劉奇志，陳家駿，袁春風(fēng)

（南京大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)系，江蘇 南京 210023）

1 計算機類專業(yè)人才系統(tǒng)能力的兩層涵義

能力的涵義比較寬泛，通?？煞譃橐话隳芰εc特殊能力兩類。一般能力是指記憶力、想象力等掌握和運用不同知識需要的共同能力；特殊能力是指完成某項活動需要的專門能力，如數(shù)學(xué)能力、編曲能力等[1]。在計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)語境下討論的系統(tǒng)能力實質(zhì)上也有兩層涵義：一是方法論層面的一般系統(tǒng)能力，即能夠從問題的全局把握各個組成要素及之間的關(guān)聯(lián)性、層次性和動態(tài)性的能力[2-3]；二是基于跟計算機系統(tǒng)有關(guān)的專業(yè)知識和技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的特殊系統(tǒng)能力。

方法論層面一般意義上的系統(tǒng)能力，通常表現(xiàn)為系統(tǒng)思維能力和系統(tǒng)實踐能力。系統(tǒng)思維建立在認知、邏輯思維和結(jié)構(gòu)化思維基礎(chǔ)之上。系統(tǒng)實踐指在實際問題情景中，如何運用系統(tǒng)思維設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用等。計算機類專業(yè)人才特有的系統(tǒng)能力，其核心在于掌握計算機系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部分的設(shè)計方法與工作原理、功能特征與運用策略、邏輯關(guān)系和相互作用。

通過分析計算機類專業(yè)人才系統(tǒng)能力的兩層涵義，可以看出：不管是一般系統(tǒng)能力，還是計算機類專業(yè)人才特有的系統(tǒng)能力，都不是一蹴而就的，需要專門的引導(dǎo)。

2 計算機類專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)的起點

對應(yīng)系統(tǒng)能力的兩個層面，系統(tǒng)能力培養(yǎng)也需要從兩個層面加以考量。

從方法論層面來看，系統(tǒng)思維能力和系統(tǒng)實踐能力的獲得，需要從認知、邏輯思維和結(jié)構(gòu)化思維等角度，在實際系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用過程中，進行全面訓(xùn)練和持續(xù)學(xué)習(xí)，并且一般需要反饋訓(xùn)練，甚至需要建立在動態(tài)思維習(xí)慣的養(yǎng)成之上。實際上，一般系統(tǒng)能力的培養(yǎng)早在大學(xué)之前的教育階段就開始了，甚至可以追溯到學(xué)前教育階段。在大學(xué)階段，這種能力需要在多門課程中進行更有針對性的訓(xùn)練和提高，各門課程應(yīng)承擔(dān)不同的角色和任務(wù)。計算機類引導(dǎo)級課程應(yīng)承擔(dān)奠定系統(tǒng)認知基礎(chǔ)和逐步引入邏輯思維乃至結(jié)構(gòu)化思維的任務(wù)，并應(yīng)提供設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用過程的反饋訓(xùn)練機制及動態(tài)思維實踐機會。程序設(shè)計基礎(chǔ)在系統(tǒng)認知、邏輯和結(jié)構(gòu)化思維、反饋訓(xùn)練及動態(tài)思維實踐等方面具有天然的優(yōu)勢，適合作為大學(xué)期間一般系統(tǒng)能力培養(yǎng)的起點，具體引導(dǎo)作用見本文的第三部分。

從計算機系統(tǒng)層面來看，特殊系統(tǒng)能力培養(yǎng)需要圍繞計算機系統(tǒng)在分析、設(shè)計、實現(xiàn)、測試、優(yōu)化等多個方面分別引導(dǎo)和訓(xùn)練：①分析給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及輸入對應(yīng)的輸出；②根據(jù)給定輸入和輸出設(shè)計系統(tǒng)，讓軟件和硬件協(xié)同工作，并合理構(gòu)建人機交互模式；③調(diào)試和修正系統(tǒng)各層面的錯誤；④分析、驗證和調(diào)優(yōu)系統(tǒng)整體性能[4-5]。傳統(tǒng)培養(yǎng)模式是按計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)切分，將知識點劃入不同的課程分別加以介紹，主要涉及數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、匯編語言程序設(shè)計、操作系統(tǒng)、編譯原理、計算機網(wǎng)絡(luò)等課程。新型培養(yǎng)模式引入計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)等課程，著力從程序員視角將計算機系統(tǒng)基本概念在一門課中串起來，幫助程序員建立一個整體系統(tǒng)知識框架，并假定學(xué)生對C 語言程序設(shè)計有一定的基礎(chǔ)[6]。鑒于當前國際國內(nèi)初等教育中的計算機教育水平參差不齊、缺乏規(guī)范，于是高等教育程序設(shè)計基礎(chǔ)成為特殊系統(tǒng)能力培養(yǎng)的排頭兵，具體內(nèi)容見本文的第四部分。

