背景

在计算机学科教育领域，长期存在“课堂代码跑得通，企业项目不会用”的实践困境。对于计算机专业的学生而言，仅仅掌握理论知识远远不够，实践能力的培养同样至关重要。

华为云联合国内顶尖高校推出的贯通式实践教学体系，以“计算机专业的危机”开篇，经历了“计算机系统”课程重构，从“程序设计”到“编译原理”的系统类核心课贯通，实现从代码级实践到系统级设计的认知跃迁。

前言

计算机专业的危机

10多年前，也就是2010年前后，计算机专业曾经经历过一次萧条。

当时，计算机是专业是招生的调剂大户。当时有一种论调：“就是一个工具，人人都会”。其他专业的学生也开始学习程序设计，甚至更懂自己专业的需求。还有一种声音是：“上了4年大学比不过3个月的培训班”。所以当时催生了计算机专业学生的系统能力培养的1.0时代。

关注点在于，计算机专业培养的学生与其他专业也会写程序的学生有什么区别。

近几年，计算机专业开始回暖，各大高效热门专业也均为计算机专业。

2022年，被称为“生成式AI元年”。然而，伴随着“计算机专业将成为新天坑”的声音，频频出现，再次敲响“狼来了”警钟。

计算机专业学生的系统能力培养2.0时代到来。智能计算时代，需要什么样的程序员？

培养具有“全栈能力”工科人才

在异构计算时代的程序员必须对于算法和硬件模型融会贯通，才能写出高质量的代码。

智能计算时代的程序员需要具备三方面能力：

• 软硬协同：大规模数据中心的建立和个人移动设备的普及，计算机人才培养强调的“程序性开发能力”正在转化为更重要的“系统性设计能力”。
• 熟悉底层：为了应对各种复杂应用，开发人员必须了解系统平台的结构与特性，并热练掌握其中的技术和工具。
• 全栈能力：开发人员必须在系统层面综合设计，在整个技术栈实现优化。

黄金圈法则：从为什么开始

如何破局？

黄金圈法则是一种深度思考方式，由外至内依次为：做什么（What)、怎么做（How)、为什么（Why)。即从问题的核心出发，先思考目的，再探索方法，最后落实行动，这种思考方式更有助于发现问题的本质，提出更有效的解决方案。

新工科面临的问题

新工科对计算专业人才培养提出新要求

新工科是高等工程教育改革的新范式，核心目标是提升工程类人才培养质量。

现代工程实践特点：

• 多学科交叉。
• 多要素协同。
• 多系统集成。
• 多链条耦合。

面对现代工程实践特点，对计算机专业人才培养提出新要求：

• 会“造”计算机系统。
• 会“用”计算机系统。
• 解决复杂工程问题。

3个关键点：

• 新时代对人才培养提出更高要求：迫切需要具备创新意识，综合素养和专门能力的新型工程人才。
• 现代工程的特点：通常具有系统结构复杂，设计约束繁多，内部要素冲突等特征。
• 计算机系统能力是解决工程问题能力的核心：计算机系统能力从过去强调“程序性开发能力”向更加重要的“系统性思维”和“系统性设计能力”转变。

