技術(shù)報(bào)告計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法

1、計(jì)劃類別 項(xiàng)目編號(hào) 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法研究以函數(shù)參數(shù)為例，本文探討了在一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中所包含的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的背景下討論一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的微觀教學(xué)過(guò)程，分析一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在各種課程中的不同呈現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，論述了課程之間在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的相互合作關(guān)系。提出了在以知識(shí)點(diǎn)為單元的教學(xué)過(guò)程中如何利用不同課程的知識(shí)以及它們之間的相互關(guān)系來(lái)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的方法，取得了明顯的實(shí)際教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：函數(shù)參數(shù)；知識(shí)點(diǎn)；系統(tǒng)能力；課程教學(xué)Abstract：Taking the function parameter as an

2、example，the paper explores computer system-level ability cultivation in the process of curriculum teaching based on knowledge points.The micro-teaching process is discussed under the background of computer systems.On the basis of analyzing the different presentation forms of one knowledge point in v

3、arious courses，the paper expounds the cooperation relationship in computer system-level ability cultivation among courses，and presents a method to cultivate computer system-level ability by making full use of the knowledge and the interrelationship of different courses，achieving great practical teac

4、hing effects.Keywords：function parameters；knowledge point；computer system-level ability；course teaching1 引言（Introduction）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的背景下理解計(jì)算機(jī)知識(shí)體系中的概念和方法，并能綜合運(yùn)用系統(tǒng)中的各個(gè)部分，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)聯(lián)性，反映到教學(xué)中就是各課程之間的關(guān)聯(lián)性。然而，目前的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域中，隨著各門課程自身的發(fā)展，課程內(nèi)的結(jié)構(gòu)和邏輯性日趨合理，而課程之間、課程與系統(tǒng)之間的隔離卻變得越來(lái)越嚴(yán)重。這導(dǎo)致對(duì)學(xué)生們的知識(shí)體系的完

5、整性和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)受到限制。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程之間業(yè)已形成的隔離，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育專家做了大量的教學(xué)研究工作。20世紀(jì)末，美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的R.E.Bryant提出了從程序員的角度、從系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的觀點(diǎn)，并出版了深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1，在計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。該書通過(guò)打破課程之間的界限，試圖對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行完整而深入的剖析，已被國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教材。2013年，教育部教執(zhí)委系統(tǒng)研究組王志英等在文獻(xiàn)2中介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的主要內(nèi)涵及培養(yǎng)需求，闡述了系統(tǒng)能力培養(yǎng)和課程體系設(shè)置的總體思路。2014年，袁春風(fēng)率先在南京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)開設(shè)了“計(jì)算

6、機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程，編寫了系統(tǒng)論述和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教材3。隨后，南京大學(xué)提出了四縱三橫的課程體系建設(shè)方案，在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面做了深入而系統(tǒng)的工作4。清華大學(xué)劉衛(wèi)東等5調(diào)整課程體系，統(tǒng)一規(guī)劃課程內(nèi)容，并且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成等課程結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了課程間的融合與貫通。在這樣的課程聯(lián)合中，學(xué)生可以在自己設(shè)計(jì)完成的CPU上，開發(fā)自己的操作系統(tǒng)，并運(yùn)行自己的應(yīng)用程序。另外北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面都做出了各具特色的探討。以上研究是基于建立新的課程，或改革現(xiàn)有課程來(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)，為系統(tǒng)能力培養(yǎng)鋪平道路。他們都是從總體上構(gòu)建系統(tǒng)教學(xué)實(shí)例，透過(guò)典型實(shí)