是否以程序設(shè)計基礎(chǔ)作為計算機類引導(dǎo)級課程尚有爭議，但以其作為系統(tǒng)能力培養(yǎng)的起點卻不難達成共識。世界兩大著名的非營利性學(xué)術(shù)團體ACM 及IEEE 發(fā) 布 的Computing Curriculum規(guī)范（如CC2001、CS2013 等）影響深遠。CC2001[7]用3 層模型（Introductory，Intermediate，Advanced）來看待高校的計算課程，并總結(jié)了國際上現(xiàn)有引導(dǎo)級（Introductory）課程層6 種不同的導(dǎo)入模式（命令式優(yōu)先、對象式優(yōu)先、函數(shù)式優(yōu)先、廣度優(yōu)先、算法優(yōu)先和硬件優(yōu)先）。6 種模式中，跟計算機系統(tǒng)結(jié)合最為緊密的是第一種命令式優(yōu)先模式和第六種硬件優(yōu)先模式，分別對應(yīng)當前系統(tǒng)能力培養(yǎng)的兩種主流模式。硬件優(yōu)先模式在計算機類專業(yè)中很少采用。以程序設(shè)計基礎(chǔ)作為引導(dǎo)級課程是命令式優(yōu)先導(dǎo)入模式的典型代表。因此，該課程作為引導(dǎo)級課程不僅是國內(nèi)外計算機學(xué)科廣為采用的導(dǎo)入模式，也是更利于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的一種導(dǎo)入模式。

此外，對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探討本身也需要系統(tǒng)觀。英國的彼得·切克蘭德（獲英國計算機協(xié)會授予的“最具杰出貢獻人員”獎）在systems thinking，systems practice 一書中指出，相對于基于系統(tǒng)工程方法的“硬”系統(tǒng)思維，“軟”系統(tǒng)思維更強調(diào)對系統(tǒng)復(fù)雜性的探究過程本身是一個開放的學(xué)習(xí)系統(tǒng)[8]。實際上，正如探究計算機系統(tǒng)和實際問題求解過程，開展計算機類專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程本身也是復(fù)雜、開放的系統(tǒng)，涉及多門課程的教與學(xué)，并隨著科技的發(fā)展而變化，需要探究者持續(xù)學(xué)習(xí)和不斷總結(jié)。本文提供南京大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系程序設(shè)計基礎(chǔ)課程組在本專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程中的階段性思考，以及在引導(dǎo)級課程中切實開展系統(tǒng)能力培養(yǎng)的具體策略。

3 程序設(shè)計基礎(chǔ)在一般系統(tǒng)能力培養(yǎng)中的引導(dǎo)作用

方法論層面的系統(tǒng)思維能力以認知為基礎(chǔ)，系統(tǒng)實踐能力通常需要具有反饋習(xí)慣，而且在思維和實踐環(huán)節(jié)都應(yīng)自覺關(guān)注系統(tǒng)的動態(tài)特征。程序設(shè)計基礎(chǔ)能夠較好地支持一般系統(tǒng)能力這幾個方面的基本訓(xùn)練。

3.1 建立感性認知，夯實系統(tǒng)思維基礎(chǔ)

系統(tǒng)思維能力不是空中樓閣，從認知到擁有邏輯思維能力，進而發(fā)展到具備結(jié)構(gòu)化思維能力，最后上升到系統(tǒng)思維能力，是一個循序漸進的過程。程序設(shè)計基礎(chǔ)首先引領(lǐng)學(xué)生認識程序的基本結(jié)構(gòu)與要素，編寫解決簡單問題的小規(guī)模程序，并在通用平臺上運行起來，建立感性認知。然后結(jié)合具體實例，從C 語言的關(guān)系與邏輯操作和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法出發(fā)，有針對性地介紹流程控制與模塊設(shè)計方法，啟發(fā)學(xué)生掌握分類、枚舉、迭代和遞歸等問題求解思路，逐步訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維和結(jié)構(gòu)化思維。最后引導(dǎo)學(xué)生通盤考慮問題和系統(tǒng)各個層面及其間的關(guān)系，揭示程序與程序設(shè)計的本質(zhì)及相關(guān)概念。這一過程符合人們從感性到理性的認知特點，能夠為系統(tǒng)思維打下良好的基礎(chǔ)。