系统能力的起源

学生学完“计算机组成”之后，能开发简单的CPU吗？

学生学完“操作系统”之后，能开发简单的操作系统内核吗？

学生学完“编译”之后，能开发简单的编译器吗？

大多数的学校和大多数的学生，学完这三门课，是不能的。

解决复杂工程问题能力培养

培养学生解决复杂工程问题能力的普遍做法：

• 企业级/工业级案例直接带入课堂。
• 本科生进实验室，进科研团队。
• 全员创新创业，全员参加学科竞赛。

直接这么做，能使大多数学生受益，在大多数高校可复制吗？否。

不是说这个做法不好。

首先应该打基础，根据学生学习认知规律搭梯子，再进一步综合应用/企业级案例/学科竞赛/科研训练。

什么才是最基础的“课程”?如何教好这些课程？

什么才是学生安身立命之本的本领？如何让学生掌握这些本领？

高等工程教育的普遍问题

高等工程课程体系问题亟待解决：

• 没有建立良课程之间的关联

• 课程与课程之间缺乏有效衔接。
• 课程内容滞后，挑战度低。
• 课堂上忙于知识灌输，填鸭式。

• 实践教学体系松散，缺乏贯通式综合实践

• 没有统一的平台，多为验证性实验。
• 脱离行业，技术手段落后 重塑实践体系。
• 综合分析，设计，应用能力差。

• 对计算机系统，核心内容掌握不够

• 高高漂浮在“代码层”。
• 难以胜任复杂工程问题。
• 难以完成软硬件协同设计任务。

• 不能很好建立，计算机系统完整概念

• 缺乏系统观。
• 不具备系统全栈思维。
• 无法解决系统层面的问题。

应系统性重构课程体系和重塑实践体系，着力培养具体全栈思维和系统能力的工科人才。

高等工程教育的课程体系问题，主要有：

• 缺乏一门独立的能贯穿整 整个知识体系的基础课程。
• 缺少大课硬课，无法给课程的深 的深度提供空间。
• 课程之间缺乏衔接，无法给课程的宽度提 复提供空间。
• 实践教学不成体系，脱离行业，技术手段落后，多为验证性实验。
• 一上来就是工业级案例，蜻蜓点水，无法深入理解，甚至劝退。

以计算机专业为例

计算机系统抽象层的转换。上层是下层的抽象，下层是上层的实现。

程序执行结果，不仅取决于，算法、程序编写。而且取决于，语言处理系统（编译）、操作系统、ISA、微体系结构、器件。

必须将各层次关联起来解决问题。

目前，国内大多数高校的情况：

• 课程体系：每门课只涉及其中1-2个层次，层次之间的转换没有交待。
• 软件课和硬件课各自： “守身如玉” ，“互不贯通”。

培养模式创新

构建双重环链，强化系统能力

解决高等工程教育面临的新问题，提出“1234”教学模式。

“1234”教学模式主要解决如下问题：

• 解决课程体系松散，核心课程内容滞后，挑战度偏低等问题。
• 解决实践教学无序，脱离行业， 技术手段落后等问题。
• 解决学生学习成果评价不够科学，合理，全面等问题。

“1234”教学模式的核心双重环链结构培养体系：

• 一套人才培养教学体系：面向系统能力，全过程可跟踪，可追溯。
• 双重环链结构：横向能力链，纵向课程群链。
• 三级实践教学体系：课程实验，综合实践，领域创新应用。
• 四维学习成果评价：学习过程，专业教师，第三方，企业导师。

“1234”教学模式有效的解决了多重问题：

• 有效解决基于课程，课程群组，毕业要求多级评价，改进的系统性和客观性问题。
• 有效解决课程教学问题。
• 有效解决实践教学问题。
• 有效解决能力评价问题。

“双重环链结构”培养体系

贯穿四年，层层递进的能力链，分别是：

• 程序设计能力。
• 系统设计能力。
• 系统工程能力。
• IT职业素养。

支撑能力培养的课程群链，分别是：

• 能力培养基础课程。
• 能力培养高阶课程。
• 集中实践环节。
• 学习成果测试环节。

“计算机系统及实验”是核心枢纽课程，三个夏季学期层层递进的集中实践项目。

重构课程体系

新开“计算机系统”取代“计算机组成与结构”。

《深入理解计算机系统》大部分内容：

• 先修：对程序设计，数字电路（改造：将CPU设计等内容加入）回溯。
• 后续：与操作系统，编译原理贯通。

“计算机系统”课程定位，解决三个问题：

1. 程序在计算机中怎么跑的？
2. 程序在机器上跑怎样才有效？
3. 这门课与先修后续课的关系？

设计枢纽课程——计算机系统

新开的“计算机系统”课程，取代了“计算机组成”课程。

这一变化的核心目的，不是不开“计算机组成”，而是换了一个视角。不是不要“计算机组成”，而是教学内容重构。

重构之后，“计算机系统”枢纽课程解决了前面提到的三个问题。

重塑教学内容

以程序员视角重塑课程内容。

计算机系统与CMU的课程不同之处：

• 增加汇编基础（自编案例代码库，录制操作视频）。
• 增加VSPM的设计与实现（与数字逻辑贯通，理解指令的电路级行为）。
• 自创系列原型机，贯穿核心课程体系。

