1、“计算思维”模式下的实践教学体系探讨,桂小林西安交通大学计算机科学与技术系2012.10.14,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,电子与信息工程学院 计算机科学与技术学科 桂小林,2,报告目录,一、什么是“计算思维”？二、为什么需要“计算思维”？三、如何驱动“计算思维”？四、一点实践,一、什么是“计算思维”？,老酒？新瓶？理解有差异。周以真（Jeannette Wing）教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化。如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，计算思维是必
2、须具备的思维能力。计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它的思维方法。,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,理论研究、实验科学、计算科学,计算思维的特点,计算思维，是人类对物理世界实施可计算化的思维过程。,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,二、为什么需要“计算思维”？,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,二、为什么需要“计算思维”-1/6,（1）培养“计算思维”能力是计算机人才需求特性所决定的:从 物理世界 到 信息世界 的变化从 模拟思维 到 数字思维 的变化从 连续函数 到 离散函数 的变化从 数学方程 到 构造算法 的变化从 人脑运
3、算 到 机器运算 的变化从 无序状态 到 有限状态 的变化,二、为什么需要“计算思维”-2/6,（2）计算机招生危机和计算机专业就业危机，迫切需要提升“计算思维”在专业教学中的重要性和必要性计算机专业【本科生】招生“危机”专业的社会声誉下降，媒体认知度下降考生的认知度迅速下降：2005-2008年99%第一志愿2009-2010年50%第一志愿2011-2012年30%第一志愿生源流失严重，自主转专业人数迅速增加，学生对专业认知下降教学主管系主任忙于“引导”和“灭火”,二、为什么需要驱动“计算思维”-3/6,（2）计算机招生危机和计算机专业就业危机，迫切需要提升“计算思维”在专业教学中的重要性
4、和必要性计算机专业【本科生】就业“危机”学生素质与社会需要部分脱节编程能力和动手能力不能适应企业需要教学实践脱节，计算思维缺失学习了大量课程，却不能领会课程关系，构建计算思维体系,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,二、为什么需要“计算思维”-4/6,（3）计算机专业办学门槛相对较低，导致计算机专业成为全国最大本科专业，毕业生人数最多（20%？），毕业生能力差异很大，竞争最为激烈学习课程实验体系的设置不能能有效培养学生“计算思维”定势；课堂和实验环节不能直接培养学生“计算思维”需要时间和过程，实现“计算思维”的潜移默化；额外训练【竞赛】额外科研【项目】,二、为什么需要“计算思维”-5/6
5、,（4）全球“信息化和智慧化”浪潮，要求不仅计算机专业学生需要“计算思维”，其他专业也需要“计算思维”。力学科学计算生物信息学材料科学计算能源科学计算。,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,二、为什么需要“计算思维”-6/6,（5）物联网、云计算技术的发展，有效驱动了“计算”需求，从物体【人】、数据、通讯等广泛范畴，为“计算思维”的开发提供了卓越途径。物-物相连、泛在通讯，智能处理 均体现了利用“计算思维”求解问题的过程， 包括从“模型、数据、结构、算法、执行”等计算过程的推进，思维的形成。,第十五届全国高校计算机系院长/系主任论坛,三、如何驱动“计算思维”？,第十五届全国高校计算机系院