值得注意的是，程序設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)讓初學(xué)者盡快進入程序員角色，體驗認知和思考的樂趣，避免使學(xué)生在嘗試編寫程序之前，被抽象的概念和術(shù)語及計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存儲方式等知識困擾[9]。

3.2 提供反饋機制，強化系統(tǒng)實踐基本功

程序設(shè)計過程中，從問題的分析和求解方案的設(shè)計，到代碼的編輯、編譯、鏈接和執(zhí)行，每個環(huán)節(jié)都有可能出錯，需要學(xué)生返回過程前面某個階段進行錯誤修改，然后重新繼續(xù)過程的后續(xù)階段。例如，C 語言編譯器在編譯時發(fā)現(xiàn)源程序中存在語法錯誤，鏈接器在鏈接目標文件時發(fā)現(xiàn)外部引用錯誤，程序運行結(jié)果與預(yù)期不符等，需要修改代碼、設(shè)置環(huán)境、審查程序的邏輯重新設(shè)計，直到程序產(chǎn)生正確結(jié)果為止。這是一個天然的反饋機制，而且常常存在多次反饋的情況。這樣的過程有助于強化基本的系統(tǒng)實踐訓(xùn)練，并能有效地將知識的記憶融入解決實際問題的過程。

另外，程序設(shè)計基礎(chǔ)是一門實踐性非常強的課程，實踐教學(xué)過程中的反饋式[10]教學(xué)設(shè)計，可以進一步加強訓(xùn)練效果。教學(xué)中有針對性地布置訓(xùn)練任務(wù)，并及時進行正反兩方面的反饋，展示好的做法，明確標注程序中存在的缺陷和不好的做法，可以激勵和督促學(xué)生不斷地思考、訓(xùn)練，直至養(yǎng)成良好、規(guī)范的習(xí)慣。

3.3 關(guān)注技術(shù)演變，培育動態(tài)思維習(xí)慣

相較于關(guān)注要素，一般系統(tǒng)能力更善于把握各要素之間的區(qū)別和聯(lián)系，能夠在全面了解靜態(tài)特征的同時，洞悉動態(tài)特征。程序設(shè)計經(jīng)歷了從采用低級語言到采用高級語言、從簡單編碼到全面軟件工程的發(fā)展歷程。在這一歷程中，體現(xiàn)了人們對程序設(shè)計活動的不斷認識和改進。以程序設(shè)計語言為例，自20 世紀70 年代貝爾實驗室發(fā)明C 語言以來，該語言得到了廣泛的使用和發(fā)展，形成了多種C 語言的實現(xiàn)版本，以及不同版本的語言標準。各種版本在功能和函數(shù)庫的設(shè)置及語法上存在差別，不同公司或團隊開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境對語言標準的實現(xiàn)程度也不盡相同。在這些內(nèi)容的教學(xué)過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生的動態(tài)思維習(xí)慣，深化一般系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

對于日新月異的計算機科學(xué)與技術(shù)，若能不斷優(yōu)化程序設(shè)計基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計，注重知識的前后關(guān)聯(lián)，給出問題的來龍去脈，不僅介紹早期經(jīng)典做法與最新標準的差異，還能結(jié)合科研內(nèi)容與方法介紹科技前沿動態(tài)，必定能盡早潛移默化地影響學(xué)生的動態(tài)思維。當然也要提醒初學(xué)者應(yīng)以掌握程序設(shè)計基本方法為目標，避免被語言標準或語言的實現(xiàn)細節(jié)糾纏。

