佐治亞理工計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的新思路

晏　華

在中國(guó)國(guó)家留學(xué)基金委（CSC）以及電子科技大學(xué)軟件學(xué)院的資助下，我于2005年8月至2006年8月在美國(guó)佐治亞理工計(jì)算機(jī)學(xué)院研修。佐治亞理工位于美國(guó)佐治亞州的州府亞特蘭大市，是美國(guó)頂尖的研究大學(xué)，美國(guó)三大理工學(xué)院之一（另外兩所分別是麻省理工和加州理工）。近年來(lái)，佐治亞理工在全美大學(xué)的綜合排名在37位，是前十名的公立大學(xué)之一。佐治亞理工校園占地400英畝，全職教員約900人，在校的本科和研究生超過(guò)16000人，主要的學(xué)院包括：建筑學(xué)院，計(jì)算機(jī)學(xué)院，工程學(xué)院（航空工程，生物醫(yī)學(xué)工程，化學(xué)與生物分子工程，城市與環(huán)境工程，電子與計(jì)算機(jī)工程，工業(yè)與系統(tǒng)工程，材料科學(xué)與工程，機(jī)械工程等），文學(xué)與藝術(shù)學(xué)院（經(jīng)濟(jì)，歷史，公共政策，國(guó)際關(guān)系等），管理學(xué)院，科學(xué)學(xué)院（生理學(xué)，物理，數(shù)學(xué)，地球與大氣科學(xué)和心理學(xué)）。我所在的計(jì)算機(jī)學(xué)院近年來(lái)在全美的排名也呈上升趨勢(shì)，2006年計(jì)算機(jī)專業(yè)的全美排名為11。計(jì)算機(jī)學(xué)院主要有五個(gè)大的研究中心，分別是：1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中心 (CERCS) ；2) 佐治亞理工信息安全中心 (GTISC) ；3)圖形、可視化和可用性工程中心(GVU) ；4)模型與仿真研究與教育(MSRE) ；5)機(jī)器人與智能機(jī)器中心。在五大中心下面有若干由教授、博士生組成的研究小組和實(shí)驗(yàn)室。在美的一年，我主要在指導(dǎo)教授Dr. Ling Liu組建的DISL實(shí)驗(yàn)室（Distributed Data Intensive Systems Lab）研究和工作。

在佐治亞理工的這一年中，除了作研究，我每學(xué)期旁聽(tīng)一至二門(mén)專業(yè)課，除了提高自身的教學(xué)水平，還有一個(gè)目的是考察佐治亞理工計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的先進(jìn)思路和方法。為了實(shí)現(xiàn)因材施教的教育目標(biāo)，自2006年秋季開(kāi)始，計(jì)算機(jī)學(xué)院本科課程體系將完全采用新的ThreadsTM培養(yǎng)方案。下面就ThreadsTM培養(yǎng)方案作一個(gè)介紹，希望讀者能從中找出值得借鑒的思路和方法。

一、ThreadsTM基本概念

面對(duì)日益增加的經(jīng)濟(jì)全球化帶來(lái)的挑戰(zhàn)和信息技術(shù)人力的競(jìng)爭(zhēng)，ThreadsTM培養(yǎng)方案的基本目標(biāo)是增加計(jì)算機(jī)科學(xué)本科學(xué)位的價(jià)值，以培養(yǎng)社會(huì)急需的人才以及保證畢業(yè)生在整個(gè)職業(yè)生涯中持續(xù)地貢獻(xiàn)社會(huì)。ThreadsTM給予學(xué)生以專業(yè)方向、計(jì)算工具以及能判斷出自己最適合做哪一類計(jì)算的機(jī)會(huì)。ThreadsTM的目標(biāo)是吸引更廣泛的本科學(xué)生人群和培養(yǎng)出終生學(xué)習(xí)、自我調(diào)整適應(yīng)未來(lái)全球化競(jìng)爭(zhēng)經(jīng)濟(jì)的畢業(yè)生。

