楊興強(qiáng)+劉翔鵬

摘 要：以函數(shù)參數(shù)為例，本文探討了在一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中所包含的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的背景下討論一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的微觀教學(xué)過(guò)程，分析一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在各種課程中的不同呈現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，論述了課程之間在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的相互合作關(guān)系。提出了在以知識(shí)點(diǎn)為單元的教學(xué)過(guò)程中如何利用不同課程的知識(shí)以及它們之間的相互關(guān)系來(lái)培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的方法，取得了明顯的實(shí)際教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：函數(shù)參數(shù)；知識(shí)點(diǎn)；系統(tǒng)能力；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Taking the function parameter as an example，the paper explores computer system-level ability cultivation in the process of curriculum teaching based on knowledge points.The micro-teaching process is discussed under the background of computer systems.On the basis of analyzing the different presentation forms of one knowledge point in various courses，the paper expounds the cooperation relationship in computer system-level ability cultivation among courses，and presents a method to cultivate computer system-level ability by making full use of the knowledge and the interrelationship of different courses，achieving great practical teaching effects.

Keywords：function parameters；knowledge point；computer system-level ability；course teaching

1 引言（Introduction）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的背景下理解計(jì)算機(jī)知識(shí)體系中的概念和方法，并能綜合運(yùn)用系統(tǒng)中的各個(gè)部分，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)聯(lián)性，反映到教學(xué)中就是各課程之間的關(guān)聯(lián)性。然而，目前的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域中，隨著各門課程自身的發(fā)展，課程內(nèi)的結(jié)構(gòu)和邏輯性日趨合理，而課程之間、課程與系統(tǒng)之間的隔離卻變得越來(lái)越嚴(yán)重。這導(dǎo)致對(duì)學(xué)生們的知識(shí)體系的完整性和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)受到限制。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程之間業(yè)已形成的隔離，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育專家做了大量的教學(xué)研究工作。

20世紀(jì)末，美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的R.E.Bryant提出了從程序員的角度、從系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的觀點(diǎn)，并出版了《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》[1]，在計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。該書通過(guò)打破課程之間的界限，試圖對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行完整而深入的剖析，已被國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教材。2013年，教育部教執(zhí)委系統(tǒng)研究組王志英等在文獻(xiàn)[2]中介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的主要內(nèi)涵及培養(yǎng)需求，闡述了系統(tǒng)能力培養(yǎng)和課程體系設(shè)置的總體思路。2014年，袁春風(fēng)率先在南京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)開(kāi)設(shè)了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程，編寫了系統(tǒng)論述和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教材[3]。隨后，南京大學(xué)提出了四縱三橫的課程體系建設(shè)方案，在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面做了深入而系統(tǒng)的工作[4]。清華大學(xué)劉衛(wèi)東等[5]調(diào)整課程體系，統(tǒng)一規(guī)劃課程內(nèi)容，并且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成等課程結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了課程間的融合與貫通。在這樣的課程聯(lián)合中，學(xué)生可以在自己設(shè)計(jì)完成的CPU上，開(kāi)發(fā)自己的操作系統(tǒng)，并運(yùn)行自己的應(yīng)用程序。另外北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面都做出了各具特色的探討。

以上研究是基于建立新的課程，或改革現(xiàn)有課程來(lái)構(gòu)建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系架構(gòu)，為系統(tǒng)能力培養(yǎng)鋪平道路。他們都是從總體上構(gòu)建系統(tǒng)教學(xué)實(shí)例，透過(guò)典型實(shí)例讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)聯(lián)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，雖然都取得了很好的效果，但也付出了很大的代價(jià)，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系進(jìn)行了不小的改動(dòng)，并且需要更多的課時(shí)。本文認(rèn)為，系統(tǒng)能力體現(xiàn)的不僅是對(duì)系統(tǒng)總體框架的把握水平，同時(shí)也表現(xiàn)為面對(duì)具體問(wèn)題時(shí)的一種思維方式。因此，雖然系統(tǒng)能力涉及整個(gè)系統(tǒng)范圍，然而系統(tǒng)能力的培養(yǎng)卻體現(xiàn)在思維的細(xì)節(jié)。作為對(duì)目前教學(xué)研究的補(bǔ)充，本文將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)放到課程的微觀方面，即在知識(shí)點(diǎn)一級(jí)的微觀教學(xué)過(guò)程中來(lái)研究如何培養(yǎng)系統(tǒng)能力。

