系统能力培养和系统课程设置的现状、有关问题和发展规划。关键词：系统能力，系统课程Abstract ：The students majoring in computer need to emphasize the development of the ability in computer system level. Its core is to construct a application system based on computer technology through further development of basic system. It requires students to put more attention on the whole characteristics of computer system which is also the feature of engineer education. Compared with students in other majors, students majoring in computer lay more emphasis on their ability in computer system level. This paper searches and analyzes the current development of the system level ability of computer students, the situation of current system curriculum, the related problems and its development plans. 1 引言未来的5-10年是中国将工业化与信息化发展阶段结合起来实现两化融合，利用信息技术与装备，提高资源利用率、改造传统产业、优化经济结构、提高技术创新能力与现代管理水平的关键时期。 而实现这一目标，对于高效利用计算系统的其他传统专业的专业人员需要了解和掌握计算思维，而对于肩负提供智能计算系统责任的计算机专业的专业人员则需要系统级的设计、实现和应用能力。由国防科大、南京大学、西北工业大学、北京大学、南开大学、武汉大学、天津大学等学校有关教授和机械工业出版社华章公司负责人共同进行了关于计算机专业学生系统知识、系统能力和系统课程的研讨。计算机专业学生的系统能力核心是通过对基本系统的进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统。这需要学生更多地关心计算系统的外特性，也是工程教育特征。相比较其他专业学生的计算机基础和应用能力，计算机专业学生更强调计算机系统能力的培养。 2计算技术发展特点分析进入本世纪以来，计算技术正在发生重要发展和变化，在上世纪个人机普及和Internet快速发展基础上，计算技术从初期的科学计算与信息处理正在进入以移动互联、物物相联、云计算与大数据计算为主要特征的新型网络时代，在这一发展过程中，计算技术也呈现出新的系统形态和技术特征。21 四类新型计算系统1）嵌入式计算系统 在移动互联网、物联网、智能家电、三网融合等行业技术与产业发展中，嵌入式计算系统有着举足重轻和广泛的作用。例如，移动互联网中的移动智能终端、物联网中的汇聚节点、“三网融合”后的电视机顶盒等是复杂而新型的嵌入式计算系统；除此之外，新一代武器装备，工业化与信息化融合战略实施所推动的工业智能装备，其核心也是嵌入式计算系统。因此，嵌入式计算将成为新型计算系统的主要形态之一。在当今网络时代，嵌入式计算系统也日益呈现网络化的开放特点。2）移动计算系统 在移动互联网、物联网、智能家电以及新型装备中，均以移动通信网络为基础，在此基础上，移动计算成为关键技术。移动计算技术将使计算机或其它信息智能终端设备在无线环境下实现数据传输及资源共享，其作用是将有用、准确、及时的信息提供给任何时间、任何地点的任何客户，将极大地改变人们的生活方式和工作方式；核心技术涉及支持高性能、低功耗、无线连接和轻松移动的移动处理机及其软件技术。3）并行计算系统 随着半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展，多核/众核处理机硬件日趋普及，使得昔日高端的并行计算呈现出普适化的发展趋势；多核技术就是在处理器上拥有两个或更多一样功能的处理器核心，即将数个物理处理器核心整合在 一个内核中，数个处理核心在共享芯片组存储界面的同时，可以完全独立地完成各自操作，从而能在平衡功耗的基础上极大地提高CPU性能；其对计算系统微体系结构、系统软件与编程环境均有很大影响；同时，云计算也是建立在廉价服务器组成的大规模集群并行计算基础之上，因此，并行计算将成为各类计算系统的基础技术。4）基于服务的计算系统 无论是云计算，还是其他现代网络化应用软件系统，均以服务计算为核心技术。服务计算是指面向服务的体系结构（service oricnted architecturc，SOA）和面向服务的计算（service oriented computing，SOC）技术，其是标识分布式系统和软件集成领域技术进步的一个里程碑。服务作为一种自治、开放以及与平台无关的网络化构件，可使分布式应用具有更好的复用性、灵活性和可增长性。基于服务组织计算资源所具有的松耦合特征使得遵从SOA的企业IT架构不仅可以有效保护企业投资，促进遗留系统的复用，而且可以支持企业随需应变的敏捷性和先进的软件外包管理模式。 Web服务技术是当前SOA的主流实现方式，其已经形成了规范的服务定义、服务组合以及服务访问。