6、长/系主任论坛,三、如何驱动“计算思维”-1/10,如何促进和驱动“计算思维”，使得其成为IT人士【甚至每个社会人员】的自然思想呢？从娃娃抓起？大学培养？社会熏陶？大量实践？以计算机专业的眼光。从“培养模式、培养目标、课程体系、实践环节”等联合着力,三、如何驱动“计算思维”-2/10,从“培养模式、培养目标、课程体系、实践环节”等联合着力不仅是软课程，应该还包括硬课程不仅从理论、更应该强调工程培养第一门课程尤为重要选择什么老师：全科老师如同全科医生，有经验，有体会！选择什么视角：计算机科学？计算机系统？贯穿“计算”思想，培养“离散”思维构建“计算思维”型培养目标,第十五届全国高校计算机系院长/
7、系主任论坛,三、如何驱动“计算思维”-3/10,以“组织”形式，加强社会宣传、群体表达，让“计算思维”的教学理念深入社会提升专业门槛，课程难度，提升专业的社会认知【苦练内功、破解外专业的偏见问题？】更新知识体系，改善课程安排【20年课程体系之小变-与-IT之大变】及其不协调以计算思维驱动，教学实践并进实践反哺教学，提升离散、构造和过程思维能力从数学模型与方程 到 计算结构、算法与程序求解,三、如何驱动“计算思维”-4/10,创新人才培养模式从以传授知识为主向传授知识、培养能力和提升素质协调发展转变；从以教师为中心的单向“灌输式”知识传授向以学生自主学习为中心的“师生互动式”和“探究式”的转变；
8、从学生“整班批量”培养管理向“个性化单件”精细管理的转变。优化课程体系,三、如何驱动“计算思维”-5/10,优化课程体系,工科基础课程,专业基础课程,专业主干课程,专业拓展课程,数据结构与算法A，计算机组成原理A，操作系统原理A，编译原理，嵌入式系统及接口技术，计算机网络原理，计算机系统结构，数据库系统，软件工程,专题实验,数字媒体技术，网络与信息安全，无线网络技术，TCP/IP与网络编程，网络计算概论，人工智能，计算机图形学，算法分析与设计，信号系统、自动控制原理B，通信原理B，大规模集成电路设计基础，物联网工程概论,三、如何驱动“计算思维”-6/10,压缩课堂教学学时，增加实践学时软课程、
9、硬课程开设专题实验与课程设计课程软课程：程序设计与算法、信息系统硬课程：数字系统与计算机结构综合：嵌入式操作系统与平台开设项目设计课程大3开始100%参与校内导师的科研工作,三、如何驱动“计算思维”-7/10,小规模实践指导落到实处每位教师指导15人（硬件）每位教师指导30人（软件）增强实践环节增设“生产实习I”，2学分，必修增设“项目设计”，2学分，必修增设“科研训练”，1学分，必修,三、如何驱动“计算思维”-8/10,三、如何驱动“计算思维”-9/10,生产实习I：1学分在第4学期暑期，学科集中或分散进行安排1周，在企业、学校研究机构，实验室，工程坊等进行参观、实践和科研生产实习II：3学
10、分，学科集中组织第6学期暑期集中安排3周，在软件园、外包企业进行如，西安软件园、苏州安博软件外包基地,三、如何驱动“计算思维”-10/10,项目设计，2学分根据学科规划，依托5大科研方向【团队】，由学科学术带头人组织实施，在省部级重点实验室、工程中心实施。本学科现有1个教育部重点实验室（与系统工程合办），2个陕西省重点实验室，一个科技部国家高效能计算中心。具体项目设计方向包括：数字媒体方向（如音视频媒体编解码器）网络与信息安全（如病毒与木马检测与防护）数据挖掘（如网络日志等海量数据分析、处理）互联网技术与设备（如，网络搜索引擎，多协议数据通信网关）高性能计算（如串行程序并行化）等等,一点实践,