ThreadsTM包含兩個(gè)主要的構(gòu)件：（1）線程，即學(xué)生的計(jì)算身份。由體系中兩個(gè)交織的線程定義；（2）角色，即學(xué)生的計(jì)算軌道，由學(xué)生的計(jì)算身份變換為學(xué)生想要成為的角色。ThreadsTM有8組線程，學(xué)生修完兩個(gè)交織的線程就可獲得學(xué)位，也就是：Thread1× Thread2 → B.S. degree from Georgia Tech，共計(jì)有28個(gè)可能的兩線程組合。線程之間有很多核心內(nèi)容的重疊，因此學(xué)生可以在所有的線程中得到健壯的技術(shù)技巧和計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。

1. 計(jì)算的身份：Threads線程

線程的實(shí)質(zhì)是學(xué)校提供的課程子集。一個(gè)線程提供直覺(jué)的、靈活的和交互強(qiáng)化的課程組，允許學(xué)生構(gòu)建自己在某一計(jì)算領(lǐng)域獨(dú)特的技能。目前計(jì)算機(jī)學(xué)院定義了8個(gè)線程，分別是：

●計(jì)算建模Computational Modeling

計(jì)算建模線程是計(jì)算和描述世界交匯的地方，它培養(yǎng)學(xué)生具備表達(dá)、具體化、理解、創(chuàng)建和利用計(jì)算模型表示認(rèn)知和物理過(guò)程的相關(guān)知識(shí)和技能，為不同的領(lǐng)域如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、感知、認(rèn)知科學(xué)和圖形預(yù)備基礎(chǔ)知識(shí)和技能。例如：如果與媒體線程結(jié)合，可為圖形領(lǐng)域的相關(guān)職業(yè)作準(zhǔn)備。

●表現(xiàn)Embodiment

表現(xiàn)線程是計(jì)算與真實(shí)世界交匯的地方。表現(xiàn)線程考慮的是在可能?chē)?yán)峻的物理約束下的計(jì)算。通過(guò)表現(xiàn)線程，學(xué)生學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造和評(píng)估嵌入在物理對(duì)象和物理世界的交互中的計(jì)算技巧。學(xué)生可以將表現(xiàn)線程與平臺(tái)線程組合去構(gòu)造小的、強(qiáng)大的且CPU限制的設(shè)備，或者與計(jì)算模型線程結(jié)合構(gòu)建自治機(jī)器人，或者與人線程結(jié)合研究人機(jī)交互。

●基礎(chǔ)Foundations

基礎(chǔ)線程是計(jì)算自身的地方?；A(chǔ)線程教學(xué)生計(jì)算機(jī)學(xué)科相關(guān)的理論的和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。如果與表現(xiàn)線程組合，則可提供機(jī)器人算法的性能邊界，或者與平臺(tái)結(jié)合變成編程語(yǔ)言的研究者。

●信息網(wǎng)絡(luò)Information Internetworks

信息網(wǎng)絡(luò)線程是計(jì)算與數(shù)據(jù)的交匯。以信息為中心的計(jì)算培養(yǎng)學(xué)生信息管理能力，幫助學(xué)生安全和有效地捕捉、表達(dá)、組織、變換、管理和表示信息。信息網(wǎng)絡(luò)線程與計(jì)算模型線程結(jié)合可以用于研究文本提取和分類，或者與人線程結(jié)合研究數(shù)據(jù)可視化。

●智能Intelligence

智能線程是計(jì)算與智能建立模型交匯的地方。智能考慮的是至頂向下的智能計(jì)算模型并強(qiáng)調(diào)展現(xiàn)智能各種級(jí)別的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技巧。學(xué)生獲得表達(dá)、具體化、理解、創(chuàng)建和利用計(jì)算模型表達(dá)認(rèn)知過(guò)程的必備技術(shù)知識(shí)和技巧。該線程的學(xué)生面向廣泛的領(lǐng)域，如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、感知和認(rèn)知科學(xué)，以及從這些領(lǐng)域獲益的應(yīng)用領(lǐng)域。智能線程如果與表現(xiàn)線程結(jié)合，則學(xué)生能變成機(jī)器人專家，或者與人線程結(jié)合構(gòu)建自適應(yīng)界面。

