新工科背景下密码人才的计算机系统思维培养模式探索与实践

张健毅，张克君，孙 猛，王志强，傅仕诤

（北京电子科技学院 网络空间安全系，北京 100070）

0 引言

长期以来，国家一直高度重视信息化工作，特别是党的十八大以来，习近平总书记多次强调“没有网络安全就没有国家安全，没有信息化就没有现代化”，把网络安全和信息化上升到了国家战略的高度。信息安全是构建信息社会更是党政系统信息化需要关注的重要问题，密码技术、系统安全则是构建信息安全的基础。随着信息技术的不断发展以及“新工科”概念的提出[1-3]，在对密码人才的培养中，教育从业者提出了如何应对变化、塑造未来，如何培养多元化、创新型卓越人才，如何继承、创新、交叉、融合、协调与共享等新的要求。紧扣密码行业业务需求，注重综合型、应用型、创新型密码人才的培养，是确保信息安全、满足保障需要的关键所在。

北京电子科技学院已在应用型密码人才培养模式方面进行了多项改革：通过压缩课内学时，确立行业特色人才基本技能、专业技能和综合创新能力等分级目标；融合密码与信息安全各类特色课程，形成了独具特色的密码与信息安全人才综合能力培养机制；构建了行业特色突出、注重能力培养的理论与实践教学体系。然而，在新工科以及国家自主可控要求的背景下，对培养学科的交叉融合以及计算机系统思维的培养还存在一定的不足。如何更好地培养应用型密码人才的计算思维成为当前计算机专业培养亟待解决的问题。

1 学科交叉融合与系统思维理念

“新工科”概念自2016年提出以来形成了一系列的共识[4-6]，即“新工科建设与教育应致力于以产业需求为导向，注重跨界交叉融合，探索建立工科发展新范式；紧跟技术发展，及时更新工程人才知识体系；以学生为中心，根据学生志趣选择、设计教学方法与手段”。新工科的提出为工程特别是密码工程教育理论与实践探索提供了不同的视角与更高的要求。学科的融合与交叉在计算机专业教育中体现的是计算机系统思维。

随着多核处理器、嵌入式和云计算技术的发展，以及大规模数据中心的建立和个人移动设备的大量普及使用，计算机快速进入了“后PC时代”[7]。时代变化促使教学课程必须与时俱进，让学生能够通过课程完整地理解计算机系统的层次结构，系统地建立计算机整机概念，特别是培养学生对计算机系统的分析、应用、设计及开发能力，以满足行业的需求。

密码科研体系下的计算机学科主要研究的是计算机系统各个不同抽象层的实现及其相互转换的机制，如图1所示。培养的密码人才主要是在计算机系统或在系统特定层次上从事相关工作[8]。

图1 计算机抽象层示意

不同的抽象层代表了不同的工作性质，密码人才全部包含了计算机专业培养的4类角色，即计算机工程技术人员、系统程序员、应用程序员和系统管理员（如图2所示）。只有具备对信息系统全局的“系统观”，密码人才才能够研制出适合行业需求的特殊计算系统，编写出更适合自主可控硬件架构的系统软件，开发出更匹配硬件与系统软件的应用软件，配置出最佳的系统环境。

图2 不同人员角色

当前，密码人才的“系统观”培养和课程教学方面还存在一些问题。

首先，从课程设置上来说，计算机专业课程设置，基本上是按计算机系统层次结构进行横向切分的，自下而上分解成数字逻辑电路、计算机组成原理、汇编程序设计、操作系统、编译原理、程序设计等课程，课程相互之间几乎没有关联，学生对整个计算机系统的认识过程就像“盲人摸象”，很难形成对完整计算机系统的全面认识。

其次，计算机科学与技术专业培养出的人才局限于应用程序员，对计算机系统底层知之甚少。在动手实践能力方面，国内大多数高校所培养的“程序员”能力甚至赶不上“北大青鸟”“新东方”等社会办学所培训出的学生。密码人才的培养是属于在基础学习之后的特定方向培养，因此需要有分流的培养模式，应在基础学习之后设置偏硬件或者偏系统的密码应用方向。

最后，在课程安排上是先上数字逻辑电路课程，后上组成原理课程，并没有考虑不同方向学生对于计算机底层硬件知识和硬件设计能力的不同需求。目前，组成原理课程的教学基本上还是沿用传统的教学理念，教学内容还停留在计算机硬件的基本构成和基本设计原理层面，既不是国外数字系统设计的那种硬件设计课程，能够让学生真正了解如何用硬件描述语言通过FPGA 来设计现代计算机硬件系统；也不是一门关于计算机系统的入门课程，能够让学生全面地理解整个计算机系统的实现机理，整体概念对于密码人才尤为重要，无论是做密码芯片还是上层密码应用，都需要对整个系统熟悉才能更好地设计出高效的应用。

2 密码人才系统观培养

网络空间安全的保障依赖于密码应用技术的提高，而如何培养具有计算机系统思维能力的密码人才是众多问题中的首要问题，密码科研要求密码人才具备以计算机系统思维方式理解计算机系统、具有系统观的软/硬件贯通的复合能力，具备站在系统的高度考虑和解决问题、具有系统层面的认知能力；能够进行系统及算法整体性能分析、调整、评估、优化以及计算机密码应用系统的开发能力。培养密码人才的计算机系统思维能力，应从程序执行生成机器语言入手，纵向贯穿软/硬件体系，以机器语言执行形成各个分支知识点，通过数字逻辑、汇编、计算机组成、操作系统和编译原理等将知识点进一步细化，解决每一部分的具体问题，再以基于MIPS指令系统及密码指令的处理器设计贯穿整个系统，进而培养计算机系统思维能力，建立系统观。计算机系统思维和系统观都需要有系统的高度才能更好地设计应用。当前，国内外还没有可以借鉴的实例，需要研究探索一条有特色的适合于密码特定方向人才的培养模式。

