臧斌宇

摘 要：當前互聯(lián)網(wǎng)+、云計算、大數(shù)據(jù)、機器學習技術不斷成熟，從基礎設施、計算模式、信息資源、信息應用等多個維度的技術進步來看，信息社會走進了一個全新的時代。在新的時代背景下，新的機遇和挑戰(zhàn)要求我們對中國的計算機類本科專業(yè)課程體系進行新的思考、評估與重構。本文旨在以上海交通大學軟件工程專業(yè)為具體案例，討論并探索當前中國計算機類本科專業(yè)課程體系改革。本文首先分析了計算機類本科專業(yè)知識體系發(fā)展的三個階段，然后詳細介紹了上海交通大學軟件工程本科專業(yè)的專業(yè)課程體系，最后介紹了該課程體系的三個特色。

關鍵詞：軟件工程；課程體系；知識體系；實踐體系；系統(tǒng)能力；問題導向

一、計算機類本科專業(yè)知識體系發(fā)展的三個階段

進入21世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)時代的到來極大地改變了人們的日常工作和生活方式。當前支持互聯(lián)網(wǎng)時代的核心技術是：云計算、大數(shù)據(jù)和機器學習。這些技術的迅速興起和廣泛普及，深刻地影響了計算機類本科專業(yè)的知識體系，將計算機類本科專業(yè)的知識體系帶入互聯(lián)網(wǎng)時代?；仡欉^去，計算機類本科專業(yè)知識體系的發(fā)展，總的來說可以分為三個階段。前兩個階段均處于20世紀，那是典型的單機時代的知識體系；而第三階段則是興起于21世紀初的互聯(lián)網(wǎng)時代的知識體系，與前兩個時代有著明顯的區(qū)別。

具體而言，計算機類本科專業(yè)知識體系的第一階段為20世紀70年代中期至80年代中期，那個時期呈現(xiàn)出百家爭鳴之局面。由于計算機學科的理論和技術均未成熟，其間教學內容不得不面面俱到，從而呈現(xiàn)出紛繁多樣的“百科全書”式的特點。例如：因為有小型機，所以有了“計算機組成”課程；因為有大型機和巨型機，所以有了“計算機體系結構”課程；因為有了微型機，所以有了“微機原理”課程。另外，由于沒有主流的系統(tǒng)，因而缺乏足夠的、合適的實驗題目讓學生得到充分訓練，從而導致了課程體系呈現(xiàn)偏重理論和概念、缺乏具體實踐的特點。該階段典型的教材有名為《編譯原理》的“龍書”和名為《操作系統(tǒng)概念》的“恐龍書”。

計算機類本科專業(yè)知識體系的第二階段為20世紀80年代中期至20世紀末期。在這一時期以單機為主的技術逐漸成熟，例如：處理器設計技術、操作系統(tǒng)技術、程序設計語言和編譯技術、關系型數(shù)據(jù)庫、TCP/IP，等等。因此，計算機教學方面也有了主流的理論和平臺。該階段的教科書具有以實際系統(tǒng)為主線的特點，代表性教材有被稱為“虎書”的《現(xiàn)代編譯原理》以及《計算機組成與設計——硬件軟件接口》《計算機體系結構：量化研究方法》等。該階段的理論教學更加深入，與此同時課程實驗的地位顯著提高，主流課程的實驗呈現(xiàn)出難度大、強度高的特點。

我國于改革開放之初引進了大量西方的教材和教學體系，因此國內的計算機類知識體系也是脫胎于第一個階段的。21世紀初，部分“985工程”高校開始學習國外的先進經(jīng)驗，著手改革教學內容，這些學校的知識體系進入了計算機教學的第二階段。但總的說來，還沒有進入21世紀以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新時期。

