CMU(卡内基梅隆大学)
与MIT、伯克利等学校计算机科学仍然和电子与电气工程同处一系不同,CMU的计算机科学系成立于1965年,是全美最早的,如今它已经升格为计算机科学学院。其研究生项目中除了机器人方向与硬件关系较多之外,其他基本上都是纯软的。从这个意义上来说,CMU的教学体系对于偏软的计算机科学系应该有较大的借鉴意义。
CMU的教学手册上没有从传统意义上针对计算机科学专业学生的导论课,虽然有名为“计算机科学伟大思想”的两学期课程,但是从内容上看应该是离散数学的替代,因为此外CMU并没有其他离散数学方面的课程。此课程没有教材,内容比传统离散数学要灵活得多,涉及概率、代数、算法、加密理论、复杂性理论、博弈论等,非常注重学习的趣味性和实用性。
与其他名校相同,CMU对程序设计的重视也给人留下很深印象:本土新生的第一堂课就是“初中级程序设计”,直接讲授Java。然后是中高级程序设计(Java)、C语言编程技巧、高级编程实践(Java)、程序设计原理(用SML语言讲授)。
目前计算机科学专业教学计划中的一个难点,是硬件课程的设置问题。硬件知识体系本身非常丰富,但是硬件课程多了,又削弱了计算机科学专业的特色。CMU在这一问题上是怎样处理的呢?计算机科学学院的现任院长Randal E。 Bryant 亲自给出了回答,他用15~213“计算机系统导论”一门课(12个单元)完成了硬件知识的教学。这项教学改革的成果就是一本厚达900多页的书:《Computer Systems: A Programmer's Perspective》(中译本《深入理解计算机系统》已经由中国电力出版社出版)一书。他在该书的序言中说:“本课程的宗旨是用一种不同的方式向学生介绍计算机。因为,我们的学生中几乎没有人有机会构造计算机系统。而大多数学生,甚至是计算机工程师,也要求能日常使用计算机和编写计算机程序。所以我们决定从程序员的角度来讲解系统,并采用这样的过滤方法:我们只讨论那些影响用户级C程序的性能、正确性或实用性的主题。
比如,我们排除了诸如硬件加法器和总线设计这样的主题。虽然我们谈及了机器语言,但是不关注如何编写汇编语言,而是关心编译器怎样翻译C的各种构造,比如指针、循环、过程调用和返回,以及switch语句。更进一步,我们将更广泛和现实地看待系统,包括硬件和系统软件,讨论链接、加载、进程、信号、性能优化、评估以及网络与并发编程。这种做法使得我们讲授本课程的方式对学生来讲既实用、具体,又能实践,同时也非常利于调动学生的积极性。”
网站上的一些随书配套实验,也独具匠心。因此此书的成功是水到渠成的。根据配套网站上的列表,它已经被全球80多所院校采用作为教材。
MIT(麻省理工学院)
MIT的课程设置,只能用其学生起点高来解释。该校没有典型意义上的计算机科学专业,偏软的只有理论计算机科学和人工智能及其应用两个专业。因此没有类似于其他学校的导论课程。
在MIT的电子电气工程与计算机科学系中,所有学生都要参加如下四门课程:6.001“计算机程序的结构与解释”,当然与伯克利相同,采用的是 Abelson等编著的同名教材;6.002“电路与电子学”;6.003“信号与系统”(自编讲义);6.004 “计算结构”(Computation Structures),与伯克利的61C“计算机结构”对等(教材是自编课件)。此外有两门专业基础数学课:“概率系统分析”(教授自编教材)和“计算机科学数学”,后者的教材是国外院校普遍采用的Rosen所著《离散数学及其应用》(中文版由机械工业出版社出版)。
对MIT的学生而言,实验课程有多种选择:电气工程和计算机科学实验,模拟电子实验,数字系统实验,微机项目实验,半导体设备项目实验。此外,无论何种专业,都有软件工程实验课。值得注意的是,本科生各专业的必修课程中并没有软件工程课程。也就是说,软件工程的内容都在实践中完成了。带软件工程实验课的是因为提出Liskov替换原则而知名的女教授Barbara Liskov,她刚刚获得了2004年度的冯·诺依曼奖。作为美国工程院和艺术科学院的双院士,她几十年在软件开发研究方面的经验,将有力地保证这门实验课程的质量。
