計(jì)算機(jī)工程能力教學(xué)思索

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1現(xiàn)狀分析

培養(yǎng)高質(zhì)量的軟件開發(fā)人才一直是社會和行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。早在11年前，對于工程教育的迫切性就被人提出來［1］。工程教育本身也作為一個系統(tǒng)問題被討論［2］?，F(xiàn)在從國家層面在戰(zhàn)略上建立了軟件學(xué)院進(jìn)行專門培養(yǎng)，各個高校也不斷推出新的課程、新的措施方案。在這一領(lǐng)域雖然比過去似乎已經(jīng)有了翻天覆地的變化，但來自企業(yè)的呼吁似乎一直反映出諸多不盡如人意。更多的思路希望將企業(yè)的力量直接引入到教學(xué)，比如實(shí)訓(xùn)基地等［3］;而國家層面也非常關(guān)注實(shí)訓(xùn)［4］。但實(shí)際效果可能變得流于表面，因?yàn)槠髽I(yè)往往難以將核心的工作拿給學(xué)生做，而其訓(xùn)練的項(xiàng)目也并未從更全面系統(tǒng)的角度去設(shè)計(jì)，其鍛煉效果就有限了。在軟件開發(fā)這一領(lǐng)域，由于其具有變化迅速，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的特點(diǎn)，導(dǎo)致不少在教育內(nèi)容上選擇了追逐新技術(shù)、新語言、新平臺，以能用會用這些流行主流技術(shù)為目標(biāo)。典型的代表就是北大青鳥，有些二本的學(xué)生在畢業(yè)前專門花錢去青鳥學(xué)習(xí)，似乎可以看到這種教育的優(yōu)勢。但另一個矛盾的情況是，往往那些關(guān)注員工后勁的公司卻不愿意招聘青鳥的學(xué)生。如果將目光投向國外的頂級大學(xué)，例如斯坦福，其教學(xué)上并沒有去“依賴”校企合作，以及很熱門的“實(shí)訓(xùn)”。其核心課程依然是過去的傳統(tǒng)經(jīng)典課程。以一個研究生為例，一學(xué)期能修2門課是正常，3門就很優(yōu)秀。它并沒有追逐所謂的新技術(shù)。但無人質(zhì)疑其學(xué)生的工程能力、科研能力和創(chuàng)造能力。

2什么是計(jì)算機(jī)工程能力的核心

什么才是我們軟件開發(fā)教育的核心知識架構(gòu)，怎樣才能培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的核心競爭力?我們調(diào)查過一些非常高水準(zhǔn)的軟件開發(fā)者，發(fā)現(xiàn)他們往往在底層軟件上持之以恒地進(jìn)行長時間深刻的鍛煉，然后在未接觸的新領(lǐng)域才能非常迅速地掌握核心。例如，一個非計(jì)算機(jī)專業(yè)的系統(tǒng)分析員曾經(jīng)“只”在DOS這種原始的操作系統(tǒng)下玩了10年，甚至自己寫過一個漢化的DOS。他只有書本上的一點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)知識時，就用一兩天時間解決了一個學(xué)通信的研究生1個月都不能解決的網(wǎng)絡(luò)故障。這是一個典型的例子，他并沒有“實(shí)際的”網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)，什么使得他如此輕松地進(jìn)入了新的領(lǐng)域呢?而另一個曾就職于vmware、google等頂級公司的程序員，在Unix下只用C語言做了10年系統(tǒng)級編程。當(dāng)用Java，C++甚至是javascript時，其學(xué)習(xí)時間只是1天，很快就比做了幾年專門java編程的程序員還精通。如何才是軟件開發(fā)人員的本質(zhì)力量?什么才能讓他們在變化萬千的新技術(shù)面前屹立不倒，乘風(fēng)破浪?

