鄭緯民

摘 要：計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)生應(yīng)該能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，包括中央處理器（CPU）、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等;能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專門系統(tǒng)，包括軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等;能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)。本文主要內(nèi)容包括三個(gè)方面：首先分析什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，它的內(nèi)涵是什么;其次從計(jì)算機(jī)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的需求兩個(gè)方面說(shuō)明為什么要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能力培養(yǎng);最后從計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系建設(shè)環(huán)節(jié)需加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)和計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能力培養(yǎng)的關(guān)鍵兩個(gè)方面說(shuō)明如何加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng);系統(tǒng)能力培養(yǎng);課程體系;培養(yǎng)方案、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的定義與內(nèi)涵

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能自覺(jué)運(yùn)用系統(tǒng)觀，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性，并用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用的機(jī)制的能力。通過(guò)掌握軟硬件接口和運(yùn)行協(xié)同機(jī)理、軟硬件邏輯關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和交互模式等知識(shí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本能力，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用和創(chuàng)新的價(jià)值。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的內(nèi)涵主要包括三個(gè)方面。一是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)能力。即學(xué)生可以運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，包括中央處理器（CPU）、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)最基本的系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)。二是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)能力。即學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專門系統(tǒng)，例如軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等，稱為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)。三是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能力。即可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

二、為什么要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能力培養(yǎng)

強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，是計(jì)算機(jī)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，同樣也是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的需求。

1.計(jì)算機(jī)創(chuàng)新人才需要具備系統(tǒng)能力

隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建立和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的普及，我們可以清楚地看到，計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的“程序性開(kāi)發(fā)能力”正在轉(zhuǎn)化為更重要的“系統(tǒng)性設(shè)計(jì)能力”。為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜應(yīng)用，編寫出高效程序，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員必須了解系統(tǒng)平臺(tái)的底層結(jié)構(gòu)，并熟練掌握其中的技術(shù)和工具。同時(shí)，要求在整體的系統(tǒng)層面綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)方案的最優(yōu)化，以強(qiáng)大的底層技術(shù)來(lái)保證各項(xiàng)復(fù)雜功能的高效實(shí)現(xiàn)。正如圖靈獎(jiǎng)得主David Patterson指出：“在異構(gòu)計(jì)算的時(shí)代程序員必須對(duì)于算法和硬件模型融會(huì)貫通，才能寫出高質(zhì)量的代碼。因此，未來(lái)的程序員還必須懂硬件！”

2.計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的需求

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，崛起一大批高水平的IT企業(yè)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)也已成為國(guó)家創(chuàng)新的龍頭，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要支撐作用，但仍存在缺乏核心技術(shù)、發(fā)展頻受扼制的問(wèn)題，這對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的能力提出了新要求。與此同時(shí)，我國(guó)高校在世界上的排名大幅度躍升，我國(guó)高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)直接和世界一流大學(xué)相關(guān)專業(yè)合作交流與競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越緊密。高等學(xué)校尤其是計(jì)算機(jī)專業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的定位有了提升，迫切需要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)具備推動(dòng)計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的優(yōu)秀人才。學(xué)生個(gè)人的成長(zhǎng)空間也將大幅擴(kuò)展，成為各行各業(yè)的領(lǐng)軍人才、領(lǐng)袖人物。

系統(tǒng)能力是支撐計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。從20世紀(jì)60年代的大型機(jī)時(shí)代、80年代的微型機(jī)時(shí)代，到90年代的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，再到進(jìn)入21世紀(jì)的云計(jì)算時(shí)代，正是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷迭代，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)復(fù)雜性的提高與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)提出了更高的要求。