下面將以函數(shù)參數(shù)為例，探討在一個(gè)知識(shí)點(diǎn)中所包含的系統(tǒng)能力培養(yǎng)素材以及如何利用這些素材提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

2 函數(shù)參數(shù)教學(xué)實(shí)例（Teaching example of the

function parameter）

函數(shù)是程序的基本結(jié)構(gòu)，參數(shù)傳遞是實(shí)現(xiàn)函數(shù)間調(diào)用的基本功能。在計(jì)算機(jī)專業(yè)本科課程中，一般情況下，學(xué)生們是在高級(jí)語(yǔ)言課程首先接觸這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本文通過(guò)分析這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它所蘊(yùn)含的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的素材和背景，并且以這個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，闡述提高學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的教學(xué)方法。

以C語(yǔ)言為例，普通的教科書[6]在講解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，典型的內(nèi)容如下：（1）形參的概念；（2）實(shí)參的概念；（3）形參與實(shí)參之間的關(guān)系；（4）演示類似圖1中程序的例子，讓學(xué)生獲得函數(shù)調(diào)用的體驗(yàn)。

對(duì)于單純學(xué)習(xí)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的學(xué)生來(lái)講，以上關(guān)于函數(shù)參數(shù)傳遞的內(nèi)容就足夠了，完全可以應(yīng)對(duì)一般的程序設(shè)計(jì)任務(wù)。然而，從計(jì)算機(jī)專業(yè)的角度看，僅從高級(jí)語(yǔ)言的角度理解函數(shù)參數(shù)是不夠的。例如，如果不清楚函數(shù)參數(shù)的傳遞過(guò)程，就無(wú)法理解緩沖區(qū)溢出的攻擊程序，無(wú)法設(shè)計(jì)出好的應(yīng)用程序接口，也就無(wú)法提高參數(shù)傳遞的效率。endprint

參數(shù)傳遞依賴的是棧，棧是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的概念。如何利用棧來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞和函數(shù)的返回，則是編譯原理課程的內(nèi)容。圖2顯示了計(jì)算機(jī)在執(zhí)行圖1中的程序時(shí)，進(jìn)入子程序foo（）后棧的狀態(tài)。當(dāng)把參數(shù)按一定的順序逐個(gè)壓棧時(shí)，必須考慮參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及它們?cè)趦?nèi)存的放置。例如c、k和string所占的字節(jié)數(shù)，要解釋清楚需引入計(jì)算機(jī)組成和編譯原理中的知識(shí)。函數(shù)在遞歸調(diào)用時(shí)，參數(shù)被遞歸地壓入棧中，隨著遞歸的深入，棧空間會(huì)越來(lái)越少。程序員稍不注意，其編寫的程序就會(huì)導(dǎo)致棧溢出。?？臻g為什么會(huì)溢出呢？棧所占用的存儲(chǔ)空間是如何分配的？這些問(wèn)題涉及了操作系統(tǒng)中地址空間的概念以及內(nèi)存分配問(wèn)題。除了參數(shù)傳遞所涉及的各課程的這些基本概念之外，稍微深入一點(diǎn)就會(huì)延伸到參數(shù)個(gè)數(shù)可變的情況。例如，在C語(yǔ)言中有printf（...）的例子，Java中還有多態(tài)性。圖3說(shuō)明函數(shù)參數(shù)涉及了多門課程，必須將這些課程的相關(guān)知識(shí)綜合起來(lái)理解，才能培養(yǎng)學(xué)生從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度全面把握函數(shù)參數(shù)這樣的知識(shí)點(diǎn)。在各項(xiàng)應(yīng)用中，能夠從整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的范圍內(nèi)尋找解決方案，這正是目前大學(xué)所提倡培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)往往增加一門新課程，以縱向的視角審視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，打破課程之間的界限，從上而下地講解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的典型操作。例如，針對(duì)函數(shù)參數(shù)、文件的操作等，可以跨越高級(jí)語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成多門課程，深入闡釋其概念及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這種打破課程界限，從系統(tǒng)范圍思考問(wèn)題的教學(xué)方法對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是非常重要的。