計算機類本科專業(yè)知識體系的第三階段為21世紀初期至今。與科學研究采用化繁為簡的還原論不同，工程技術多采用由簡入繁的綜合方法。隨著將過去單個的計算機通過網(wǎng)絡互聯(lián)構成了更大規(guī)模的計算平臺，計算機領域迎來了互聯(lián)網(wǎng)時代。互聯(lián)網(wǎng)時代無論是硬件平臺，還是支撐軟件平臺，或者應用領域的規(guī)模都比單機時代有了顯著增大。因此，在互聯(lián)網(wǎng)時代，計算機類本科專業(yè)的知識體系總體上呈現(xiàn)出“上浮”的趨勢，所涉及的系統(tǒng)規(guī)模顯著擴大，并逐漸轉為面向整個互聯(lián)網(wǎng)，特點是更加注重軟件本身。我國由于在21世紀初設立了軟件工程本科專業(yè)，因此可以很好地適應互聯(lián)網(wǎng)時代計算機知識越來越軟件化的趨勢。軟件構造是工程問題，而工程問題都必然遵從綜合論的法則，必然從簡單向復雜發(fā)展，因此軟件愈加復雜是必然的趨勢。

軟件系統(tǒng)的復雜性增加，意味著有更多的知識需要講授。但是大學四年的時間是有限的，原有的計算機本科專業(yè)知識體系已被單機系統(tǒng)撐滿，要增加新的內容就必須舍棄部分舊內容，課程重構是達到這一目標的有效途徑。進入新世紀以來，卡耐基梅隆大學、斯坦福大學、麻省理工學院等高等學府開始了課程重構，課程內容濃縮了單機基礎，更加面向互聯(lián)網(wǎng)。課程目標更加關注培養(yǎng)學生對于問題、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的抽象能力。其典型課程不再為單一系統(tǒng)，轉而向更加綜合的方向發(fā)展，典型教材有《C++程序設計：基礎、編程抽象與算法抽象》《深入理解計算機系統(tǒng)》《計算機系統(tǒng)設計原理》等。該階段仍在不斷演化，以適應云計算、移動計算、大數(shù)據(jù)、機器學習等技術。

當主流的計算機教學日益呈現(xiàn)軟件化的趨勢后，計算機硬件類的人才如何培養(yǎng)？這時電子工程本科專業(yè)開始出現(xiàn)“上浮”現(xiàn)象，它依然是工程技術遵循綜合論法則的必然結果。傳統(tǒng)的電子工程領域隨著數(shù)字電路模塊化規(guī)模的提高，開始進入傳統(tǒng)的計算機體系結構領域，CPU芯片設計既需要電路基礎也需要體系結構的基礎，甚至為新的CPU編寫操作系統(tǒng)、編譯器、運行環(huán)境都成為芯片設計公司自己的責任。因此新的計算機工程專業(yè)由電子工程專業(yè)孕育而生，該專業(yè)必然將主宰傳統(tǒng)的以單CPU為主的教學領域。

二、上海交通大學軟件工程本科專業(yè)課程體系

為了適應新時代軟件人才培養(yǎng)需要，上海交通大學軟件學院對軟件工程本科專業(yè)課程體系改革進行了積極的探索。本文通過介紹上海交大軟件工程本科專業(yè)課程體系，希望能夠對新工科背景下計算機類本科專業(yè)課程體系如何進行改革起到拋磚引玉的作用。

上海交大軟件工程本科專業(yè)課程體系設計的指導思想是：適應新時代的技術發(fā)展，使學生在軟件領域的知識和能力得到很好的培養(yǎng)，畢業(yè)后成為優(yōu)秀的軟件工程師。

在課程體系設計上，我們首先采用了“核心課+方向課+綜合課（Capstone course）”的模式，這是國際上計算機類本科課程體系普遍采用的模式。與我國傳統(tǒng)的計算機類本科專業(yè)課程體系相比，該模式首先精簡了必修課程，增加了非常綜合的整合式課程，同時將大量傳統(tǒng)的必修課改為方向課。其次，增加了大量的實踐環(huán)節(jié)，最后一年只安排畢業(yè)設計，這樣就保障了學生有充足的時間進行企業(yè)實習。上海交通大學的學期為兩長一短，春秋兩個學期各18周（含兩周考試周），暑期學期為4周。我們在大一、大二的兩個小學期都安排了實踐類課程。大三的小學期和第七學期的企業(yè)實習連在一起。再次，我們增加了企業(yè)課程，這既可以滿足卓越工程師計劃的要求，也能更好地滿足工程教育認證中對非技術能力的培養(yǎng)要求。