系統(tǒng)能力是大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價(jià)值和潛力已被廣泛認(rèn)知，數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)價(jià)值的發(fā)掘與應(yīng)用、算法的時(shí)效性等均依賴于數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)依賴于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。因此，高效能、高可擴(kuò)展、高可用的大數(shù)據(jù)依賴于計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)，是大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)能力是人工智能發(fā)展的核心實(shí)力。人工智能作為深刻改變社會(huì)生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的顛覆性技術(shù)，正引領(lǐng)著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命向縱深推進(jìn)，重構(gòu)著人類的生產(chǎn)、生活方式以及思維模式。人工智能的發(fā)展作為一門學(xué)科獨(dú)立存在，到今天已經(jīng)有60余年的歷史了。1956年達(dá)特茅斯會(huì)議首次提出了“Artificial Intelligence”（人工智能，AI）這個(gè)術(shù)語(yǔ)，1959年Arthur Samuel 又提出了“機(jī)器學(xué)習(xí)”這一定義，推翻了以往“機(jī)器無(wú)法超越人類，不能像人一樣寫代碼和學(xué)習(xí)”這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。但到了20世紀(jì)70年代，由于機(jī)器翻譯等項(xiàng)目失敗以及一些學(xué)術(shù)報(bào)告的負(fù)面影響，導(dǎo)致人工智能發(fā)展陷入低谷。1985年，又出現(xiàn)了更強(qiáng)可視化效果的決策樹(shù)模型，1997年人工智能Deep Blue戰(zhàn)勝了世界國(guó)際象棋冠軍，近年來(lái)深度學(xué)習(xí)廣受關(guān)注、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，以及AlphaGo圍棋人機(jī)大戰(zhàn)，人工智能真正成為世界各國(guó)贏得全球科技競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的重要戰(zhàn)略抓手。縱觀人工智能的發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)，人工智能設(shè)計(jì)的核心技術(shù)主要包括算法（深度學(xué)習(xí)）、算力（以GPU、TPU等為代表的AI芯片及超級(jí)計(jì)算機(jī)）、數(shù)據(jù)（大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)集），而這些都需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支撐，都是建立在系統(tǒng)能力之上。

系統(tǒng)能力是解決卡脖子技術(shù)的關(guān)鍵能力。2018年，《科技日?qǐng)?bào)》相繼報(bào)道35項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，包括芯片、操作系統(tǒng)、核心工業(yè)軟件、核心算法、航空設(shè)計(jì)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。習(xí)近平總書(shū)記在網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會(huì)上的講話中指示，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)安全就沒(méi)有國(guó)家安全。解決這些“卡脖子”難題，需要我們聚焦核心技術(shù)，加大科研投入，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才的系統(tǒng)能力。

系統(tǒng)能力是進(jìn)行高端工程的關(guān)鍵能力。高端工程研發(fā)有別于大學(xué)中常見(jiàn)的基礎(chǔ)研究工作，既要有先進(jìn)的技術(shù)和理念，又要產(chǎn)出實(shí)際可用的系統(tǒng)特別是產(chǎn)出基礎(chǔ)性平臺(tái)。基礎(chǔ)性平臺(tái)的影響是非常深遠(yuǎn)的，以加州大學(xué)伯克利分校為例，他們研制的BSD操作系統(tǒng)、PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以及最近的軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN，都對(duì)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生了極大的影響。系統(tǒng)能力關(guān)注交叉性、基礎(chǔ)性和工程性，是進(jìn)行高端工程的關(guān)鍵能力。

三、如何加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)

1.課程體系建設(shè)環(huán)節(jié)需加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)

加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，有必要對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系進(jìn)行改革。這方面一些國(guó)內(nèi)外著名高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的系統(tǒng)類課程設(shè)置做了一些很好的示范。以麻省理工學(xué)院（MIT）培養(yǎng)方案為例，該校開(kāi)設(shè)了Introduction to EECS via Robotics，Introduction to EECS via Communicatio n Networks，Computation structure，Microelectronic Devices and Circuits，Electronics Project Laboratory，Computer System Engineering等基礎(chǔ)課程，課程體系縱向貫穿，系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程占培養(yǎng)方案較大比例，系統(tǒng)能力培養(yǎng)貫穿本科幾乎所有學(xué)期。如系統(tǒng)類基礎(chǔ)課6.01 Introduction to EECS 1，課程內(nèi)容縱向貫穿Programming，Python，Control systems，Inference，Probability，Sensons and effectors，Circuits and transducers等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，系統(tǒng)能力自底向上培養(yǎng)綜合貫穿，實(shí)踐性強(qiáng)。再如卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU），該校計(jì)算機(jī)專業(yè)同樣注重在課程體系中貫穿系統(tǒng)能力培養(yǎng)，以15213 Introduction to Computer System為例，該門課程包括Machine level code and its generation by optimizing compilers，Performance evaluation and optimization，Computer arithmetic，Memory organization and management，Networking technology and protocols，Supporting concurrent computation等內(nèi)容，從編程者角度理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，課程體系縱向貫穿。