然而，單獨(dú)開(kāi)設(shè)一門課程的方法也存在一些問(wèn)題：（1）作為一門課程，僅能將一些典型的知識(shí)點(diǎn)在系統(tǒng)范圍內(nèi)展開(kāi)講授，而系統(tǒng)思維是針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有方面的。只要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)對(duì)象出現(xiàn)問(wèn)題，我們一般都需要從系統(tǒng)的角度思考和解決。所以從培養(yǎng)系統(tǒng)能力的角度這樣的課程缺少一定的覆蓋度。（2）這樣的課程涉及現(xiàn)有課程的很多內(nèi)容，要和現(xiàn)有課程有機(jī)融合，需要對(duì)目前的教學(xué)安排做較大的改動(dòng)。

本文認(rèn)為，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不應(yīng)該僅是一門課的任務(wù)，應(yīng)該貫穿在和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的所有課程中。系統(tǒng)能力，一方面是一個(gè)長(zhǎng)期、綜合培養(yǎng)的結(jié)果，另一方面幾乎在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)上都存在系統(tǒng)能力培養(yǎng)的素材和背景，因此完全可以把系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)的細(xì)節(jié)。在后面的兩節(jié)，我們將分別討論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的建立和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)方法，其著眼點(diǎn)都是基于知識(shí)點(diǎn)級(jí)的微觀教學(xué)。

3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀（Computer system-level

perspective ）

在CSC2013[7]中非常明確地引入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的教學(xué)思想：計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)從細(xì)節(jié)到抽象的多個(gè)層次上去理解及思考問(wèn)題。這種理解及思考應(yīng)當(dāng)超越計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種不同部分的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，包括鑒賞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及它的構(gòu)造和分析過(guò)程。他們需要識(shí)別計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮作用的環(huán)境，包括與人和物理世界的交互。

本文從兩個(gè)方面來(lái)詮釋上面關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的要求：一是以聯(lián)系的觀點(diǎn)去觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)象，這包括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的不同層次之間的關(guān)系和同一層次不同部分之間的關(guān)系；二是以抽象的觀點(diǎn)去理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)它們中的共性，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀是一種大局觀，但它絕不是空泛的理論和原理，而是面向具體問(wèn)題的。它體現(xiàn)了學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題的深度和廣度。要建立學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，教師和學(xué)生承擔(dān)的角色也是不同的。教師是不能將觀點(diǎn)強(qiáng)加給學(xué)生的，而要將背景和知識(shí)展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生自己去認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)。能否形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，還要依賴于學(xué)生個(gè)人能否從教師構(gòu)建的教學(xué)背景中抽象出自己的觀點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀是獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的前提，也就是說(shuō)我們只有用大的視角去看問(wèn)題，才能在大的范圍內(nèi)解決問(wèn)題。

4 面向知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法（Training of

computer sstem-level ability based on knowledge

points）

當(dāng)學(xué)生要解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)問(wèn)題時(shí)，需要分析和該問(wèn)題相關(guān)的所有系統(tǒng)內(nèi)技術(shù)方案，從中找出最優(yōu)的，并評(píng)估該方案給系統(tǒng)帶來(lái)的各方面的影響。因此，學(xué)生獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的前提是從系統(tǒng)的角度了解問(wèn)題。反映到教學(xué)中，就是從各門課程的多個(gè)角度，去理解并掌握一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