22“四化“主要特征 1）网络化 在当今网络时代，各类计算系统无不呈现出网络化发展趋势，除了云计算系统、企业服务计算系统、移动计算系统之外，嵌入式计算系统也在物联时代通过网络化成为开放式系统。也就是讲，当今的计算系统必然与网络相关，尽管各种有线网络、无线网络所具有的通信方式、通信能力与通信品质有较大区别，但均使得与其相联的计算系统能力得以充分延伸，更能满足应用需求，网络化对计算系统的开放适应能力、协同工作能力等也提出了更高的要求。2）多媒体化 无论是传统Intemet应用服务，还是新兴的移动互连网服务业务，多媒体化是其面向人类、实现服务的主要形态特征之一。多媒体技术（Multimedia Technology）是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的新技术。 多媒体技术使计算机可以处理人类生活中最直接、最普遍的信息，从而使得计算机应用领域及功能得到了极大的扩展，使计算机系统的人机交互界面和手段更加友好和方便，非专业人员可以方便地使用和操作计算机，多媒体具有计算机综合处理多种媒体信息的集成性、实时性与交互性特点。3）大数据化 随着物联网、移动互联网、社会化网络的快速发展，半结构化及非结构化的数据成几何倍增长。数据来源的渠道也逐渐增多，不仅包括了本地的文档、音视频，还包括网络内容和社交媒体；不仅包括Internet数据，更多扩展感知物理世界的数据；从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力，称为大数据技术。大数据具有体量巨大、类型繁多、价值密度低、处理速度快等特点，大数据的时代已来临，将给各行各业的数据处理与业务发展等带来重要变革，也对计算系统的新型计算模型、大规模并行处理、分布式数据存贮、高效的数据处理机制等提出新的挑战。4）智能化 无论是计算系统的结构动态重构，还是软件系统的能力动态演化；无论是传统Intemet的搜索服务，还是新兴移动互联的位置服务；无论是智能交通应用，还是智能电网应用，无不显现出鲜明的智能化特征。智能化将影响计算系统的体系结构，软件形态，处理算法以及应用界面等。例如，相对于功能手机的智能手机是一种安装了开放式操作系统的手机，可以随意安装和卸载应用软件，具备无线接入互联网、多任务和复制粘贴以及良好用户体验等能力；相对于传统搜索引擎的智能搜索引擎是结合了人工智能技术的新一代搜索引擎，他不仅具有传统的快速检索、相关度排序等功能，更具有用户角色登记、用户兴趣自动识别、内容的语义理解、智能信息化过滤和推送等功能，其追求的目标是根据用户的请求，从可以获得的网络资源中检索出对用户最有价值的信息。3系统能力的主要内涵及培养需求1）系统能力的主要内涵计算机专业学生的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。这就需要学生更多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。系统观的教育也体现出工程教育特征，相比较其他专业学生的计算机基础和应用能力，计算机专业学生更强调计算机系统能力的培养。因此，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。 2）体现计算技术与信息产业培养需求随着计算机科学与技术的不断进步，新型计算系统应用日益深化，信息产业形态发生重要变化，对计算机专业人才的知识结构与创新能力提出更高的要求。要适应“四类计算系统，四化主要特征”的计算技术发展特点，计算机专业人才培养必须“与时俱进”，体现计算技术与信息产业发展对学生系统能力培养的需求。在教育思想上要突现系统观教育理念，在教学内容中体现新型计算系统原理，在实践环节上展现计算系统平台技术。我们要深刻理解系统化专业教育思想对计算机专业高等教育过程的所带来的影响。系统化教育和系统能力培养要采取系统科学的方法，将对象看成一个整体，追求系统的整体优化；要夯实系统理论基础，使得学生能够构建出准确描述真实系统的模型，进而能够用于预测系统行为；要强化系统实践，培养学生能够有效地构造正确系统的能力。从系统观出发，计算机专业的教学应该注意教学生怎样从系统的层面上思考（设计过程、工具、用户和物理环境的交互），讲透原理（基本原则、架构、协议、编译以及仿真等等），强化系统性的实践教学培养过程和内容。重视信息和计算，并将它们作为不仅仅可以适用于计算机的普遍性的概念；激发学生的辩证思考能力，帮助他们理解和掌控数字世界。4国内外相关研究进展1）ACM/IEEE CS2013 重视系统能力培养1ACM/IEEE最新公布CS2013，其在组织众多计算机教育专家深入调研分析、开展专题研究的基础上，给出了新的教学调整方案。在对原有14个知识域进行适度调整的的基础上，增加了4个新的知识域：，分别是系统基础SF、并行和分布计算PD、基于平台的开发PBD、信息保障和安全IAS，这些都是涉及系统级的内容，由此可见，ACM/IEEE CS2013的重点是进一步强调系统知识和系统能力的培养。 2）专业教指委已开展相关研究2，3教学体系的研究。其中最重要的是增强系统能力，全局地掌控一定规模系统。提出必须树立系统观，培养系统眼光，学会站在不同的层面上去把握不同层次上的系统，多考虑系统各部分及其与外界的逻辑与联系，强调具有一定规模的系统系统设计。明确了计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、系统能力等四大专业基本能力；其中系统能力又细分为系统认知、系统设计、系统开发、系统应用能力，其占4大专业基本能力的总能力点的75%。教育部计算机专业教学指导分委员会已经组织了关于计算机专业学生能力培养和实践3）国内高校正在研究探索和实践目前国内少数高等学校，例如南京大学、