11、西安交通大学计算机系,一、选题目的与意义-2/2,国家迫切需要自主研发计算机系统，需要有扎实的计算机硬件/软件基础的设计师；计算机系统中的核心技术要靠自我研发完成，所以需要我们培养相关技术人才。计算机硬件设计人才的培养对今后我国各行业计算机应用和信息化技术的发展、对实现我国传统行业的经济结构转型将具有十分重要的作用。即使对于那些软件系统设计和开发者而言，不具备扎实的计算机组成与系统结构基础，也难以很好地胜任重要的底层和系统软件的开发任务，不考虑硬件结构的软件设计将难以最大限度地发挥硬件性能，所实现的程序效率和性能将是比较低下的。,桂小林26,二、总体思想-1/5,在调查国内及国外一流大学的教学
12、内容和教学模式的基础上进行分析和总结，提出计算机系统内外兼备的计算机硬件实验体系。自内采用“基于FPGA的可重构技术、学生自主设计计算机系统”的实验方案；自外采用“从应用特性出发，利用数字电路与器件技术，构建计算机应用系统”的实验方案；通过上述方案，培养学生全面的计算机硬件设计与开发能力，其中数字系统设计专题实验结合先进/流行的器件应用、重在计算机系统的设计、强调软硬件结合及计算机应用计算机组织结构专题实验基于可编程逻辑阵列FPGA，从指令系统设计入手，以功能模块设计为先导、构建基本CPU系统，然后在功能部件的基础上 ，最终实现一个基本的计算机主机系统（含流水线等、支持主机性能可测可部分量化）
13、。,桂小林27,二、总体思想-2/5,桂小林28,数字系统专题,桂小林29,二、总体思想-3/5,“蓝色模块”为需要大力“增强”的课程内容；“红色模块”为需要“增加”和可扩展的课程内容；需要研究各“模块”之间的内容衔接,二、总体思想-4/5,桂小林30,基于FPGA的可重构CPU系统,基于FPGA的可重构MEM系统,基于FPGA的可重构I/O系统,基于FPGA的可重构SIO系统,二、总体思想-5/5,桂小林31,数字系统架构设计,数字系统显示系统及接口,数字系统网络驱动接口,数字系统串行通讯接口,三. 实施方案1/5,我们首先将从芯片到计算机体系结构作为一条主线来考虑硬件课程设计和实践；这样就
14、有了比较清晰的思路；它体现出我们计算机系的学生不应该仅仅学会计算机应用技术，还应该学会对一台最基本的计算机（主机）系统进行设计和实现。 具体方法见图二,三. 实施方案2/5,图二反映了一个计算机主机系统设计的过程 它包括软件/ 硬件两部分所包括的相关模块 “红色模块”为软件和硬件之间的结合点，是设计时要重点考虑的,三. 实施方案3/5,1）在数字逻辑与系统中增讲“硬件描述语言的设计课程”，以提高实验效率和质量。2）首先对复杂的计算机系统结构的内容采用模拟软件的方式进行；3）科学划分“硬件设计实验”和“软件模拟”的比例，4）构造MIPS指令系统5）通过FPGA具体设计CPU、MEM硬件逻辑，6）
15、通过FPGA具体设计I/O接口模块，达到实用效果（如网络模块、串行通讯、USB、键盘、LED等中选择2-3个模块）。,四、工作基础1/3,2011年已初步开发了“电子系统设计专题实验”装置，以此来培养学生的实际动手能力；见图四,四、工作基础2/3,实验开发板设计实现功能目标： 8位LED指示灯电路实时钟DS1302万年历功能电路 USART通信接口电路（可作单片机和电脑的通信实验） (TWI)I2C总线 EEPROM电路（24C02） DS18B20数字测温电路 模拟A/D输入（一路电位器模拟输入）板上留有ISP及JTAG接口，与标准ISP及JTAG接口兼容 SPI同步串行通讯接口（I/O扩展
16、插座引出）,四、工作基础3/3,USB通信接口电路Ethernet网络接口电路 字符型LCD显示（1602字符型LCD接口） 字符、点阵图型LCD显示（带有中文字库128X64 LCD接口） 8位数码管显示（可作数码显示实验/电子钟等） 4个独立键盘（可作外部中断实验/普通键盘实验） 16个矩阵键盘（采用2*8结构） 四路独立PWM输出接口（I/O扩展插座引出） 蜂鸣器电路红外线遥控接收输入（可作红外线遥控器的接收解码实验）所有I/O口通过插座引出，方便用户扩展其它资源。,五.项目研究的重点,1、建立一套新的比较完整地 “计算机硬件系统实 验体系” 方案；它既反映出我国教学特点又与国外教学内容