但是，我們必須清楚地認(rèn)識(shí)到，目前我國(guó)系統(tǒng)能力培養(yǎng)仍然面臨著諸多問(wèn)題。一是教學(xué)理念落后。專業(yè)人才培養(yǎng)重知識(shí)、輕能力，尤其是對(duì)全面的系統(tǒng)能力培養(yǎng)認(rèn)識(shí)不足。二是教學(xué)目標(biāo)單一。高校普遍采用統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)和因材施教。三是教學(xué)手段陳舊。各門課程獨(dú)立規(guī)劃、獨(dú)立教學(xué)，造成了知識(shí)體系中知識(shí)點(diǎn)冗余和銜接關(guān)系脫節(jié)。從教學(xué)方法上看，各門課程采取“橫向”分析式教學(xué)方法較多，但很少采用“縱向”視角，系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)手段缺乏。

因此，我們系提出了系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系建設(shè)的新思路：分層、雙向。計(jì)算機(jī)科學(xué)內(nèi)涵豐富，從底層到頂層，涵蓋CPU、操作系統(tǒng)/編譯系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)/軟件設(shè)計(jì)/嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用等多個(gè)層級(jí)?；诰幊桃暯?，課程體系自頂向下，深入貫通;基于系統(tǒng)視角，課程體系自底向上、綜合貫穿。

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)貫徹統(tǒng)一的系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)理念，以縱向視角組織教學(xué)內(nèi)容與方法，采用基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，先后開(kāi)設(shè)了數(shù)字邏輯電路、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、網(wǎng)絡(luò)原理6門課程，實(shí)現(xiàn)了課程體系的縱向貫通。讓學(xué)生具備自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一臺(tái)簡(jiǎn)單完整計(jì)算機(jī)的能力，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀點(diǎn)，掌握系統(tǒng)方法，增長(zhǎng)系統(tǒng)能力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程橫縱向梳理知識(shí)體系，以明確各課程教學(xué)內(nèi)容，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次間的聯(lián)系。通過(guò)明確系統(tǒng)培養(yǎng)概念，統(tǒng)一知識(shí)體系，確?？v橫向知識(shí)點(diǎn)完備。橫向角度確定各課程的主要知識(shí)點(diǎn)，避免冗余，并確保同層次內(nèi)容的完整性;貫徹“縱向”視角，明確層次之間的銜接點(diǎn)，從各個(gè)課程的相互關(guān)系（也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)層次的相互關(guān)系）入手，對(duì)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面說(shuō)明（見(jiàn)圖1）。

2.實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的關(guān)鍵

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于系統(tǒng)能力培養(yǎng)而言，理論知識(shí)的應(yīng)用、系統(tǒng)概念的建立、動(dòng)手能力的訓(xùn)練、創(chuàng)新素養(yǎng)的習(xí)得，都與實(shí)驗(yàn)教學(xué)密不可分。實(shí)驗(yàn)體系的建立作為課程體系的重要組成，要銜接課程知識(shí)，面向系統(tǒng)整體。

目前國(guó)外高校的系統(tǒng)類課程實(shí)驗(yàn)體系較為典型的有麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（MIT EECS）。比如，其課程方向Course 6-3： Computer Science and Engineering就包括從系統(tǒng)入門到專業(yè)課程，再到系統(tǒng)綜合的4個(gè)層次的完整實(shí)驗(yàn)體系。其中，第一個(gè)層次一般實(shí)驗(yàn)包括電機(jī)控制等簡(jiǎn)單入門課程（簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，例如電機(jī)控制等），第二個(gè)層次是專業(yè)課程（課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，例如ALU設(shè)計(jì)、時(shí)序邏輯等專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)），第三個(gè)層次是獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程（獨(dú)立設(shè)課，主要包括是機(jī)械臂控制等系統(tǒng)應(yīng)用），第四個(gè)層次包括多核處理器設(shè)計(jì)等項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課程（選修實(shí)驗(yàn)，例如多核處理器設(shè)計(jì)）。比如系統(tǒng)類課程實(shí)驗(yàn)6.004 Computation Structures，涵蓋RISC-V架構(gòu)、模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、單周期處理器、運(yùn)行排序程序等內(nèi)容。再如斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系（Stanford CS），其課程分為System，Theory，Track和Electives四類。其中一般實(shí)驗(yàn)包括理論課程（編程實(shí)驗(yàn)，如CS 140中包含5個(gè)操作系統(tǒng)小實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)課程（獨(dú)立設(shè)課，大實(shí)驗(yàn)，例如 CS 140E中需要完成一個(gè)操作系統(tǒng)），系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括系列課程CS 107，CS 107A，CS107E，其中CS 107實(shí)驗(yàn)主要是C語(yǔ)言編程，觀察底層硬件如何支持程序運(yùn)行的;CS 107E實(shí)驗(yàn)是大實(shí)驗(yàn)，學(xué)生組隊(duì)在樹(shù)莓派上進(jìn)行一個(gè)軟硬件結(jié)合的應(yīng)用。加州大學(xué)伯克利分校電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（UC Berkeley EECS）課程分為L(zhǎng)ower Division （必修）和Upper Division（20學(xué)分）兩大部分。一般實(shí)驗(yàn)包括理論課程（簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，如CS 61中的部件實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)課程（獨(dú)立設(shè)課，綜合實(shí)驗(yàn)，如 CS61CL中使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)處理器）;系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)EECS151LA/B要求設(shè)計(jì)RISC V的3級(jí)流水線處理器，帶Cache和圖形加速，還要實(shí)現(xiàn)一些應(yīng)用，無(wú)操作系統(tǒng)，A為模擬器上實(shí)現(xiàn)，B為FPGA上實(shí)現(xiàn)。