核心課程是軟件工程專業(yè)全部學生都必須完成的專業(yè)基礎課程。理論課部分有四個模塊：問題求解、系統(tǒng)基礎、應用基礎、軟件工程，共有10門課程，計36學分（含實驗與習題課學分）。問題求解模塊包括：程序設計與數(shù)據(jù)結構、算法原理、機器學習；系統(tǒng)基礎模塊包括：計算機系統(tǒng)基礎（上、下）、計算機系統(tǒng)工程；應用基礎模塊包括：基于平臺的開發(fā)、數(shù)據(jù)庫設計；軟件工程模塊包括：軟件工程基礎、軟件測試。幾乎所有的課程均配備了充實的實驗內容供學生進行實踐。核心課程設置的特色是：第一，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的特征，結合學習美國計算機四大名校的課程體系，重構了傳統(tǒng)的多門計算機基礎課程，致力于保證學生計算機軟件相關知識框架的整體性和先進性，強化基本功的訓練；第二，新設了應用基礎模塊，強化應用能力的培養(yǎng)；第三，突出了軟件工程模塊，強調軟件工程的專業(yè)特色；第四，增加了“機器學習”課程，以適應智能化時代的發(fā)展。

核心課程還包括兩門暑期實踐課。第一門課要求每個學生使用復雜數(shù)據(jù)結構開發(fā)一個文件型數(shù)據(jù)庫，其中也包含了初步的軟件開發(fā)流程體驗；第二門課要求學生以團隊協(xié)作的方式完成一個軟件開發(fā)項目，該項目從需求開始到最終的部署運維結束。

必修課程還有部分是企業(yè)課，旨在培養(yǎng)學生成為合格軟件工程師的非技術能力，共設置6門課程（各1學分）。其具體包括設置在第二學期的“軟件工程職業(yè)素養(yǎng)”，第五學期的“軟件工程經(jīng)濟學”“ 企業(yè)軟件過程與管理”和“企業(yè)軟件質量保證”，以及第六學期的“軟件知識產(chǎn)權保護”和“軟件產(chǎn)品設計及用戶體驗”。這些課程的教學由軟件行業(yè)的專家進行教學，保證課程與行業(yè)實際的緊密結合。

方向課程將技術細節(jié)進行分類，在高年級按類介紹技術細節(jié)，強化學生在某一方面的專門知識。共設立三個方向的課程，每位學生必須選擇一個方向并完成該方向的所有課程。三個方向分別為：系統(tǒng)軟件方向、數(shù)字媒體與應用方向、信息系統(tǒng)方向，每個方向設有4門方向課，每門課3學分。其中，系統(tǒng)軟件方向課有“編譯原理與技術”“數(shù)字部件設計”“操作系統(tǒng)”“計算機體系結構”。數(shù)字媒體與應用方向課有“計算機視覺”“計算機圖形學”“操作系統(tǒng)”“人機界面與交互”“游戲設計與開發(fā)”。信息系統(tǒng)方向課有“信息系統(tǒng)工程”“信息系統(tǒng)分析與設計”“企業(yè)級應用系統(tǒng)體系架構”“數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘”。

綜合課程也是按三個方向開設，每門課3學分。它們分別是：“分布式系統(tǒng)”“游戲設計與開發(fā)”“企業(yè)信息系統(tǒng)綜合設計與實現(xiàn)”。綜合課程有少量的課程講解，課程的主要目標是要求學生團隊協(xié)作，完成一個復雜的軟件系統(tǒng)設計與開發(fā)，包括問題的調研、分析、建模、開發(fā)、測試。主要強調培養(yǎng)學生的分析、評價與創(chuàng)造能力。

