漫談?dòng)?jì)算機(jī)課程的教學(xué)

張福炎

(2004.9.24)

背景

?計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展與IT技術(shù)應(yīng)

用的大范圍普及

?如何提高計(jì)算機(jī)學(xué)科畢業(yè)生的社會(huì)適應(yīng)

性和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)？

?如何辦好江蘇省品牌專業(yè)？

?迎接2006年本科教學(xué)質(zhì)量檢查！

內(nèi)容

1.專業(yè)(discipline)設(shè)置與培養(yǎng)目標(biāo)

2.教學(xué)計(jì)劃(curriculum)設(shè)計(jì)

3.課程大綱(coursesyllabus)

4.講稿(lecturenotes)與授課

5.作業(yè)與課程設(shè)計(jì)(assignments&projects)

6.考核評(píng)分(assessment)

1ComputingDisciplines

Thecomputingdisciplines9

beforeandafterthe1990s.

Pre-1990s:

向道

F

\HARDWARE；\SOFTWARE;\BUSINESS：

、、f/\/\/

'、、一，

J--JJ

Post"990s:

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1

J:■1￡1i

xl1/㈣H)0H：

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\HARDWARE'、/SOFTWARE,，/''''PGA僦;?！?/p>

,AStructureforthe

■.DisciplineofComputiriQ

/ComputerScience

ComputerEngineering

____________________JSoftwareEngineering

ComputingDiscipline<

InformationSystem

InformationTechnology

I???

???

I”計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”學(xué)科

（國(guó)務(wù)院學(xué)位辦學(xué)科專業(yè)目錄）

?0812計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（可授工學(xué)、理

學(xué)學(xué)位）

-081201計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

-081202計(jì)算機(jī)軟件與理論

-081203計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

2教學(xué)計(jì)劃(Curriculum)

ICurriculum

9-

?1968：ACM,Curriculum668

?1977：IEEECSCurriculumforCS&E

?1979：ACM,Curriculum678

?1983:IEEECSModelProgramforCS&E

?1990-1991:ACM/IEEE-CS聯(lián)合開發(fā)：

-ComputingCurricula1991(CC1991)：CS和CE

?1998—2001:ACM/IEEE-CS聯(lián)合開發(fā)：

-ComputingCurricula2001(CC2001)：CS、CE、SE和IS

?2004:ACM/IEEE-CS/SIGITE/BCS/IFIP聯(lián)合開發(fā)：

-ComputingCurricula2004(CC2004)：CS、CE、SE、IS和IT

StructureoftheComputing

■ICurriculumVolumes

CC2004

Overview

Reportand

Guideto

Undergraduate

Degree

Programs

inComputing

CC2001IS2002SE2004CE2005IT2005Other

(CS2001)Curriculum

ComputerInformationSoftwareComputerInformationReportsas

ScienceSystemsEngineeringEngineeringTechnologyneededfor

CurriculumCurriculumCurriculumCurriculumCurriculumemerging

ReportReportReportReportReportdisciplines

3課程大綱(Syllabus)

,Syllabus的內(nèi)容

1——,

?主講教師和助教(InstructorandTAs)

?預(yù)修課程(Theprerequisites)

?課程目標(biāo)(CourseObjectives)

?教材與參考書(TextbookandReadingMaterials)

?課程內(nèi)容簡(jiǎn)介(IntroductoryCourseInformation)

?授課計(jì)戈U(CourseSchedule)

?作業(yè)與課程設(shè)計(jì)(Assignment&CourseProjects)

?考核與評(píng)分(CourseAssessment)

?Syllabus是一門課程的總體設(shè)計(jì)，也是課程教

學(xué)活動(dòng)的依據(jù)。

?前提是明確與本門課程相關(guān)的3個(gè)問題：

-研究對(duì)象是什么

-要解決哪些基本問題

-使用哪些方法解決問題

?避免

-重復(fù)其他課程的內(nèi)容，炒冷飯，缺少新東西

-已經(jīng)陳舊過時(shí)的知識(shí)與內(nèi)容

-不區(qū)分教學(xué)對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，千篇一律

[ProcessesforComputingDiscipline

?THEORY

?ABSTRACTION(Modeling)