7、例讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)聯(lián)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，雖然都取得了很好的效果，但也付出了很大的代價(jià)，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系進(jìn)行了不小的改動(dòng)，并且需要更多的課時(shí)。本文認(rèn)為，系統(tǒng)能力體現(xiàn)的不僅是對(duì)系統(tǒng)總體框架的把握水平，同時(shí)也表現(xiàn)為面對(duì)具體問(wèn)題時(shí)的一種思維方式。因此，雖然系統(tǒng)能力涉及整個(gè)系統(tǒng)范圍，然而系統(tǒng)能力的培養(yǎng)卻體現(xiàn)在思維的細(xì)節(jié)。作為對(duì)目前教學(xué)研究的補(bǔ)充，本文將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)放到課程的微觀方面，即在知識(shí)點(diǎn)一級(jí)的微觀教學(xué)過(guò)程中來(lái)研究如何培養(yǎng)系統(tǒng)能力。下面將以函數(shù)參數(shù)為例，探討在一個(gè)知識(shí)點(diǎn)中所包含的系統(tǒng)能力培養(yǎng)素材以及如何利用這些素材提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。2 函數(shù)參數(shù)教學(xué)實(shí)例（Teaching ex

8、ample of thefunction parameter）函數(shù)是程序的基本結(jié)構(gòu)，參數(shù)傳遞是實(shí)現(xiàn)函數(shù)間調(diào)用的基本功能。在計(jì)算機(jī)專業(yè)本科課程中，一般情況下，學(xué)生們是在高級(jí)語(yǔ)言課程首先接觸這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本文通過(guò)分析這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它所蘊(yùn)含的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的素材和背景，并且以這個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，闡述提高學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的教學(xué)方法。以C語(yǔ)言為例，普通的教科書6在講解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，典型的內(nèi)容如下：（1）形參的概念；（2）實(shí)參的概念；（3）形參與實(shí)參之間的關(guān)系；（4）演示類似圖1中程序的例子，讓學(xué)生獲得函數(shù)調(diào)用的體驗(yàn)。對(duì)于單純學(xué)習(xí)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的學(xué)生來(lái)講，以上關(guān)于函數(shù)參數(shù)傳遞的內(nèi)容就足夠了，完全可以應(yīng)

9、對(duì)一般的程序設(shè)計(jì)任務(wù)。然而，從計(jì)算機(jī)專業(yè)的角度看，僅從高級(jí)語(yǔ)言的角度理解函數(shù)參數(shù)是不夠的。例如，如果不清楚函數(shù)參數(shù)的傳遞過(guò)程，就無(wú)法理解緩沖區(qū)溢出的攻擊程序，無(wú)法設(shè)計(jì)出好的應(yīng)用程序接口，也就無(wú)法提高參數(shù)傳遞的效率。endprint參數(shù)傳遞依賴的是棧，棧是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的概念。如何利用棧來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞和函數(shù)的返回，則是編譯原理課程的內(nèi)容。圖2顯示了計(jì)算機(jī)在執(zhí)行圖1中的程序時(shí)，進(jìn)入子程序foo（）后棧的狀態(tài)。當(dāng)把參數(shù)按一定的順序逐個(gè)壓棧時(shí)，必須考慮參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及它們?cè)趦?nèi)存的放置。例如c、k和string所占的字節(jié)數(shù)，要解釋清楚需引入計(jì)算機(jī)組成和編譯原理中的知識(shí)。函數(shù)在遞歸調(diào)用時(shí)，參數(shù)被遞歸地壓

10、入棧中，隨著遞歸的深入，棧空間會(huì)越來(lái)越少。程序員稍不注意，其編寫的程序就會(huì)導(dǎo)致棧溢出。?？臻g為什么會(huì)溢出呢？棧所占用的存儲(chǔ)空間是如何分配的？這些問(wèn)題涉及了操作系統(tǒng)中地址空間的概念以及內(nèi)存分配問(wèn)題。除了參數(shù)傳遞所涉及的各課程的這些基本概念之外，稍微深入一點(diǎn)就會(huì)延伸到參數(shù)個(gè)數(shù)可變的情況。例如，在C語(yǔ)言中有printf（.）的例子，Java中還有多態(tài)性。圖3說(shuō)明函數(shù)參數(shù)涉及了多門課程，必須將這些課程的相關(guān)知識(shí)綜合起來(lái)理解，才能培養(yǎng)學(xué)生從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度全面把握函數(shù)參數(shù)這樣的知識(shí)點(diǎn)。在各項(xiàng)應(yīng)用中，能夠從整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的范圍內(nèi)尋找解決方案，這正是目前大學(xué)所提倡培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)的計(jì)算機(jī)