表1給出了上述各個專業(yè)主干課的學期安排情況。

三、上海交通大學軟件工程本科專業(yè)課程體系三大特色

1.以課程融合的方式實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)時代系統(tǒng)能力的培養(yǎng)

我們注重培養(yǎng)每一位學生在互聯(lián)網(wǎng)時代的系統(tǒng)能力。因此我們對傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)類課程進行重構。具體而言，傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)類課程包括“匯編”“計算機組成”“體系結構”“操作系統(tǒng)”“編譯原理”“計算機網(wǎng)絡”。我們將這些課程融合為三門計算機系統(tǒng)類課程。這些課程從兩個維度設計。第一個維度是程序員的角度，開設了“計算機系統(tǒng)基礎（上）、（下）”兩門課程；第二個維度是系統(tǒng)設計者的角度，開設了“計算機系統(tǒng)工程”。兩個維度互為補充，相得益彰。課程融合使得傳統(tǒng)教學內容大為凝練，互聯(lián)網(wǎng)時代下系統(tǒng)能力的新知識得以增添。融合后的三門課程，更加貼近技術的新發(fā)展，課程前后融會貫通一氣呵成，成為計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的通識教育。

“計算機系統(tǒng)基礎”課程采用了卡耐基梅隆大學的《深入理解操作系統(tǒng)》作為主要教材，威斯康星大學的《操作系統(tǒng)——三個輕松的篇章》作為補充教材。該課程深入淺出地介紹了計算機系統(tǒng)中的重要知識，涵蓋了傳統(tǒng)多門系統(tǒng)類課程的內容。這門課程的教學內容更加關注現(xiàn)代處理器和操作系統(tǒng)細節(jié)，以及并發(fā)和網(wǎng)絡程序設計，主要包括以下四個方面。

（1）匯編篇：主要介紹二進制、匯編以及鏈接的技術；

（2）計算機組成篇：主要介紹CPU流水線、超標量技術、存儲層次、程序優(yōu)化相關知識；

（3）系統(tǒng)與網(wǎng)絡程序設計篇：主要介紹系統(tǒng)調用（進程與I/O相關系統(tǒng)調用）、套接字編程、多線程程序設計、并發(fā)數(shù)據(jù)結構。

（4）操作系統(tǒng)篇：介紹操作系統(tǒng)中進程、虛存、I/O抽象，介紹進程調度、頁面淘汰策略，介紹關于鎖、條件變量、信號量的實現(xiàn)機制。

“計算機系統(tǒng)工程”課程采用的教材是由兩位美國工程院院士、麻省理工學院的Jerome H. Saltzer教授和Frans Kaashoek合作編寫的《計算機系統(tǒng)設計原理》。我們面向互聯(lián)網(wǎng)時代的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)需求，將課程改造為培養(yǎng)學生“大”系統(tǒng)觀。這門課程培養(yǎng)學生的復雜系統(tǒng)控制能力，即如何使用模塊化、層次化、抽象等方法分析、控制以及設計復雜龐大的計算機系統(tǒng)。與此同時，該課程也結合工業(yè)界和學術界的實際系統(tǒng)介紹并分析互聯(lián)網(wǎng)時代下大系統(tǒng)的固有屬性：互聯(lián)性、容錯性、原子性、一致性、安全性。

這門課程以虛擬化技術和分布式系統(tǒng)等互聯(lián)網(wǎng)時代的主流技術為主線，以系統(tǒng)虛擬化，以及分布式系統(tǒng)的計算模塊、存儲模塊、通信模塊等為案例，展開對大系統(tǒng)屬性的介紹。例如，該課程會以“杭州光纖被挖斷，支付寶癱瘓兩小時而同期的淘寶卻能正常工作”的新聞引出阿里巴巴數(shù)據(jù)中心的“異地雙活”特性，進而介紹大系統(tǒng)的容錯性、數(shù)據(jù)一致性等內容。