假如從某門課程的一個(gè)角度去講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，稱為該知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)知識(shí)片段，那么一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)就是由若干個(gè)知識(shí)片段組成，在每門課程中有一個(gè)片段（也可能有若干個(gè)）。例如，在匯編語(yǔ)言中都會(huì)講到XCHG（intel）指令，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)的交換。在操作系統(tǒng)課程中swap（XCHG）指令可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥?？梢?jiàn)，數(shù)據(jù)交換指令這個(gè)知識(shí)點(diǎn)包含了兩個(gè)片段：一個(gè)在匯編語(yǔ)言中，一個(gè)在操作系統(tǒng)中。而在實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換指令的這兩個(gè)功能是不會(huì)局限于課程的。傳統(tǒng)的教學(xué)中，每門課程僅介紹一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在本課程內(nèi)的知識(shí)片段，課程之間缺少有意識(shí)的融合。當(dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的教師和主動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)生都會(huì)在知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)片段的教學(xué)過(guò)程中，聯(lián)系到其他課程的相關(guān)知識(shí)片段。知識(shí)點(diǎn)—課程關(guān)系見(jiàn)表1。

教師現(xiàn)在要做的就是把這種課程之間的聯(lián)系以規(guī)范的形式固定下來(lái)，成為教學(xué)過(guò)程的一個(gè)環(huán)節(jié)，而不是依賴于個(gè)別教師或?qū)W生的經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)性。具體做法如下：針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，定義它在各課程中的片段，形成知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表。當(dāng)某門課的教師在教授一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，就去知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表中查找該知識(shí)點(diǎn)在其他課程中的片段。若學(xué)生已經(jīng)在其他課程中學(xué)習(xí)了若干片段，那么教師就有責(zé)任將該課程的片段與其他課程的片段結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合講解。例如，在操作系統(tǒng)中講到線程切換時(shí)，需要保存和回復(fù)CPU的現(xiàn)場(chǎng)信息，包括CPU的各類寄存器，此時(shí)需要結(jié)合計(jì)算機(jī)組成中已講過(guò)的“CPU現(xiàn)場(chǎng)信息”；在操作系統(tǒng)中講到線程調(diào)度時(shí)，需要結(jié)合C語(yǔ)言中使用的win32線程和Java語(yǔ)言中的Java線程的相關(guān)知識(shí)，如圖4所示。endprint

顯然，建立知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表需要各門課程之間緊密的合作才能完成。

計(jì)算機(jī)課程的設(shè)置是為了適應(yīng)學(xué)校的教學(xué)體制，而且機(jī)械地分割了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。上述知識(shí)片段概念的引入體現(xiàn)了各專業(yè)課程對(duì)知識(shí)體系分割的現(xiàn)實(shí)。而知識(shí)點(diǎn)-課程關(guān)系表的建立可以有助于重建課程之間在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)的聯(lián)系。通過(guò)這種聯(lián)系，學(xué)生可以從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度更全面地理解在課程中所學(xué)的知識(shí)，為系統(tǒng)觀的建立和獲得系統(tǒng)能力奠定基礎(chǔ)。

與系統(tǒng)觀的建立過(guò)程相一致，學(xué)生必須進(jìn)行跨越學(xué)科的大量的實(shí)踐訓(xùn)練，才能獲得真正解決問(wèn)題的能力。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文概述了為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力目前各大學(xué)所做的教學(xué)研究和采取的措施，提出了系統(tǒng)能力的培養(yǎng)前提是建立系統(tǒng)觀，而建立系統(tǒng)觀的方法就是加強(qiáng)各課程知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，構(gòu)造學(xué)生完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)這樣一個(gè)宏觀問(wèn)題，落實(shí)到在微觀教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生以聯(lián)系的觀點(diǎn)觀察、分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的對(duì)象，這樣具體、可行的教學(xué)過(guò)程是本文研究的核心問(wèn)題。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不僅僅是建立系統(tǒng)觀的問(wèn)題，更重要的是如何訓(xùn)練學(xué)生們解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這是我們將進(jìn)一步繼續(xù)研究的課題。

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[7] Joint Task Force on Computing Curricula，ACM and IEEE， Computer Science Curricula 2013：Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Science， ACM， 2013：23-26.

作者簡(jiǎn)介：

楊興強(qiáng)（1964-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，操作系統(tǒng).

劉翔鵬（1980-），女，碩士，助教.研究領(lǐng)域：軟件開(kāi)發(fā).endprint