●媒體Media

媒體線程是計(jì)算與設(shè)計(jì)交匯的地方。媒體線程幫助學(xué)生理解技術(shù)和系統(tǒng)的計(jì)算能力。如果與計(jì)算模型線程結(jié)合，學(xué)生可以研究動(dòng)畫(huà)，或者與信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合研究高性能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，或者與人結(jié)合探究寬帶數(shù)據(jù)流的可視化化。

●人People

人線程是計(jì)算與用戶交互的地方。人線程幫助學(xué)生理解以人為中心的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和評(píng)估系統(tǒng)的理論與計(jì)算的基礎(chǔ)。如果與表現(xiàn)線程結(jié)合可以研究人-機(jī)交互，或者平臺(tái)線程結(jié)合探究普適計(jì)算。

●平臺(tái)Platforms

平臺(tái)線程是學(xué)習(xí)很多計(jì)算的實(shí)際技巧的地方。如同基礎(chǔ)線程，平臺(tái)線程存在與計(jì)算的中心，幫助學(xué)生創(chuàng)建和評(píng)估計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和語(yǔ)言交叉的大量范例和方案。如果與基礎(chǔ)線程結(jié)合可研究分布式高性能算法，或者與信息網(wǎng)絡(luò)線程結(jié)合研究實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)，或者與人線程結(jié)合研究開(kāi)發(fā)編程環(huán)境。

線程為學(xué)生提供幾乎無(wú)限制的計(jì)算領(lǐng)域組合，下列組合列出了最相關(guān)線程的組合：

●自適應(yīng)娛樂(lè)（智能線程 × 媒體線程）

●自適應(yīng)界面（人線程 × 計(jì)算模型線程）

●動(dòng)畫(huà) （媒體線程×計(jì)算模型線程）

●計(jì)算機(jī)安全 （人線程× 信息網(wǎng)絡(luò)線程）

●數(shù)據(jù)可視化 （人線程 × 信息網(wǎng)絡(luò)線程）

●手持設(shè)備游戲開(kāi)發(fā) （媒體線程 × 表現(xiàn)線程）

●編程環(huán)境開(kāi)發(fā) （人線程× 平臺(tái)線程）

●分布式高性能算法 （平臺(tái)線程 × 基礎(chǔ)線程）

●圖形 （媒體線程 × 計(jì)算模型線程）

●高性能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) （媒體線程 × 信息網(wǎng)絡(luò)線程）

●人機(jī)交互 （人線程 × 表現(xiàn)線程）

●機(jī)器規(guī)劃算法的性能邊界 （表現(xiàn)線程× 基礎(chǔ)線程）

●編程語(yǔ)言 （平臺(tái)線程 × 基礎(chǔ)線程）

●實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取系統(tǒng) （平臺(tái)線程 × 信息網(wǎng)絡(luò)線程）

●機(jī)器人 （智能線程 × 表現(xiàn)線程）

●文本提取 （計(jì)算模型線程 × 信息網(wǎng)絡(luò)）

●普適計(jì)算 （人線程 × 平臺(tái)線程）

●高帶寬數(shù)據(jù)流可視化 （人線程× 媒體線程）

2.計(jì)算的軌道：角色

如前所述，兩個(gè)交織的線程構(gòu)成學(xué)生的計(jì)算身份。完成這些線程的計(jì)算軌道存在于一個(gè)信息技術(shù)快速變化的環(huán)境，被定義為角色。角色集成到計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的各個(gè)方面，正交于線程。線程是關(guān)于學(xué)生攻讀學(xué)位的內(nèi)容而角色是學(xué)生如何將學(xué)位應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的。