4 程序設(shè)計基礎(chǔ)在特殊系統(tǒng)能力培養(yǎng)中的引導(dǎo)作用

計算機類專業(yè)人才特有的系統(tǒng)能力，需要建立在對計算機系統(tǒng)各組成部分及相互關(guān)系的認知基礎(chǔ)之上，能夠分析、設(shè)計、實現(xiàn)、測試和優(yōu)化計算模型。程序設(shè)計基礎(chǔ)用C 語言介紹過程式程序設(shè)計方法及相關(guān)基礎(chǔ)知識，可以為上述各種能力的培養(yǎng)奠定一個較為扎實的基礎(chǔ)，讓學(xué)生在初步了解計算機學(xué)科的同時，為其他核心課程（如計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)、編譯原理等）提供必要的準備。當然教學(xué)中要分清與相關(guān)課程內(nèi)容的聯(lián)系、區(qū)別與邊界，盡量減少與后續(xù)課程內(nèi)容的重復(fù)。

4.1 闡釋C 語言相關(guān)概念，無縫連接計算機系統(tǒng)知識

在國際國內(nèi)計算機科學(xué)教育中，引導(dǎo)級課程采用何種編程語言存在相當大的爭議。作為一種不再年輕或備受追捧的編程語言，C 語言與計算機系統(tǒng)關(guān)系緊密，對數(shù)據(jù)的描述和對數(shù)據(jù)的操作相分離的模式與馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)比較吻合，有助于學(xué)生理解現(xiàn)行主流計算模型，相關(guān)知識點與后續(xù)課程計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)可以無縫銜接。例如，程序設(shè)計基礎(chǔ)中基本操作符、流程控制、單模塊設(shè)計、多模塊設(shè)計等概念，可以分別對應(yīng)計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)中數(shù)據(jù)的機器級處理、選擇語句和循環(huán)結(jié)構(gòu)的機器級表示、過程調(diào)用的機器級表示、程序的鏈接等知識點；基本數(shù)據(jù)類型、派生（構(gòu)造）數(shù)據(jù)類型、指針等概念，可以分別對應(yīng)數(shù)據(jù)的機器級表示、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的分配和訪問、地址空間和地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)對齊等概念。

需要注意的是，程序設(shè)計基礎(chǔ)的課程內(nèi)容應(yīng)當圍繞程序設(shè)計本質(zhì)和系統(tǒng)能力培養(yǎng)進行合理安排與組織，而不是圍繞語言元素展開，在講解過程中應(yīng)適時提煉程序設(shè)計和特殊系統(tǒng)能力有關(guān)的思想方法。

4.2 剖析過程式程序結(jié)構(gòu)，直通計算機系統(tǒng)功能分析

分析給定計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及輸入對應(yīng)的輸出是最起碼的計算機類專業(yè)人才特有的系統(tǒng)能力。作為引導(dǎo)級課程，程序設(shè)計基礎(chǔ)借助于C 語言介紹過程式程序設(shè)計的基本做法。一個過程對應(yīng)一個子功能，可以在程序執(zhí)行的任何一個時間點被其他過程或自身調(diào)用。過程內(nèi)部的計算步驟按順序、分支或循環(huán)流程執(zhí)行。這種程序有利于初學(xué)者根據(jù)輸入分析輸出，能盡快為系統(tǒng)分析能力打下基礎(chǔ)。

在C 語言編程實踐中，學(xué)生會自然而然地希望進一步了解計算機執(zhí)行程序的機理。例如，變量是過程式程序的重要實體，通過解釋C 語言變量的屬性，可以讓學(xué)生將代碼中的變量與內(nèi)存中的變量聯(lián)系起來，并能接觸地址概念，很容易激發(fā)學(xué)生對機器級相關(guān)概念的好奇心。函數(shù)是另一個重要實體，函數(shù)調(diào)用過程會引起學(xué)生對計算機系統(tǒng)中的堆、棧的好奇心。教學(xué)中，可以在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生對比實現(xiàn)同一功能的不同代碼在計算機系統(tǒng)中運行時的差別。此外，在教學(xué)過程中的不同階段，對比、總結(jié)函數(shù)間的不同通訊方式，還可以幫助學(xué)生建立相關(guān)計算機系統(tǒng)知識的整體框架。

4.3 訓(xùn)練系統(tǒng)級語言編程，啟蒙計算機系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

