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摘 要：计算机专业学生需要更多地关心计算系统的整体特性,培养自$
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关 键 词：计算机专业；工程教育；系统能力；系统课程
1.计算技术发展特点分析
计算技术在20世纪个人机普及和Inter快速发展的基础上,从初期的科学计算与信息处理进人21世纪的以移动互联、物联网、云计算和大数据计算为主要特征的新型网络时代.在这一过程中,计算技术的发展特点呈现出“四类新型计算系统”和“四化主要特征”,这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.
1.1四类新型计算系统
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,以嵌入式计算为主要形态的计算系统——嵌入式计算系统有着举足轻重和广泛的作用,并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,移动计算成为关键技术,它将使计算机或其他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,这将极大地改变人们的生活方式和工作方式.
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,这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,云计算也是建立在由廉价服务器组成的大规模集群并行计算的基础之上,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,orientedArchitecture,SOA）和面向服务的计算（ServiceorientedComputing,SOC）技术,是标识分布式系统和软件集成领域技术进步的里程碑.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.Web服务技术是当前SOA的主流实现方式,已经形成规范的服务定义、服务组合以及服务访问.
1.2“四化”主要特征
1）网络化.
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,但它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.
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.计算机通过多媒体技术可以处理人类生活中最直接、最普遍的信息,从而使计算机应用领域及功能得到极大的扩展,使计算机系统的人机交互界面和手段更加友好和方便,非专业人员也可以方便地使用和操作计算机.
3）大数据化.
从各种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.大数据时代的来临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、高效数据处理机制等提出新的挑战.
4）智能化.
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,智能手机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,不仅具有传统的快速检索、相关度排序等功能,还具有用户角色登记、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.
2.系统能力的主要内涵及培养需求
2.1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.系统观的教育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,计算机专业更强调对学生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.
2.2培养需求
随着计算机科学与技术的不断进步,信息产业形态发生重要变化,新型计算系统应用日益深化,计算机专业人才培养也必须“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.教育思想要突显系统观教育理念,教学内容要体现新型计算系统原理,在实践环节中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,不但要夯实系统理论基础,使学生构建出准确描述真实系统的模型,并能够用模型预测系统行为；而且要强化系统实践,培养学生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层面思考（如设计过程、工具、用户和物理环境的交互）,应该讲透原理（基本原则、架构、协议、编译以及仿真等）,强化系统性的实践教学培养过程和内容.
3.相关研究
3.1ACM/IEEECS2013重视系统能力培养
ACM/IEEE最新公布的CS2013是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,给出的新的教学调整方案.它不仅对原有14个知识域进行适度调整,还增加了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.这些都涉及系统级内容,由此可见,ACM/IEEECS2013的重点是进一步强调系统知识和系统能力的培养.3.2专业教指委已开展相关研究
教育部计算机专业教学指导分委员会已经组织了对计算机专业学生能力培养和实践教学体系的研究,重点是如何使学生增强系统能力,全局地掌控一定规模系统.研究提出：①教学必须树立系统观,培养学生的系统眼光.学生学会站在不同层面上去把握不同层次上的系统,并全面考虑系统各部分及其与外界的逻辑与联系,完成一定规模的系统设计.②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以及系统能力为4大专业基本能力.其中系统能力占总能力的75%,包括系统认知、系统设计、系统开发和系统应用能力.
目前国内少数高等学校,如南京大学、复旦大学、北京大学、北京航空航天大学、浙江大学、西北工业大学、国防科技大学等,正在不同程度上积极进行这些方面的探索和实践.
4.系统能力培养中存在的问题
在PC时代背景下所设置的课程体系、教学及其实验内容,对学生的系统能力培养存在以下问题.
（1）课程体系中缺乏一门独立的能够贯穿整个计算机系统的基础课程.有些学校虽然有计算机系统概论课程,但是,课程内容太散太多,没有系统性,并没有围绕一个完整计算机系统框架组织内容.
（2）课程之间的衔接和关联考虑不够.目前课程设置大多按照计算机系统不同层次上的内容独立开设课程,相应的教材内容和课堂教学内容中很少体现本层次的内容与其他层次内容之间的关联,学生难以形成对计算机系统的全面认识.
（3）教学内容比较陈旧,较少涉及近年来出现的多核/众核处理器、分布式和并行计算模式等实际工作中遇到的内容,特别是对于后PC时代的学生所需的关于嵌入式系统、移动终端系统、大型数据中心云计算系统等的系统知识体系的教学还很薄弱.
（4）课程体系缺
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