?DESIGN(Implementation)

.理論(theory)

,Thiory-Buildingconceptualframeworksandnotationsfor

understandingrelationshipsamongobjectsinadomainandthe

logicalconsequencesofaxiomsandlaws.為了理解特定領(lǐng)域中對(duì)象

之間的關(guān)系和公理、定律的邏輯推論而構(gòu)建概念框架和符號(hào)系統(tǒng)

?TheoryparadigminCS：

-Characterizeobjectsofstudy(definition)表述研究對(duì)象的特征(定義)

-Hypothesizepossiblerelationships(theorem)給出對(duì)象關(guān)系的假設(shè)(定理)

-Determineifrelationshipsaretrue(proof)確定關(guān)系是否為真(證明)

-Interpretresults(解釋結(jié)果)

?除了算法分析、編譯方法、邏輯設(shè)計(jì)、圖形學(xué)等少數(shù)領(lǐng)域，

對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)和應(yīng)用中的復(fù)雜問題，理論的作用還有限。

抽象（abstraction）

?Abstraction-Exploringmodelsofsystemsand

architectureswithingivenapplicationdomainsandtesting

whetherthosemodelscanpredictnewbehaviorsaccurately.

?Abstraction（modeling）inCS

-Formahypothesis（形成一個(gè)假設(shè)）

-Constructamodelandmakeaprediction（構(gòu)建模型進(jìn)行預(yù)測(cè)）

-Designanexperimentandcollectdata（設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)）

-Analyzeresults（分析結(jié)果）

?實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)的任務(wù)是為現(xiàn)象（或系統(tǒng)）構(gòu)建模型，通過模型驗(yàn)

證假設(shè)、分析系統(tǒng)性能、進(jìn)行系統(tǒng)或物理過程的模擬、比較不同

的體系結(jié)構(gòu)等，主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

設(shè)計(jì)(design)

?Design-Constructingcomputersystemsthat

supportworkingivenorganizationsorapplication

domains.

?DesignparadigminCS

-Staterequirements（需求分析）

-Statespecifications（建立規(guī)格說明）

-Designandimplementthesystem（設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)）

-Testthesystem（測(cè)試和分析系統(tǒng)）

?設(shè)計(jì)師的任務(wù)是構(gòu)造能滿足規(guī)格說明的系統(tǒng)，例如程

序開發(fā)系統(tǒng)、仿真器、集成電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)、DBMS、

超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識(shí)體系

?知識(shí)體系：

-知識(shí)領(lǐng)域(KnowledgeofBody)

-核心知識(shí)(CoreKnowledge)

-知識(shí)點(diǎn)(KnowledgeTopic)

?每個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科各有自己的知識(shí)領(lǐng)域

?每個(gè)知識(shí)領(lǐng)域各有自己的核心知識(shí)

?每個(gè)核心知識(shí)都有自己特定的知識(shí)點(diǎn)

(ComputingOntology)

1計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)領(lǐng)域

■KnowledgeAreastheoryabstractdesign

1.Algorithms&Complexity

2.ProgrammingLanguages

3.Architecture

4.OperatingSystemsandNetworks

5.SoftwareEngineering

6.Databases&InformationRetrieval

7.ArtificialIntelligence&Robotics

8.Graphics&Visualization

9.Human-ComputerInteraction

10.ComputationalScience

11.InformationManagement

12.Bioinformatics

核心知識(shí)

AR.ArchitectureandOrganization(36corehours)

ARIDiqiialIORCanddigitalsyskrns(6)

AR2Machinelevelrepresentationofdata(V

ARIAssemblylevelmachine。學(xué)anization(9)

AR4MemorysystemoiRanizationandarchiteclure(5)

AR5Inierfhcinuandcommunication(3)

AR6.Functionaloi?aniza〔K)n(7)

AR7.MultiprocessingandaltemativearchHectures(3)

AR8.Performanceenhancements

AR9.Architecturefornetworksanddistributedsystems

OS.OperatingSvstems(18corehours)