計算機類專業(yè)人才特有的系統(tǒng)能力中，設(shè)計和實現(xiàn)能力極其重要，通常需要軟件和硬件兩方面的知識儲備，甚至需要諳熟系統(tǒng)與用戶之間的交互關(guān)系。C 語言是一種貼近硬件的高級編程語言，程序設(shè)計基礎(chǔ)可以從一開始在編程訓(xùn)練中幫助學(xué)生建立軟件和硬件兩方面的感性認知，在此基礎(chǔ)上建立的程序設(shè)計意識更有利于后續(xù)計算機系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)能力的培養(yǎng)。例如，求兩個正整數(shù)m和n的最大公約數(shù)，可以先分別求出m和n的所有約數(shù)，然后找出兩者公共約數(shù)中的最大值，也可以用輾轉(zhuǎn)相除法，后者更便于計算機實現(xiàn)。輾轉(zhuǎn)相除法的缺陷在于，當m、n非常大的時候，計算m除以n的余數(shù)將是一個復(fù)雜而耗時的過程，而只涉及整數(shù)的移位和加減法的Stein算法效率更高。學(xué)完該課程后，學(xué)生不難了解到利用計算機求解實際問題必須轉(zhuǎn)換為適合計算機系統(tǒng)的算法和程序，才能在計算機上有效運行和獲得結(jié)果。

當然，要想獲得更好的實現(xiàn)能力訓(xùn)練效果，教學(xué)中還需突出重點、闡明難點。課堂教學(xué)可以選取典型例程深入講解，實驗教學(xué)要精心設(shè)計訓(xùn)練題、上機測驗和小項目，提供充分的上機指導(dǎo)來解決學(xué)生在實踐中遇到的技術(shù)難題。通過理論和實踐環(huán)節(jié)分別引導(dǎo)學(xué)生面對實際問題時的分析、設(shè)計和實現(xiàn)能力。

4.4 提供多種程序調(diào)試手段，點撥計算機系統(tǒng)的糾錯和優(yōu)化

實際編寫的程序中可能含有語法、邏輯或運行異常錯誤。不符合語法規(guī)則的錯誤可以由編譯器檢查發(fā)現(xiàn)。邏輯或運行異常錯誤往往較難發(fā)現(xiàn)。除了設(shè)計的算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不符合問題的求解之外，程序本身也有可能不符合算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的邏輯。例如分類情況考慮不周或部分重疊、代碼中分支或循環(huán)流程的誤寫等。對執(zhí)行環(huán)境的缺陷或用戶操作的失誤考慮不足會引起運行期間程序異常終止，例如內(nèi)存空間不足、打開不存在的文件進行讀操作、數(shù)組下標越界、程序執(zhí)行了除以0 的指令等。這些邏輯和運行異常錯誤可以通過少量模擬數(shù)據(jù)進行分單元分模塊乃至集成化的整體測試，并通過調(diào)試（debug）來對錯誤進行定位和排除。程序設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)過程中會介紹多種程序調(diào)試手段，例如通過邏輯分析和判斷、增加階段性輸出、利用C 語言的條件編譯或斷言、借助debug 工具設(shè)置斷點等，幫助學(xué)生分析、發(fā)現(xiàn)和調(diào)試程序的錯誤，并在實踐中積累調(diào)試技巧、經(jīng)驗和能力，以便靈活運用，進而能對系統(tǒng)整體性能進行分析、驗證、排錯和調(diào)優(yōu)。

當然，由于C 語言具有較強的靈活性，適合熟練的程序員用來開發(fā)高效的系統(tǒng)軟件、支撐軟件或應(yīng)用軟件，而對于初學(xué)者，會存在一些羈絆。程序設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)中可以根據(jù)需要，介紹有關(guān)的C 語言元素及其使用方法，以及會使初學(xué)者迷惑的語言陷阱，不必完整介紹C 語言的所有規(guī)則或機制，以免把學(xué)生引入重點學(xué)習(xí)C 語言而不是程序設(shè)計基本方法的歧途。

5 結(jié)語

在計算機類專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系中，基于C 語言介紹過程式程序設(shè)計范型的程序設(shè)計基礎(chǔ)這一課程扮演著不便替代的重要角色。盡管各個高校該課程的具體教學(xué)內(nèi)容存在一些差異，以該課程作為引導(dǎo)級課程至少可以培養(yǎng)學(xué)生圍繞計算機系統(tǒng)進行編碼、調(diào)試和糾錯，在特殊系統(tǒng)能力方面提供有效訓(xùn)練。如果教學(xué)方法得當，還能幫助學(xué)生在思考系統(tǒng)各個組成部分的邏輯關(guān)系和相互作用等一般系統(tǒng)能力方面奠定一個較為扎實的基礎(chǔ)。