分析与总结
由上面的材料可以看出,各个学校的教学体系之间还是有不小差异的。这首先得归因于历史沿革形成的专业侧重、机构设置上的不同。其中MIT算是一极,由于和电子电气专业深深地融合,计算机专业带有很强的“硬派”色彩。而CMU可以算作另一极,计算机科学有自己的独立学院,非常罕见,因此它的课程设置“软化严重”——与硬件相关的只用一门课就解决了。UIUC和斯坦福由于都拥有独立的科系,所以可以归入后一阵营。伯克利可以认为处于两极中间,但是仔细分析起来,它的计算机科学专业目前虽然仍属于电子电气和计算机科学系,但是有相当大的独立性,1973年创立以来,一直有自己的主席和教学安排,所以离后者更近一些。
此外,各校在专业导入课程的设置上差别也非常明显。基本上可以分为三类。按IEEE-ACM《Computer Curricula 2001》(以下简称CC2001)的分法,斯坦福属于广度优先(有明确的注重广度的导引课程),MIT的属于函数为先(采用函数式语言),CMU和 UIUC属于对象为先(直接采用Java)。伯克利有些特殊,它有导引课,但是广度稍差,紧接着又采用函数语言,同时开设学生自学为主可以任选的多种语言课程,属于混合多元型。应该说各个学校在刚入门时如何调动学生积极性,培养对专业的感情上都有自己的思考。无论哪种类型,将课堂变得有趣,能够容纳更多计算机科学的方面,都已经成为一种趋势。
无论如何,各校存在的差异并不妨碍各自培养出同样优秀的人才,这也给我们提供了一种有益的启示,办学思路和方法应该是因地制宜的。
当然,总的来说,各学校之间的共性还是主要的。归纳起来,有这么几个特点,值得我们思考:
1、硬件课程整体在减少
偏软类的三所院校中,CMU最为彻底,硬件课程只有一门课,而UIUC也只有两门必修(两门体系结构),斯坦福也是两门(电子学、体系结构或数字系统)。其中的原因,前面引述的Randal E。 Bryant所言作出了解释,毕竟计算机科学需要关注的在计算机系统层次中已经越来越高,底层越来越变得透明了。事实上,CC2001中制定的硬件课程也只有一门。而国内目前一般还开设数字逻辑、微机原理、计算机组成与结构、微机实验等硬件类课程。
2、程序设计日益重视
在 CMU,UIUC和斯坦福,必修的程序设计类课程往往在四五门左右。伯克利加起来也有四门。MIT虽然没有大量前导性的编程课程,但是由于在后面计算机系统工程、计算机语言工程、软件工程实验、Web软件工程诸课程都有实际的项目要完成,所以实际学时也很多,UIUC的改革更说明了这一点。同时,还出现了强调提高程序设计技巧,与软件工程环境和工具相结合,提倡团队合作,高级程序设计课程与数据结构、算法课融合的趋势。这方面的代表有斯坦福。该校副系主任 Eric Roberts曾执教入门类课程多年,总结了一套在语言教学中融入软件工程和现代程序设计观念,结合算法和数据结构教学的经验。其成果就是《C语言的科学和艺术》和《C程序设计的抽象思维》两本书(影印版已由机械工业出版社出版)。作为CC2001工作组两位主席之一,他在C语言教学中强调库与接口设计、编程风格的重要性,并进而介绍抽象、封装的概念,产生了很大影响。反观国内目前很多学校的语言教学和程序设计教学,不仅学时偏少,与其他课程孤立,而且脱离实际,造成语言学习和相关专业课学习都变得非常枯燥,不利于调动学生的积极性。
应该说,这些名校的教学体系、教材和经验都是丰富的宝藏,值得好好挖掘,比如每门核心课程的教学法,实验课程的安排,各门课程的衔接,大型项目的选材等。
加州大学伯克利分校