系统类核心课开设情况

形成链条，为学生系统能力培养提供“支撑”和“空间”。

大课硬课，为学生系统能力培养提供“深度”和“宽度”。

小型全系统贯通

系统类核心课贯通

我们自行设计了两台原型机，这两台原型机就是为了教学而设计的，贯穿不同课程。

系统类核心课贯通，形成链条，向前导引，向后回溯，解决不成体系问题。

自创原型机

自行设计了两台原型机，这两台原型机就是为了教学而设计的。

第一台原型机只有十二条指令，被称为VSPM。它主要用于贯穿“数字电路”到“计算机系统”课程。

在硬件层面，这台原型机可以实现仿真小而全CPU的设计与实现。

此外这台原型机提供了实验课程，帮助学生写出汇编器和模拟器，理解程序的机器级行为，进而理解指令的电路级行为。

另一条原型机，RSPM，它有四十条指令。它主要用于贯穿“计算机系统”到“操作系统+编译原理”课程。

这台原型机帮助学生，讨论指令集结构的设计，研究程序的机器级行为，再写汇编器、模拟器。

在操作系统里面，这台原型机可以实现：

• OS：链接器的实现，完成简单的进程切换，中断处理等。
• CC：小而全编译器的设计与实现，程序性能优化等。

“课程贯通+实践融通”的双螺旋迭代

HNU原型机和HNU口袋猫，是两台自创机器，“一虚一实，一软一硬”，以螺旋迭代结构，贯穿整个课程体系。

以原型机贯穿课程体系，以口袋计算机融通实践环节，“课程贯穿+实践融通”的螺旋迭代。

渐进式系统能力培养体系

由浅入深，由简到繁（课程-实验-夏季学期）。

先模拟器（虚拟方式），后硬件板子（物理方式）。

同两款原型机，同一块FPGA板子。

顺序渐进，贯穿四年。

小结：课程贯通+小型全系统

本科生首先掌握基本理论、基础知识。

将专业“安身立命”之本的核心课打造成大课硬课。

建立计算机系统整体观，打通学生“任督二脉”。

建立符合学生认知规律、循序渐进的贯通式教学体系。

学生亲手从无到有、从简到繁搭建一个“小型全系统”。

不是依靠某一门课或者某一个课程设计，而是一整套培养方案。

与华为合作

香橙派鲲鹏Pro开发板

与华为的合作：

香橙派开发的鲲鹏Pro开发板（搭载湖大“小型全系统”教学体系，支持二次开发）。

第1期建设（已完成）:

• 基于自创的VSPM原型机，开发miniCPU、mini操作系统和mini编译器教学体系，移植到鲲鹏Pro;
• 基于这套体系的课程群教学资源（程序设计+数字电路+计算机系统操作系统+编译原理）建设。

分多期围绕原型cpu构建基于开发板的课程群

围绕原型CPU构建基于开发板的课程群，涵盖4门核心课程：

• 数字电路/计组：移植12条指令原型；新开发扩展模块支持堆栈和函数调用。
• 计算机系统导论：移植编译器，汇编器、链接器；新开发扩展模块支持堆栈和函数调用。
• 操作系统：移植Uniprotion到开发板上。
• 编译原理： 开发新课件，融合毕昇编译器内容，移植现有编译实验到开发板。

使用简单原型机教学，让学生掌握基本原理，同时解除鲲鹏技术栈。

设计清晰的教学线路，使用ARM V8示例教学，让学生全面解除鲲鹏根技术。

• 程序设计基础/数据结构。
• 数字电路/计组：初阶，12条指令原型机，逻辑部件设计/模拟仿真。
• 计算机系统导论/汇编与接口：初阶，原型机框架实现/编译器/汇编器/链接器实现。
• 操作系统：openEuler Uniproton 和开发板结合。
• 编译原理：结合开发板的编译课程实验（含毕昇）。
• 数字电路/计组：进阶，ARM V8 DEMO CPU 设计
• 计算机系统导论/汇编与接口：进阶，ARM V8 编译器/汇编器/链接器实现。
• 操作系统：进阶，编写 DEMO OS。
• 原生开发/迁移：基于Devkit的原生开发。

培训计划

2024年12月8日，CECC演讲，在中国计算机教育大会上。

2025年1月5日，华为布道师直播+几大平台同步直播。

2025年寒假，联合线上线下师资培训，线下形式为宣讲+实操。

2025全年，虚拟教研室教研活动，点对点集体备课。计划，线上开展5-8次课程，线下开展1-2次课程。

教育的目的（个人观点）

一门课对学生的影响不应该终止在考完试之后，当他被问到这门课，还能对他有意义，才是成功的、一流的课程。

总结

聆听了赵欢老师关于“小型全系统”贯通式教学方案的课程后，我深刻理解到，好的课程，应该因地制宜，因校制宜，因专业制宜，因课制宜。

循序渐进的贯通式教学体系，不是依靠某一门课或者某一个课程设计，而是一整套培养方案。学生可以亲手从无到有、从简到繁搭建一个“小型全系统”。

“课程贯穿+实践融通”式教学，才能更好的让学生理解课程、深入课程，掌握核心基本知识的同时，更大的激发学习兴趣，进而赋予职业发展潜力。

未来，期待华为开发者布道师们更多精彩演讲。

本文参与华为云社区【内容共创】活动第28期。

任务1：计算机核心课程贯通式实践教学体系介绍