OSf.OverviewofoDeratinrsyskms(2)

OS2OperaHncsysieniprinciples(2)

OS3ConcurrencT(6)

OS4Schedulinganddispatch(3)

OS5.Memoryinanapemeni(5)

OS6.Devicemanagement

OS7.Securityandprotection

OS8.Filesystems

OS9.Real-timeandembeddedsystems

OS10.Faulttolerance

OSH.Systemperformanceevaluation

OS12.Scripting

于ProgrammingLanguages

?程序設(shè)計(jì)語言就是用來表示算法和數(shù)據(jù)的符號(hào)系統(tǒng)；

■研究對(duì)象：程序設(shè)計(jì)語言以及如何有效地將它們翻譯

成機(jī)器代碼；

?基本問題：

一Whatarepossibleorganizationsofthevirtualmachinepresented

bythelanguage(datatypes,operations,controlstructures,

mechanismsforintroducingnewtypesandoperations)?

-Howaretheseabstractionsimplementedoncomputers?

一Whatnotation(syntax)canbeusedeffectivelyandefficientlyto

specifywhatthecomputershoulddo?

-Howarefunctions(semantics)associatedwithlanguagenotations?

-Howcanmachinestranslatebetweenlanguages?

于ProgrammingLanguages

?Theory：

-Formallanguagesandautomata,Turingmachines,Formal

semantics,lambda-calculus,pi-calculus,andpropositionallogic.

?Abstraction(model)：

一functional,procedural,object-oriented,logicspecification,

message-passing,anddataflow.

?Design：

-Cobol,Fortran,Algol,Pascal,Ada,andC;Smalltalk,C++,Eiffel,

Java;Lisp,Prolog,Occam,Modula-3.

-typechecking,storageandregisterallocation,compilers,cross

compilers,interpreters,andprogrammingenvironments

■1關(guān)于ComputerArchitecture

?研究對(duì)象：methodsoforganizinghardware(and

associatedsoftware)intoefficient,reliablesystems.

■基本問題：

-Whataregoodmethodsofimplementingprocessors,memory,and

communicationinamachine?

-Howdoesonedesignandcontrollargecomputationalsystemsand

convincinglydemonstratethattheyworkasintendeddespiteerrors

andfailures?

-Whattypesofarchitecturescanefficientlyincorporatemany

processingelementsthatcanworkconcurrentlyonacomputation?

一Howdoesonemeasureperformance?

-Canhardwaredevicesmimicselectedhumansensorssuchaseyes

andears?

關(guān)于ComputerArchitecture

?Theory:

-digitallogic,—codingtheory

-Booleanalgebra,—finite-statemachinetheory.

?Models：

-modelsfordatapathandcontrolstructures,

一optimizinginstructionsetsforvariousmodelsandworkloads,

-efficientmethodsofstoringandrecordinginformationandof

detectingandcorrectingerrors;errorrecovery,

?Design：

-RISCandCISC,

-Dataflow,Lisp,hypercube,vector,andmultiprocessors;and

supercomputers,suchastheCray,Cyber,andIBMmachines.

課程大綱的確定

知識(shí)領(lǐng)域

課程大綱

所選擇的

核心知識(shí)

和相關(guān)的

知識(shí)點(diǎn)

Syllabus舉例

?MITEECS,ArtificialIntelligence，

Spring2003

?UCBCS252-GraduateComputer

Architecture-Spring2001

?WISCONSINCS638ComputerGame

Technology□

鼓勵(lì)開設(shè)新課程

…，，n

?ComputationStructures,Fall2002

?InformationandEntropy,Spring

2003

?MedicalComputing,Spring2003

?EthicsandLawontheElectronic

Frontier,Spring20021

?InventionsandPatents,Fall2003

4授課與講稿

關(guān)于授課

?理論聯(lián)系實(shí)際

（“概念”聯(lián)系“操作/經(jīng)驗(yàn)/現(xiàn)象/問題/…”）

?要有一定的高度（抽象和概括）：

（不同課程的相關(guān)內(nèi)容對(duì)比著講；前后章節(jié)聯(lián)系著講）

?要穿插一些演示、例子、問題，形成一定的節(jié)奏

?布置一些有啟發(fā)性的問題，鼓勵(lì)優(yōu)秀生進(jìn)一步思考或

實(shí)驗(yàn)