2.1計(jì)算機(jī)工程能力

我們認(rèn)為計(jì)算機(jī)工程能力包含兩方面的內(nèi)容:(1)核心知識架構(gòu);(2)計(jì)算機(jī)的思維方式。什么是核心知識架構(gòu)呢?是反應(yīng)該領(lǐng)域最基本規(guī)律和支撐技術(shù)的知識。簡單地說就是傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)、編譯、數(shù)據(jù)庫。操作系統(tǒng)將硬件、軟件、高級語言和匯編融匯在一起，它幾乎包括了軟件工程中所有重要的因素。舉一個簡單的例子，似乎只有面向?qū)ο筮@種“高級東西”才有的虛函數(shù)運(yùn)用，其實(shí)在Linux中就有相應(yīng)的虛文件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是最為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)工程之一。編譯融匯了大量的算法，而且能讓大家真正看“穿”語言的外表，深入到其內(nèi)里，體現(xiàn)了最根本的計(jì)算機(jī)技術(shù)。其優(yōu)化技術(shù)，也深刻地和硬件交融在一起，很好體現(xiàn)了底層風(fēng)范。數(shù)據(jù)庫，不僅是運(yùn)用算法最多的地方，甚至是超越操作系統(tǒng)的一個復(fù)雜的系統(tǒng)，從緩存技術(shù)到i/o優(yōu)化，到索引，再到事務(wù)處理，無一不是反映計(jì)算機(jī)最深刻規(guī)律。大家可以發(fā)現(xiàn)，所謂核心知識架構(gòu)，都具有兩個特點(diǎn)，反映本質(zhì)規(guī)律，體現(xiàn)軟硬融匯交織。也只有這樣，才能建立下面談到的“計(jì)算機(jī)思維方式”。

2.2核心知識架構(gòu)

為什么我們沒包括一些新興的語言和技術(shù)呢?似乎它們很“實(shí)用”。而且已經(jīng)出現(xiàn)的問題是，按照傳統(tǒng)科目和方式學(xué)習(xí)后，學(xué)生在企業(yè)什么都不會。這也正是大家關(guān)注工程教育的初衷。為什么不強(qiáng)調(diào)這些新興實(shí)用技術(shù)的教育還在強(qiáng)調(diào)“古老”的“基礎(chǔ)”。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一個顯著的特點(diǎn)是，表面上知識更新非?？?，新技術(shù)、語言層出不窮。這很容易導(dǎo)致當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生能力欠缺時，將問題歸罪于新技術(shù)的學(xué)習(xí)不得力，知識結(jié)構(gòu)老化。但其實(shí)目前的問題可以從另外一個角度考慮，是否是基礎(chǔ)教育不得力?分析國外著名大學(xué)，如斯坦福、伯克利的課程，我們發(fā)現(xiàn)兩個特點(diǎn):(1)關(guān)鍵的基礎(chǔ)課程，如操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)庫，始終是其最重要的課程，并沒有過分追逐各種“新潮”技術(shù)。(2)學(xué)生一學(xué)期能修的課程非常有限，一般為3門課。而國內(nèi)卻呈現(xiàn)相反的狀況，比如編譯原理被降到了選修課的角色，新潮課程層出不窮，一個學(xué)生二年級一學(xué)期要修13門課。在這種走馬觀花的狀況下，計(jì)算機(jī)這種具有強(qiáng)烈“手藝”色彩和工程實(shí)踐的學(xué)科，被完全紙上談兵化。而一些可憐的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還被學(xué)生的復(fù)制拷貝所湮沒。我們認(rèn)為，恰恰是這種情況，使得基礎(chǔ)核心知識教育沒有工程化，沒有充分動手，導(dǎo)致了基礎(chǔ)知識教育某種程度上的巨大失敗。從以下鮮明的對比可以窺見問題的端倪:國內(nèi)學(xué)生反映操作系統(tǒng)課程是文科課程(只需要背條款考試即可);而相對地，國外著名高校操作系統(tǒng)課程要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)“小”操作系統(tǒng)。國內(nèi)數(shù)據(jù)庫只講其應(yīng)用(如大量講解sql等運(yùn)用，sql即使非計(jì)算機(jī)專業(yè)人士也很容易學(xué)習(xí)，這也是它被發(fā)明的初衷)。斯坦福的數(shù)據(jù)庫課程中有一門需要實(shí)現(xiàn)一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在筆者走訪的計(jì)算機(jī)工程上優(yōu)秀的人才，發(fā)現(xiàn)其共同的特點(diǎn)就是在諸如操作系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫上都有很深入的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，比如前面提及的自己構(gòu)建過漢化DOS系統(tǒng)，或者在Unix下，做內(nèi)核以及驅(qū)動很多年等。而當(dāng)他們接觸新技術(shù)時，之前深刻的經(jīng)驗(yàn)和淬煉的思維就讓他們?nèi)缁⑻硪?，快人一等。更有甚者，國外真正的最頂級專家，都是在這些領(lǐng)域有無與倫比水平的專家，從delphi的締造者，轉(zhuǎn)戰(zhàn)到微軟并入主.net平臺的開發(fā)，也可看到雄厚的底層知識和能力的巨大作用。所以“老”知識并不是障礙，而是通向天堂的階梯。究其原因，就涉及到工程能力的第2個方面，計(jì)算機(jī)思維方式。