通過課程融合培養(yǎng)學生大系統(tǒng)能力的方式與傳統(tǒng)計算機課程體系形成鮮明對比。傳統(tǒng)的計算機課程，僅局限于單機系統(tǒng)的能力培養(yǎng)，流行的思路是：所有學生都要在FPGA上開發(fā)處理器，在該處理器上開發(fā)操作系統(tǒng)，進而在學生自己的處理器和操作系統(tǒng)上完成一個編譯器的開發(fā)。然而，我們的課程體系將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)與具體而深入的系統(tǒng)開發(fā)相分離：所有軟件工程專業(yè)的本科學生都將接受貼近互聯(lián)網(wǎng)時代的系統(tǒng)能力訓練，而高年級后只有選擇系統(tǒng)軟件方向的學生才會進行處理器、操作系統(tǒng)、編譯器等的具體開發(fā)。

2.以新技術為導向培養(yǎng)學生解決問題的能力

問題求解能力主要是指學生能夠將物理世界的問題轉化為數(shù)字世界的問題，因此我們在核心課程中設計了問題求解課程模塊。這些課程傳統(tǒng)上包括程序設計、數(shù)據(jù)結構以及算法設計。這些課程內容趨于老化，很多學校的教學內容和三十年前沒有太大的區(qū)別。應當緊密地圍繞新技術進行設計安排，否則學生學完之后依舊感覺與現(xiàn)實脫節(jié)，不知道所學的知識在現(xiàn)實中如何應用。

在設計問題求解模塊時，我們首先還是注重課程融合，例如教授程序設計的同時教授數(shù)據(jù)結構相關知識；其次我們除了講授傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構與算法外，還強調了并發(fā)數(shù)據(jù)結構與并行算法；最后，我們突出了數(shù)據(jù)結構與算法的應用，在課程中有大量的包括了大數(shù)據(jù)與機器學習的案例，具體案例如下。

一是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構應用。（1）實現(xiàn)文件型數(shù)據(jù)庫。①采用文件型數(shù)據(jù)持久化保存整個系統(tǒng)信息；②將B+樹或Hash表等數(shù)據(jù)結構保存到文件中；③實現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入、修改、刪除、查找。這些內容可以讓學生了解復雜數(shù)據(jù)結構在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的核心作用。（2）mini-basic解釋器。①采用多叉樹和線性表等數(shù)據(jù)結構進行程序的中間表示；②采用自頂向下法則分析語句；③采用逆波蘭解析法將表達式轉化為二叉樹的形式。這些內容可以培養(yǎng)學生開發(fā)簡單程序設計語言解釋器的能力，既涵蓋了編譯原理中的部分內容，又能夠充分理解數(shù)據(jù)結構在編譯器中的重要性，以及類與子類的巧妙運用。

二是大數(shù)據(jù)存儲與分析。（1）鍵值分離存儲。①采用并發(fā)數(shù)據(jù)結構Cuckoo Hash；②實現(xiàn)該數(shù)據(jù)結構上的并行Get/Put；③針對不同數(shù)據(jù)集分析算法的性能。（2）復雜網(wǎng)絡分析。①采用最小生成樹并行算法，進行社區(qū)分析以及消息傳播途徑分析；②采用不同的數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)并行算法，如基于矩陣的并行實現(xiàn)或者基于鄰接鏈表的并行實現(xiàn)。（3）PageRank算法。①介紹基本算法；②介紹基于矩陣以及基于圖結構的兩種不同的實現(xiàn)方式；③采用該方法進行社交網(wǎng)絡中的影響力分析以及網(wǎng)頁相關性搜索。

這些內容以大數(shù)據(jù)存儲和分析為案例，突出了數(shù)據(jù)結構在大數(shù)據(jù)中的作用，也讓學生了解了并行算法如何在實際問題求解中發(fā)揮作用。

三是人工智能應用。（1）路徑導航算法。①Dijkstra算法；②A*算法；③并發(fā)A*算法。（2）車型識別。①矩陣數(shù)據(jù)結構；②最簡單的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡；③通過數(shù)據(jù)集訓練；④識別指定汽車的車型。