縱觀國(guó)外系統(tǒng)類課程實(shí)驗(yàn)體系，我們不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)外系統(tǒng)類課程實(shí)驗(yàn)體系一般都有專門的實(shí)驗(yàn)課，課程實(shí)驗(yàn)工作量大，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)居多，大部分綜合實(shí)驗(yàn)是以團(tuán)隊(duì)形式完成的，要求本科期間完成一個(gè)綜合的系統(tǒng)層次實(shí)驗(yàn)，這些特點(diǎn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。但是也存在一些問(wèn)題，比如較少全面結(jié)合操作系統(tǒng)、編譯等課程，課程內(nèi)縱向貫通較少，課程間聯(lián)系較少，以虛擬仿真為主，等等。

清華大學(xué)在參考國(guó)外系統(tǒng)類課程實(shí)驗(yàn)體系的基礎(chǔ)上，基于自身特色，構(gòu)建了多目標(biāo)、遞進(jìn)式、迭代化的實(shí)驗(yàn)體系。為滿足不同學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)目標(biāo)要求，科學(xué)構(gòu)建了初、中、高三級(jí)實(shí)驗(yàn)，逐步遞進(jìn)、迭代培養(yǎng)學(xué)生的興趣與能力。實(shí)驗(yàn)體系逐步增加難度，減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，緩解了畏難情緒。在該實(shí)驗(yàn)體系中，能運(yùn)行程序的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是關(guān)鍵。學(xué)生在完成程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)等課程學(xué)習(xí)后，即可參與初級(jí)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)可以運(yùn)行監(jiān)控程序、具備基本輸入/輸出功能的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行交叉編譯的應(yīng)用程序;開(kāi)展中級(jí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要設(shè)計(jì)能夠運(yùn)行教學(xué)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，并運(yùn)行編譯后的應(yīng)用程序;高級(jí)實(shí)驗(yàn)中則需要設(shè)計(jì)運(yùn)行支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的系統(tǒng)，搭建路由器。學(xué)有余力的同學(xué)可以開(kāi)展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，要求設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可運(yùn)行Linux等開(kāi)源操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)路由器連接多臺(tái)教學(xué)計(jì)算機(jī)，并能構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

清華大學(xué)基于上述要求，搭建了統(tǒng)一、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——THinPad實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖2所示）。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)課程間統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)環(huán)境、統(tǒng)一規(guī)劃課程實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和工具，目前能夠支持?jǐn)?shù)字電路實(shí)驗(yàn)、處理器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、路由器實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我們系基于FPGA自主研發(fā)了硬件平臺(tái)（ThinPAD I型和ThinPAD II型），軟件平臺(tái)也覆蓋了模擬器、匯編器、仿真終端、數(shù)據(jù)通信程序、監(jiān)控程序、GCC編譯器、匯編與鏈接工具等，持續(xù)迭代和優(yōu)化完善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

但是，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)體主板往往存在以下問(wèn)題。一是實(shí)驗(yàn)板在學(xué)生手中容易損壞，維護(hù)成本高;二是實(shí)驗(yàn)時(shí)接線復(fù)雜，使用不方便;三是無(wú)法滿足MOOC等線上課程要求。我們系依托信息化技術(shù)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了Thinpad Cloud在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用純網(wǎng)頁(yè)在線實(shí)驗(yàn)環(huán)境，隨時(shí)隨地可用，不需要額外設(shè)備，為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)極大便利;后臺(tái)依托真實(shí)硬件支撐，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可復(fù)現(xiàn);對(duì)實(shí)驗(yàn)者透明，學(xué)生不用修改設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)在線環(huán)境;面向MOOC需求設(shè)計(jì)，支持批量部署，適合大范圍推廣與應(yīng)用。

[責(zé)任編輯：余大品]