17、接轨2、研究从可编程芯片一直到计算机系统结构的设 计和实现的完整方案3、设计出“计算机组织与系统结构”实验系统，并外包实现；4、完善“电子系统实验装置”。,六.标志性成果,教学研究论文3篇实践教学论文2篇实验指导书2本基于FPGA的可重构计算机系统组织与结构实验教学装置2套。,FPGA,开关验证,键盘验证,重构M验证,以太网验证,USB验证,RS-232验证,其他验证,西安交通大学简介,南洋公学章程,盛宣怀,1896年创办南洋公学， 以求“兴学、储才、强国”。1921年定名交通大学。1956年：交通大学内迁西安；1959年定名为西安交通大学。2000年，西安医科大学、陕西财经学院并入西安交通大
18、学，成为一所具有理工特色，涵盖理、工、医、经济、管理、文、法、哲、教育等 9个学科门类的综合性研究型大学。,学校历史及概况,1956年：成为当时全国十六所重点大学之一。1984年：国家重点建设的七所大学之一；1998年：“985工程”首批重点建设的九所大学之一2007年：入选10所“创新型工程科技人才培养计划”高校；2009年：入选11所“拔尖大学生培养计划”高校2009年：首批“985”高校签订一流大学人才培养合作与交流协议书（简称C9），实现课程互选、学分互认，相互推荐研究生，共同培养拔尖人才。2009年：和清华、南大等五校合作开展自主招生。,百年名校，列入所有国字号计划,西安交大在115
19、年的办学历程中，始终坚守大学的核心价值：弘扬兴学强国、艰苦创业的精神，秉承崇德尚实、严谨治学的传统，陶养爱国爱校、饮水思源的品格，坚持“起点高、基础厚、要求严、重实践”，开拓创新，精勤育人，培养最优秀人才，始终是一代又一代西安交大人矢志不渝的追求。,“饮水思源” 纪念碑,思源活动中心,办 学 特 色,培养正确的人生观和价值观，懂得珍爱生命、尊重他人，具有责任感、公民意识和团队精神；让优秀成为习惯，培养学生平和的心态、谦虚的气质、坚韧的意志和良好的习惯。校训：精勤求学，敦笃励志，果毅力行，忠恕任事,遵循唐文治校长“欲成第一等学问、事业、人才，须先砥砺第一等品行”的教育思想，培养学生具备良好品行。
20、,1. 以德为先，注重人格养成,以班级为基本单位，将不同专业、不同年级的同学安排在同一书院居住，促进学生之间的交流和学习；自我管理；“学贵得师，亦贵得友”，学院教师作为书院的学业导师，亦师亦友的关系，共同分享大学生活。,2、本科生双院制：学院+书院,书院有专兼结合的辅导员队伍、服务于书院社区的管理员和来自不同专业学院的老师，这三支队伍紧密配合，共同服务于学生的培养和健康成长思想活跃，学习活跃，生活活跃。彭康,2、本科生双院制：学院+书院,彭康书院,文治书院,南洋书院,宗濂书院,仲英书院,崇实书院,励志书院,启德书院,3. 工程坊：创新意识与能力的培养,现代大学不可或缺三要素： 1、图书馆-书本
21、知识 2、网络-数字化知识信息 3、工程坊-动手能力培养建设一流的校内工程实践训练基地“工程坊”，16000平方米；投入6000万经费；小制作，大发明；面向全校本科生开放；实施卓越工程师培养计划,创意艺术中心,工程训练中心,“合格大学”，必须先把教育教学搞好；“好的大学”，尤其要重视学生的人格养成，培养做人做事的本领；“优秀大学”，对于人才培养，除了卓越的教育教学，人格养成，还需要重视体育精神的培养；倡导体育精神对年青人的心智成长和行为养成具有十分重要而积极的意义。,4、体育精神的培养,体育教师进书院，指导大学生体育社团和群体体育活动；逐步改变单一上课的体育课教学，组建各类体育社团或俱乐部，创造条件让所有学生根据自身条件，自主选择参加一两个体育俱乐部，培养同学们崇尚体育的精神。,4、体育精神的培养,THANKS,