11、專業(yè)教學(xué)往往增加一門新課程，以縱向的視角審視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，打破課程之間的界限，從上而下地講解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的典型操作。例如，針對(duì)函數(shù)參數(shù)、文件的操作等，可以跨越高級(jí)語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成多門課程，深入闡釋其概念及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這種打破課程界限，從系統(tǒng)范圍思考問(wèn)題的教學(xué)方法對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是非常重要的。然而，單獨(dú)開設(shè)一門課程的方法也存在一些問(wèn)題：（1）作為一門課程，僅能將一些典型的知識(shí)點(diǎn)在系統(tǒng)范圍內(nèi)展開講授，而系統(tǒng)思維是針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有方面的。只要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)對(duì)象出現(xiàn)問(wèn)題，我們一般都需要從系統(tǒng)的角度思考和解決。所以從培養(yǎng)系統(tǒng)能力的角度這樣的課程缺少一定的覆蓋度。（2）這

12、樣的課程涉及現(xiàn)有課程的很多內(nèi)容，要和現(xiàn)有課程有機(jī)融合，需要對(duì)目前的教學(xué)安排做較大的改動(dòng)。本文認(rèn)為，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不應(yīng)該僅是一門課的任務(wù)，應(yīng)該貫穿在和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的所有課程中。系統(tǒng)能力，一方面是一個(gè)長(zhǎng)期、綜合培養(yǎng)的結(jié)果，另一方面幾乎在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)上都存在系統(tǒng)能力培養(yǎng)的素材和背景，因此完全可以把系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)的細(xì)節(jié)。在后面的兩節(jié)，我們將分別討論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的建立和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)方法，其著眼點(diǎn)都是基于知識(shí)點(diǎn)級(jí)的微觀教學(xué)。3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀（Computer system-levelperspective ）在CSC20137中非常明確地引入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的教學(xué)思想：計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)

13、的學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)從細(xì)節(jié)到抽象的多個(gè)層次上去理解及思考問(wèn)題。這種理解及思考應(yīng)當(dāng)超越計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種不同部分的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，包括鑒賞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及它的構(gòu)造和分析過(guò)程。他們需要識(shí)別計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮作用的環(huán)境，包括與人和物理世界的交互。本文從兩個(gè)方面來(lái)詮釋上面關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的要求：一是以聯(lián)系的觀點(diǎn)去觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)象，這包括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的不同層次之間的關(guān)系和同一層次不同部分之間的關(guān)系；二是以抽象的觀點(diǎn)去理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)它們中的共性，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。可見，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀是一種大局觀，但它絕不是空泛的理論和原理，而是面向具體問(wèn)題的。它體現(xiàn)了學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題的深度和廣度。要建立學(xué)生

14、的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，教師和學(xué)生承擔(dān)的角色也是不同的。教師是不能將觀點(diǎn)強(qiáng)加給學(xué)生的，而要將背景和知識(shí)展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生自己去認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)。能否形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，還要依賴于學(xué)生個(gè)人能否從教師構(gòu)建的教學(xué)背景中抽象出自己的觀點(diǎn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀是獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的前提，也就是說(shuō)我們只有用大的視角去看問(wèn)題，才能在大的范圍內(nèi)解決問(wèn)題。4 面向知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法（Training ofcomputer sstem-level ability based on knowledgepoints）當(dāng)學(xué)生要解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)問(wèn)題時(shí)，需要分析和該問(wèn)題相關(guān)的所有系統(tǒng)內(nèi)技術(shù)方案，從中找出最優(yōu)的，并評(píng)估該方案給系統(tǒng)帶來(lái)的