2.3計(jì)算機(jī)思維方式

對非專業(yè)人士它是很抽象的概念，而對真正專業(yè)人士，這又是一個非常鮮活的概念。這里限于篇幅，我們只舉一個簡單的例子。面對在C++中外部代碼如何直接修改私有變量的問題，計(jì)算機(jī)的思維方式就是:對象也是放在內(nèi)存中，只要能拿到對象的地址，并知道對象的布局，那么就可修改。而沒有建立這種思維的人，就完全被高級語言的語法所左右，無從下手。一句話，無法看到本質(zhì)，沒有從下而上的底層思維。核心知識課程的有效深入教學(xué)和計(jì)算機(jī)思維方式建立有何直接關(guān)系呢?我們認(rèn)為核心知識因?yàn)槠浞磻?yīng)了計(jì)算機(jī)本質(zhì)規(guī)律，而且從底層建立起來，所以對其深入掌握運(yùn)用后，它從開始的逼迫到最后的陶冶，最終潛移默化地讓受眾建立起“計(jì)算機(jī)思維方式”。而這正是計(jì)算機(jī)工程師安身立命之本，就如同音樂家有其獨(dú)特的音樂思維方式一樣。為什么諸如java之類的課程于建立計(jì)算機(jī)基本思維不太合適呢?因?yàn)樗邔樱瑹o法讓學(xué)生看到最下面。而唯有徹底、深刻和系統(tǒng)的底層淬煉，才能真正建立起“計(jì)算機(jī)思維方式”。

3如何打造強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)工程能力

大家一方面指責(zé)基礎(chǔ)課程的“空洞”、“無用”、“陳舊”;另一方面在不斷開設(shè)的海量新課和技術(shù)中壓得學(xué)生更加遠(yuǎn)離編程，遠(yuǎn)離實(shí)踐。即使能培養(yǎng)出熟悉某種語言的學(xué)生，也無法看到他們和培訓(xùn)學(xué)校有何不同。實(shí)訓(xùn)也似乎沒有根本解決問題，我們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，往往是那些自己醉心于編程的學(xué)生最后有著卓越的表現(xiàn)。讓基礎(chǔ)知識能支撐和指導(dǎo)實(shí)踐，而非僅僅“符號”，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高效的實(shí)踐。

3.1“3塊連一線”，4門基礎(chǔ)課程整合打造核心知識架構(gòu)