這些內容以人工智能應用為案例，突出了數(shù)據(jù)結構在人工智能中的作用，也讓學生初步了解了一些人工智能算法。

3.結合工程教育認證設計新的實踐體系

工程教育認證要求按層次培養(yǎng)學生的技術能力。一般技術能力的層次可以按照BLOOM分類法，將能力由低到高分為：記憶、理解、應

用、分析、評價、創(chuàng)造六個層次。然而傳統(tǒng)的教學多停留在前三個低層次的能力培養(yǎng)上，鮮有教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的分析、評價和創(chuàng)造能力。

當前我們正在致力于建立一套多層次循序漸進的面向能力培養(yǎng)的實踐體系。我們將能力分為基礎、應用、分析、綜合這四個由高到低的層次。表2簡要介紹了這四個層次的內涵：它們從記憶和理解起步，逐漸向應用能力、分析能力、評價與創(chuàng)新能力發(fā)展。這四個層次要求學生學習不同規(guī)模的軟件開發(fā)，由低到高分別是：功能設計、模塊設計、系統(tǒng)設計和工程設計。

下面以系統(tǒng)軟件為例介紹這四個層次。

第一層為基礎層?；窘虒W要求是使學生掌握系統(tǒng)的安裝和使用，通過工具和仿真感知運行機理，通過功能設計和應用優(yōu)化系統(tǒng)理解工作原理。在具體實踐方面，學生需要能夠自主完成一些功能設計，諸如小型語言解釋器、小型匯編器、C語言庫函數(shù)、簡單CPU仿真器、進程控制臺、Web代理等。

第二層為應用層。基本教學要求是讓學生掌握構建平臺的能力。例如：利用多個docker容器構建分布式平臺，該平臺擁有處理、存儲和一致性容錯模塊；讓學生掌握將實際問題映射到具體系統(tǒng)的能力，比如能夠應用PageRank算法分析社交網(wǎng)絡（微博）中用戶的影響力。在具體實踐方面，學生還需要能夠獨立完成一些系統(tǒng)中的模塊設計，比如文件型數(shù)據(jù)庫、鍵值存儲系統(tǒng)、路徑規(guī)劃、RPC模塊和分布式鎖服務、分布式文件系統(tǒng)、基于一致性協(xié)議的分布式容錯服務等。

第三層為分析層。基本要求是培養(yǎng)學生分析問題和優(yōu)化系統(tǒng)性能的能力。例如：要求學生能夠將第二層的問題移植到公有云平臺上，并且能夠在移植后對該問題進行行為和性能分析，進而發(fā)現(xiàn)各模塊內和模塊間的性能瓶頸和互操作問題，最后對基于分析發(fā)現(xiàn)的問題進行系統(tǒng)層和應用層的優(yōu)化。其中系統(tǒng)層優(yōu)化需要根據(jù)應用特征和數(shù)據(jù)特征調整系統(tǒng)各模塊的參數(shù)，應用層的優(yōu)化需要根據(jù)各模塊的行為和性能特征調整和優(yōu)化應用程序。在具體實踐方面，還要求學生能夠進行原型系統(tǒng)設計，如設計小型操作系統(tǒng)、設計小型語言編譯器、在FPGA上設計小型CPU等。

第四層為綜合層?；疽笫桥囵B(yǎng)學生具有如下能力：分析具體業(yè)務問題，在不同的方案中進行評估選擇，并且最終完成整個工程項目。它要求學生能夠針對特定應用需求、基于受限系統(tǒng)級平臺進行模塊選型，并且確立設計方案、完成系統(tǒng)實現(xiàn)。在具體實踐方面，學生需要完成例如基于電商用戶購物數(shù)據(jù)的商品推薦，平臺限制是基于特定配置的公有云。在此過程中，學生需要能夠獨立自主地根據(jù)問題特征（問題規(guī)模、應用特性、數(shù)據(jù)特征）和系統(tǒng)特征（系統(tǒng)架構、公有云環(huán)境約束）進行模塊選型，然后對各個設計方案進行分析、對比、仿真、預測、優(yōu)化，最終完成系統(tǒng)實現(xiàn)。

[責任編輯：余大品]