普通高等院校探索密码人才计算机系统思维能力培养的教学模式主要面临2个问题：与国内外一流高校相比，普通高等院校师资力量较为薄弱，学生接受能力相对较慢，如何在这一情况下寻求一种适合的计算机系统思维培养方案，进而建立有效的系统思维和系统观；密码人才培养与一般院校毕业生在培养目标、培养过程、培养侧重点等均不一样，而国内外还没有可以借鉴的实例，这就要求我们探索出一条适合密码这个特定方向人才的培养模式。

3 教学实践过程

3.1 实施计算机系统思维培养模式下的课程体系建设

笔者对国内外一流高校计算机系统课程开设及改革情况进行了详细的调研与分析，同时深入密码行业基层部门、参与行业工作实践，了解特殊行业对人才的特殊需要。针对用人单位需求和普通计算机领域系统观建立的成熟经验，以本科培养方案修订为切入点,在北京电子科技学院课程体系建设中将计算机系统思维培养模式渗透到多门课程中，强化课程间的衔接及支撑。为达到在计算机组成课程及硬件课程设计中培养学生计算机系统观概念和工程设计能力，需要规划好各个相关课程涵盖的知识结构和框架体系，合理定位各门课程的教学目标，把每个知识点落实到具体课程中。

表1是模式探索下的课程习题结构设计与内在关系。在课程体系建设过程中，将知识分解到逻辑电路、汇编语言及组成原理课程中，为核心课程一体化建设做基础。数字逻辑课程中的硬件描述语言设计能力、汇编语言课程中MIPS架构的概念及应用、计算机组成课程中计算机部件及系统概念及设计、重构的课程群知识体系和实验体系形成合理的前后依赖关系，支撑硬件课程设计完成整体系统设计，同时为一体化核心课构建形成阶段成果。

表1 课程体系结构设计

3.2 实施计算机系统思维模式培养模式下的特色实验体系建设

笔者力图使用同一套具有工程性和实践性的实验体系贯穿计算机系统化学习的完整过程。针对数字逻辑课程，实验体系以组件化思想为中心，加强处理器数据通路所需部件（包含但不限于多路选择器、译码器等）的基础实验，强化学生对计算机系统的硬件感知。

针对汇编语言课程，实验体系以过程性思想为中心，增加了MIPS指令集相关实验，强化学生的底层软件感知；针对计算机组成原理课程，实验体系以系统性思想为中心，增加了处理器设计的相关实验，强化学生的软硬件一体化设计思想。

在研究过程中，笔者强调了实践环节的统一性。面对不同的课程，从基础知识学习的数字逻辑课程开始，到知识运用的汇编语言课程，再到以系统再造为目标的组成原理课程，学生的实践过程始终具有一致性和连贯性的特点。这不仅能够满足学生课程学习的要求，而且能够帮助学生借助实验课程，在实际工程环境下实现跨课程的知识衔接与强化。

根据理论课程的体系设计，结合计算机系统思维模式培养的思路，本次研究对理论课程、课程实验、课程设计等实验体系进行了改革。

1）理论课程方面。

数字逻辑课程的实践教学部分提供了处理器数据通路所需的基本部件（涉及多路选择,译码器等）的基础实验，能够让学生更好地在处理器层面理解数字逻辑；汇编语言课程的实践教学部分增加了MIPS指令集格式、设计、编程方面的实验，能够让学生在后续CPU设计中，以成熟的MIPS体系为基础，深入理解指令系统的概念；计算机组成原理课程试验中，进一步提供了处理器设计的存储器、ALU等功能部件的相关实验，一方面让学生了解到处理器的内部结构，另一方面让学生更加深入的了解计算机的组成。

2）课程实验方面。

本次研究配套改革了部分实验；将“MIPS指令系统”以及“运算器的设计与实现”融入实验中。让学生能够基本掌握MIPS汇编语言程序的能力，了解RISC体系结构，并使用Verilog语言设计计算及核心部件，为基于MIPS指令集的处理器设计和系统设计打下基础。

3）课程设计及毕业设计方面。

本次研究在硬件课程设计以及毕业设计两个教学环节进行了试点，尝试在计算机系统思维模式下设计并实现单周期、多周期以及密码算法的指令系统设计，并验证了整个教学改革的成果。在后续教学安排中，将会全面推广改革效果。

4 结语

在“新工科”背景下以及自主可控的浪潮中，北京电子科技学院通过对密码人才的计算机系统思维培养模式的探索，提高了学生对计算机系统的全面认识水平和系统设计能力，系统地建立了计算机整机概念；培养了学生特别是密码人才对计算机系统的分析、应用、设计及开发能力，满足了实际的需求，实践取得了良好的效果。在后续工作中，笔者将完善新媒体教学平台，借助便捷的移动网络资源，提高课程灵活度，将密码人才的培养过程可定制化、简单化。