我們將4門基本課程進(jìn)行貫通式整合，著力塑造學(xué)生的“計(jì)算機(jī)思維”。下層的是3門基礎(chǔ)課(在上一小節(jié)探討了其在工程能力訓(xùn)練上不可替代的重要地位)，對軟件開發(fā)環(huán)境產(chǎn)生支撐。而軟件開發(fā)環(huán)境又通過精心的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐，從應(yīng)用角度將3門課程所學(xué)的知識串聯(lián)起來。從而將基礎(chǔ)知識和工程開發(fā)更有機(jī)整合在一起。首先，闡述為什么將以上課程整合在一起的理由。要回答這個問題，必須先回答什么東西支撐了優(yōu)秀程序員。在我們的調(diào)查人員中，無一例外地都具有很深厚的底層軟件開發(fā)背景。有長期從DOS的Hack入手的;有長期從事Unix內(nèi)核編程的;有從Windows的driver起步的;有以反匯編逆向?yàn)楦?。長期在最底層的經(jīng)歷，使他們建立了最真實(shí)和能觸摸的系統(tǒng)觀，能以計(jì)算機(jī)的方式思考。所以面臨新技術(shù)時，他們能透過新形式很快把握其精髓，深刻地把握其實(shí)質(zhì)?！疤栂旅鏇]有真正的新事物”，例如號稱21世紀(jì)最新的重要的軟件技術(shù)AOP(AspectOrientedProgramming，AOP)，其實(shí)在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)在了匯編一級的軟件技術(shù)中，它本質(zhì)就是鉤子技術(shù)的系統(tǒng)化。在底層的軟件世界，我們不僅能夠用到那些所謂的最新的技術(shù)，而且能看到其本質(zhì)(我們可能就是用機(jī)器碼自己構(gòu)建出來的，而不被新技術(shù)的華麗外衣障目)。這些使得具有底層經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者，更有創(chuàng)造力，更能創(chuàng)造，也更能洞察迷亂后的本質(zhì)，庖丁解牛，解決那些異常復(fù)雜的工程問題。舉一個筆者遇到的真實(shí)例子，一個具有深刻底層經(jīng)驗(yàn)的程序員(一直只有C語言和操作系統(tǒng)編程經(jīng)驗(yàn))和一個只有深刻Java經(jīng)驗(yàn)的程序員，在同時學(xué)習(xí)Javascript的閉包概念時，后者一個禮拜都還有些似是而非。前者很快就能自如運(yùn)用，且最后指點(diǎn)了后者1個小時，后者頓時豁然開朗。這是典型的“新”與“老”，上層和底層經(jīng)驗(yàn)在面對新事物時的對比。既然底層軟件賦予我們?nèi)绱藦?qiáng)大的能力，那么哪些是底層軟件呢?大家公認(rèn)，操作系統(tǒng)、編譯和數(shù)據(jù)庫由來就是計(jì)算機(jī)工程自身的根基。所以，我們必須將這3門課涉及的知識好好淬煉。而如何將3門課的知識和我們?nèi)粘５能浖_發(fā)聯(lián)系起來呢?如何用它們指導(dǎo)平時程序的開發(fā)呢(我們大多數(shù)是開發(fā)用戶級軟件，不會開發(fā)內(nèi)核軟件，因此許多人認(rèn)為幾乎整個在內(nèi)核中的操作系統(tǒng)對用戶級軟件開發(fā)無從指導(dǎo))?另一門課，《軟件開發(fā)環(huán)境》解決了這一問題。它有一條主線，通過反匯編將C語言和匯編串聯(lián)起來，讓系統(tǒng)級的知識從高級語言的面紗下展現(xiàn)出來。同時用逆向工程這把庖丁之刃，將編譯、鏈接、面向?qū)ο蟮溶浖_發(fā)中的重要知識塊剖剔，讓底層與上層貫通一氣。而逆向的技術(shù)技巧，本身也是非常高級的軟件開發(fā)技術(shù)。因此，我們用“3塊連一線”來總結(jié)4門課的關(guān)系是最好不過了。為什么不納入語言課程，比如C/C++語言?從我們的工程經(jīng)驗(yàn)來看，語言只是計(jì)算機(jī)原理和思想的載體，是表述方式而已。為了表述形式而專門花大力氣是不值得的。比如，國外的著名大學(xué)很多都不開設(shè)語言課，在其他課程作業(yè)中必須用C語言編程，學(xué)生們就在那里鍛煉了。真正的語言的力量并非來自語言本身，而是底層知識為支撐的項(xiàng)目鍛煉。我們的思路是以構(gòu)建式完成大量的完整系統(tǒng)的編寫，這樣就很好鍛煉了軟件開發(fā)和工程能力。同時，“軟件開發(fā)環(huán)境”本身從逆向?qū)用嬉矊φZ言有了深刻的剖析，這是純粹的語言課難以完成的。另外，從大綱安排上，我們在大一就會讓學(xué)生用C語言來初步接觸程序編寫，這時并不適合放入太高級主題。而在教學(xué)中，語言的力量已經(jīng)滲透到一個個工程構(gòu)建中，隨風(fēng)潛入夜了。為什么不納入算法課程?從某種程度上，“程序就是算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嗎”?我們認(rèn)為在系統(tǒng)中運(yùn)用算法，算法才具有生命力。而編譯、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及我們專門設(shè)立的一些課程設(shè)計(jì)將全面運(yùn)用各種算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在實(shí)戰(zhàn)中運(yùn)用并學(xué)習(xí)提升才是王道。這也正是構(gòu)建式學(xué)習(xí)的精髓所在，這也正是探索式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力的精髓所在。算法課已經(jīng)為我們準(zhǔn)備了元件，就看你怎么去組裝甚至改造。