15、各方面的影響。因此，學(xué)生獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的前提是從系統(tǒng)的角度了解問(wèn)題。反映到教學(xué)中，就是從各門課程的多個(gè)角度，去理解并掌握一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。假如從某門課程的一個(gè)角度去講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，稱為該知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)知識(shí)片段，那么一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)就是由若干個(gè)知識(shí)片段組成，在每門課程中有一個(gè)片段（也可能有若干個(gè)）。例如，在匯編語(yǔ)言中都會(huì)講到XCHG（intel）指令，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)的交換。在操作系統(tǒng)課程中swap（XCHG）指令可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥?？梢姡瑪?shù)據(jù)交換指令這個(gè)知識(shí)點(diǎn)包含了兩個(gè)片段：一個(gè)在匯編語(yǔ)言中，一個(gè)在操作系統(tǒng)中。而在實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換指令的這兩個(gè)功能是不會(huì)局限于課程的。傳統(tǒng)的教學(xué)中，每門

16、課程僅介紹一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在本課程內(nèi)的知識(shí)片段，課程之間缺少有意識(shí)的融合。當(dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的教師和主動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)生都會(huì)在知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)片段的教學(xué)過(guò)程中，聯(lián)系到其他課程的相關(guān)知識(shí)片段。知識(shí)點(diǎn)課程關(guān)系見表1。教師現(xiàn)在要做的就是把這種課程之間的聯(lián)系以規(guī)范的形式固定下來(lái)，成為教學(xué)過(guò)程的一個(gè)環(huán)節(jié)，而不是依賴于個(gè)別教師或?qū)W生的經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)性。具體做法如下：針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，定義它在各課程中的片段，形成知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表。當(dāng)某門課的教師在教授一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，就去知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表中查找該知識(shí)點(diǎn)在其他課程中的片段。若學(xué)生已經(jīng)在其他課程中學(xué)習(xí)了若干片段，那么教師就有責(zé)任將該課程的片段與其他課程的片段結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合講

17、解。例如，在操作系統(tǒng)中講到線程切換時(shí)，需要保存和回復(fù)CPU的現(xiàn)場(chǎng)信息，包括CPU的各類寄存器，此時(shí)需要結(jié)合計(jì)算機(jī)組成中已講過(guò)的“CPU現(xiàn)場(chǎng)信息”；在操作系統(tǒng)中講到線程調(diào)度時(shí)，需要結(jié)合C語(yǔ)言中使用的win32線程和Java語(yǔ)言中的Java線程的相關(guān)知識(shí)，如圖4所示。endprint顯然，建立知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表需要各門課程之間緊密的合作才能完成。計(jì)算機(jī)課程的設(shè)置是為了適應(yīng)學(xué)校的教學(xué)體制，而且機(jī)械地分割了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。上述知識(shí)片段概念的引入體現(xiàn)了各專業(yè)課程對(duì)知識(shí)體系分割的現(xiàn)實(shí)。而知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表的建立可以有助于重建課程之間在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)的聯(lián)系。通過(guò)這種聯(lián)系，學(xué)生可以從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度

18、更全面地理解在課程中所學(xué)的知識(shí)，為系統(tǒng)觀的建立和獲得系統(tǒng)能力奠定基礎(chǔ)。與系統(tǒng)觀的建立過(guò)程相一致，學(xué)生必須進(jìn)行跨越學(xué)科的大量的實(shí)踐訓(xùn)練，才能獲得真正解決問(wèn)題的能力。5 結(jié)論（Conclusion）本文概述了為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力目前各大學(xué)所做的教學(xué)研究和采取的措施，提出了系統(tǒng)能力的培養(yǎng)前提是建立系統(tǒng)觀，而建立系統(tǒng)觀的方法就是加強(qiáng)各課程知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，構(gòu)造學(xué)生完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)這樣一個(gè)宏觀問(wèn)題，落實(shí)到在微觀教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生以聯(lián)系的觀點(diǎn)觀察、分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的對(duì)象，這樣具體、可行的教學(xué)過(guò)程是本文研究的核心問(wèn)題。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不僅僅是建立系統(tǒng)觀的問(wèn)題，更重要的是如何訓(xùn)練學(xué)生們解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這是我們將進(jìn)一步繼續(xù)研究的課題。參考文獻(xiàn)（References）1 R.E.Bryant，D.R.OHa