?不要拘泥于教材，可重新組織內(nèi)容，或補(bǔ)充、或修改

?為上次課及時(shí)補(bǔ)臺(tái)（補(bǔ)漏、加注、修正、小結(jié)）

計(jì)算機(jī)學(xué)科中的核心概念

?“核心概念”是指在計(jì)算學(xué)科中具有普遍

性、持久性的一些思想、原則和方法。

它的基本特征有：

(1)在學(xué)科中多次出現(xiàn)；

(2)在各分支領(lǐng)域及理論、抽象和設(shè)計(jì)的各

個(gè)層面上都有很多示例；

(3)在技術(shù)上有相當(dāng)?shù)莫?dú)立性；

(4)一般都在數(shù)學(xué)、科學(xué)利工程中出現(xiàn)。

核心概念舉例

1)綁定(Binding)

2)大問題的復(fù)雜性(ComplexityofLargeProblems)

3)概念模型和形式模型(ConceptualandFormatModels)

4)一致性和完整性(ConsistencyandCompleteness)

5)效率(Efficiency)

6)演化(Evolution)

7)多級(jí)抽象(LevelsofAbstraction)

8)按空間排序(OrderinginSpace)

9)按時(shí)間排序(OrderinginTime)

10)重用(Reuse)

11)安全性(Security)

12)折衷和推論(TradeoffandConsequences)

舉例

虛擬(Virtual)

透明性(transparency)

兼容性(compatibility)

????相關(guān)的/無關(guān)的(-dependent/-independent)

???.專用的(-specific)

基于????的(-based)

面向….的(-oriented)

以….為中心的(-centric)

?I關(guān)于投影片教學(xué)

?每次50?60張左右

?使用簡(jiǎn)潔明了的母板，顯示出學(xué)術(shù)氣氛

?投影片上字不宜多，句子不宜長(zhǎng)，每頁不宜多于10行；

?切忌按投影片照本宣科（幻燈片是用來提示講課重點(diǎn)所在，

不是老師的講稿）

?復(fù)雜的概念、結(jié)構(gòu)或方法，盡量使用圖表

■順序講解的重點(diǎn)文字或圖片按講解順序先后進(jìn)行顯示

（或先后添加注解）

?不要照搬他人的投影講稿

?不要坐著講課，與學(xué)生進(jìn)行目光交流，講話要有信心

片.投影片的制作

?一張幻燈片上的顏色盡量不超過3種，推薦的模板：

①白底，黑字、紅字和藍(lán)字；

②藍(lán)底（深藍(lán)更好），白字、黃字（淺黃和橘黃）。

③黑底，白字和黃字（橘黃比淺黃好）。

?整個(gè)幻燈片配色要一致，如標(biāo)題用藍(lán)色，則全部幻燈

中都使用藍(lán)色，字號(hào)、字體也要一致，不應(yīng)隨意改變,

顯得比較精制

?片子上不要鋪天蓋地不留余地

?不要過于單調(diào)，也不要花里胡哨

?不要過多使用動(dòng)畫，只有在確實(shí)需要在不同時(shí)間顯示

同一幻燈片上的內(nèi)容的情況下，才考慮使用動(dòng)畫。

■I黑底橘黃的幻燈效果

課題設(shè)計(jì)

第反義核酸轉(zhuǎn)染肺腺癌

(ASODN)kA549細(xì)胞

分

RT-PCR免疫組化MTT、FCM、Transwell

hTERTmRNAhTERT蛋白細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期、凋

c-mycmRNAC-MYC蛋白亡、侵襲及運(yùn)動(dòng)等

白底黑字和藍(lán)字的效果

典型的肺炎：肺炎鏈球菌肺炎

■臨床表現(xiàn)

-急起高熱、寒戰(zhàn)