3.2以構(gòu)建主義的思路，深度實(shí)踐的風(fēng)格改革課程

前面我們論述了底層知識架構(gòu)的重要性，那么怎么來將它們實(shí)際地建立在學(xué)生的工程實(shí)踐中呢?簡單地說就是“構(gòu)建一個具體而微的系統(tǒng)”。講操作系統(tǒng)就構(gòu)建一個小操作系統(tǒng)，講編譯原理就構(gòu)建一個小編譯器。同時，設(shè)計(jì)一些跨度較大的課程設(shè)計(jì)覆蓋這些課程的一些重點(diǎn)內(nèi)容。構(gòu)建完整系統(tǒng)本身就可真實(shí)淬煉工程能力，而這些內(nèi)容的復(fù)雜性、難度以及運(yùn)用知識點(diǎn)的廣度，本身就超越了簡單的企業(yè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，在培養(yǎng)人才方面具有系統(tǒng)性、完整性、挑戰(zhàn)性獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。我們需要的是運(yùn)用團(tuán)隊(duì)的思路和現(xiàn)代軟件工程的手段，將其開發(fā)過程管理發(fā)起來，從而熟悉企業(yè)級開發(fā)的工具鏈，將軟件工程學(xué)到的知識貫通到實(shí)作中。這也回答了“和以前相似的強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)課程教育，什么特點(diǎn)使得我們的做法能獲得強(qiáng)大的工程能力?”這一問題。以前更多注重理論知識的學(xué)習(xí)，而現(xiàn)在的做法是回歸計(jì)算機(jī)工程的自身科學(xué)規(guī)律———實(shí)踐為王。

3.3改革考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，充分強(qiáng)調(diào)動手實(shí)踐

以前我們一直是卷面考試，實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)只是象征性的點(diǎn)綴。這本身違反了計(jì)算機(jī)工程的特點(diǎn)。只有改變評價(jià)考核標(biāo)準(zhǔn)，才能真正驅(qū)動學(xué)生充分鍛煉工程。在課程軟件開發(fā)環(huán)境中，我們采取了平時的考試結(jié)合期末考試的方式，而兩者均為軟件編寫。期末考試在實(shí)驗(yàn)室上機(jī)編撰指定題目。不強(qiáng)調(diào)對一些函數(shù)名等死知識點(diǎn)的記憶，可以用在線幫助。這本身也符合軟件開發(fā)的規(guī)律。

4結(jié)束語

我們在計(jì)算機(jī)工程教育上試圖做一些回歸本質(zhì)的工作，也取得了一些效果。比如在軟件開發(fā)環(huán)境中，學(xué)生普遍認(rèn)為:“似乎將3年學(xué)的程序課全學(xué)習(xí)了，收獲很大”。更有同學(xué)，在外企公司的面試中，直接運(yùn)用了課堂上的知識，這在傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)中是難以獲取的。但整個工作尚在起步階段，所以仍有很多工作需要做，許多環(huán)節(jié)需要優(yōu)化。我們希望在以后的工作中更深入探索工程教育的規(guī)律和本質(zhì)。