伯克利的课程设置也有很多独树一帜的地方,尤其是在专业基础课方面,除了有专业导引课程“计算机科学专题”之外,对于没有编程经验的学生,第一门编程课是符号编程入门,采用LISP语言。有一定编程经验或者有自学能力的学生,可以选择多种语言和环境的自主学习(Self-paced)课程,包括C、Fortran、C++、Java,以及UNIX的使用等,这种多元化与伯克利计算机科学与电子电气工程同系有关。但是所有学生在第二学期都要学习一组独特的基础课:61A“计算机程序的结构与解释”,采用MIT Abelson等编著的同名教材(中译本机械工业出版社出版,清华大学出版社出版了影印版);61B“数据结构”(教材采用自编讲义);61C“计算机结构”(Machine Structures),采用Hennessy的《计算机组织与设计》(中译本清华大学出版社出版,机械工业出版社出版了影印版)。这项规定就是转校生也不例外,可见其中蕴涵了伯克利多年的教学经验结晶。
伯克利其他比较有特点的课程还有:将离散数学和概率论结合讲授的CS70,主讲是名教授Christos Papadimitriou;CS98-1 编程练习课,以主要大学生编程竞赛中的赛题为授课素材;CS 169 软件工程直接用Kent Beck的《极限编程》(人民邮电出版社出版了中译本)作为教材,非常超前,但是既然连Pressman的《软件工程:实践者方法》新版中敏捷方法都已经成为重头戏,既然IEEE都已经开始制定敏捷方法相关标准,这种课程选材也就不显得那么骇世惊俗了。除了软件工程课程常见内容外,教学侧重实际,贯穿了极限编程的思想,涵盖UML、JUnit单元测试、软件架构、设计模式和反模式、重构、CVS版本控制、系统和集成测试,最后要求完成一个实际产品,并进行演示。
UIUC(伊利诺依大学厄班纳-香槟分校)
UIUC的计算机科学专业创建于1972年,到1986年基本定型,十多年来几乎没有什么变化。
其中,数值分析方向课程中,Math225为矩阵论,CS257为数值方法,CS35x代表数值分析导论、常微分数值方法、偏微分与数值逼近和数值线性代数;
理论方向课程中,CS173为离散结构,CS273为计算理论,CS37x包括算法、形式方法、程序验证;
人工智能方向课程中,CS348为人工智能导论,CS34x包括机器人、机器学习与模式识别;
软件方向,CS125为计算机科学导论,CS225为数据结构与软件工程原理,CS31x包括数据库、图形学、多媒体,CS32x包括软件工程、操作系统设计、分布式系统、编程语言与编译器、并行计算、实时系统、编译器构造、编程语言设计;
硬件方向课程中,CS231为计算机体系结构I,CS232为计算机体系结构II,CS33x包括计算机组成、VLSI系统与逻辑设计、VLSI系统设计、通信网络、嵌入式体系架构与软件。
可以看到,处在图1中最下面的课程基本上都是在多门中选择一至三门,整个体系脉络清晰,具有很高的灵活性。与斯坦福不同的是,UIUC的计算机科学导论课程比较简单,只有一门为新生开的计算机科学导向课(CS100),而且并非必修。名为“计算机科学导论”的CS125实际上是以Java语言为主的编程入门课,涵盖了一些算法的内容。此外还有与之配套的实验课。当然,系里所开的许多面向高年级和研究生层次的讲座是对低年级开放的。
2003年,在工程院院长David Daniel的倡导下,计算机系对教学计划进行了改革,以反映目前社会、行业和技术的发展趋势。主要的变化有:
* 在必修要求中增加了两门编程课:CS241 系统编程,采用Gary Nutt的《操作系统》作为主教材,Stevens的《Unix环境高级编程》作为编程教材;CS242 程序设计实验(Programming Studio),教学大纲基本上以Kernighan的《程序设计实践》为蓝本(以上教材机械工业出版社均出版了中译本和影印版)。
* 必修要求中增加了一年的高级项目,强调团队合作和软件工程实践,包括文档写作、口头表达、项目规划与管理等,实际上是在实践中学习软件工程。这门课也可以用两学期的软件工程或者一年的高级论文代替。仍然充分保留了灵活性,有利于因材施教。
* 增加了CS173 离散结构的学时,部分原CS273的内容移到这里,同时CS273又新增了原CS375的内容。这实际上是提高了对计算机理论的要求。
* 在专业课程中增加了数据挖掘、信息检索和高级图形学。
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