-咳膿性痰

.影像學(xué)提示大片的實(shí)變

■血液白細(xì)胞和中性粒細(xì)胞

升高

.對(duì)青霉素治療效果好

■爐藍(lán)背景白字或黃字的效果

抗菌藥物在體內(nèi)起效的過程

劑量藥動(dòng)學(xué)口藥效學(xué)起效

溶解?時(shí)間依賴殺菌-細(xì)菌數(shù)量

收

吸?濃度依賴殺菌?死亡率

布

分?抗生素后效應(yīng)-癥狀和體征的識(shí)別

謝

代

泄

排

//抗菌藥物在體內(nèi)的作用主要

-

、

、//MIC決定于藥代動(dòng)力學(xué)和MIC.

F、

relTotal

時(shí)間

DudleyMN,GriffithD.Animalmodelsofinfection.In:NightingaleCH,MurakawaT,AmbrosePG,eds.Antimicrobial

PharmacodynamicsinTheoryandPractice.1sted.NewYork,NY:MarcelDekker;2001.

如何“一稿多用”？

?自定義放映

?隱藏幻燈片

5課程設(shè)計(jì)(Courseproject)

課程設(shè)計(jì)

?Projects-課程設(shè)計(jì)是一種連貫的、涉及多個(gè)概念（方

法）的、需要多個(gè)星期（階段）完成的、可以多人分工合

作的、用于達(dá)到特定教學(xué)目標(biāo)的一種實(shí)踐活動(dòng)；

?課程設(shè)計(jì)的效果：

-通過實(shí)踐更好地學(xué)習(xí)掌握有關(guān)的方法與技能

-提供綜合使用多種能力解決問題的機(jī)會(huì)

-為學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜概念創(chuàng)造了環(huán)境

?LearnThroughDoing

課程設(shè)計(jì)舉例：WISCONSINCS638

.ComputerGamesTechnology

?ProjectStagel0

?ProjectStage30

?ProjectStage40

舉例：MIT(6.826)Principles

?ofComputerSystems

Project

Duringthelasthalfofthecoursethereisaprojectinwhichstudentswillworkingroupsof

threeorsotoapplythemethodsofthecoursetotheirownresearchprojects.Eachgroupwill

pickarealsystem,preferablyonethatsomememberofthegroupisactuallyworkingonbut

possiblyonefromapublishedpaperorfromsomeoneelse'sresearch,andwrite:

-Aspecificationforit.

-High-levelcodethatcapturesthenovelortrickyaspectsoftheactualimplementation.

-Theabstractionfunctionandkeyinvariantsforthecorrectnessofthecode.Thisisnotoptional;ifyou

can'twritethesethingsdown,youdon'tunderstandwhatyouaredoing.

-Dependingonthedifficultyofthespecificationandcode,thegroupmayalsowriteacorrectnessprooffor

thecode.

Projectsmayrangeinstylefromfairlyformal,likehandout18onconsensus,inwhichthe

4realsystem'isasimpleone,tofairlyinformal(atleastbythestandardsofthiscourse),like

thesectiononcopyingfilesystemsinhandout7.Thesetwohandouts,alongwiththeoneson

naming,sequentialtransactions,concurrenttransactions,andcaching,areexamplesofthe

appropriatesizeandpossiblestylesofaproject.

Theresultoftheprojectshouldbeawrite-up,inthestyleofoneofthesehandouts.During

thelasttwoweeksofthecourse,eachgroupwillgivea25-minutepresentationofitsresults.

Wehaveallocatedfourclassperiodsforthesepresentations,whichmeansthattherewillbe

twelveorfewergroups.

舉例：MIT(6.826)Principles

■ofComDuterSystems

Theprojectswillhavefivemilestones.Thepurposeofthesemilestonesisnotto

assigngrades,buttomakeitpossiblefortheinstructorstokeeptrackofhow

theprojectsaregoingandgiveeveryonethebestpossiblechanceofa

successfulproject

1.Wewillformthegroupsaroundday8,togivemostofthepeoplethatwilldropthe

courseachancetodo