在佐治亞理工，所有的學(xué)生有著不同的目標(biāo)。一些學(xué)生想獲得一個(gè)機(jī)械工程的學(xué)位，一些學(xué)生想成為心理學(xué)家，一些學(xué)生想成為軟件工程師，甚至想成為機(jī)器人專家的學(xué)生也有不同的理想。例如，一些學(xué)生想坐在地板上自己搭建智能機(jī)器人，而另一些學(xué)生想開(kāi)始創(chuàng)建自己的公司設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售小型家用機(jī)器人。一些學(xué)生可能想最終獲得一個(gè)律師學(xué)位并開(kāi)發(fā)軍用機(jī)器人的民用指導(dǎo)手冊(cè)。

計(jì)算機(jī)學(xué)院目前定義了四種角色，分別是：實(shí)踐者、企業(yè)家、發(fā)明家和交流者。與選擇線程類似，學(xué)生選擇一個(gè)或多個(gè)角色獲得學(xué)分，這些角色幫助學(xué)生進(jìn)行課程選擇并指導(dǎo)他們選擇學(xué)院提供的課外活動(dòng)。下面簡(jiǎn)單描述四種角色：

●實(shí)踐者（Master Practitioner）

編程專家，擁有獨(dú)自或在大項(xiàng)目組中設(shè)計(jì)、構(gòu)建和校驗(yàn)基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。大師級(jí)實(shí)踐者顯而易見(jiàn)就是程序員，但不是黑客或代碼怪物，而是能應(yīng)用抽象的東西到任何實(shí)際問(wèn)題并且能以任一一種編程語(yǔ)言和風(fēng)格實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。他們對(duì)練習(xí)和掌握技巧感興趣并且有可能成為公司雇員。

●企業(yè)家（Entrepreneur）

新事業(yè)的創(chuàng)建者和領(lǐng)導(dǎo)并將技術(shù)以新產(chǎn)品和服務(wù)的形式帶給公眾。

●改革家（Innovator）

發(fā)現(xiàn)新知識(shí)和根本解決問(wèn)題的方案。典型的改革家是學(xué)術(shù)或工業(yè)界的研究科學(xué)家。他們的發(fā)現(xiàn)將最終給社會(huì)帶來(lái)影響，但根據(jù)調(diào)查并不保證產(chǎn)生實(shí)際效果。

●交流者（Communicator）

擅長(zhǎng)與技術(shù)人員或外行進(jìn)行技術(shù)溝通的個(gè)人。交流者本身具備相應(yīng)的技術(shù)并努力練習(xí)將他們的知識(shí)與有興趣但缺乏專業(yè)知識(shí)的聽(tīng)眾分享。

通過(guò)角色，本科學(xué)生利用可能的計(jì)算軌跡獲得學(xué)分。一個(gè)對(duì)成為實(shí)踐者的學(xué)生可能選擇真實(shí)世界實(shí)驗(yàn)室課程，因?yàn)樵撜n程允許學(xué)生組建開(kāi)發(fā)小組并為一個(gè)實(shí)際的客戶解決實(shí)際問(wèn)題。或者也可以選擇新架構(gòu)工作室的課程，因?yàn)樵撜n程提供密集的實(shí)踐技術(shù)。一個(gè)想成為企業(yè)家的學(xué)生可以在管理學(xué)院修一個(gè)或多個(gè)學(xué)分并且通過(guò)參與新的計(jì)算項(xiàng)目中的本科商業(yè)機(jī)會(huì)獲得學(xué)分。通過(guò)該項(xiàng)目，形成計(jì)算機(jī)學(xué)院和管理學(xué)院的跨學(xué)科小組。該小組學(xué)習(xí)如何為計(jì)算事業(yè)開(kāi)發(fā)商業(yè)計(jì)劃并在競(jìng)爭(zhēng)啟動(dòng)資本的時(shí)候證明想法。一個(gè)對(duì)計(jì)算研究感興趣并成為改革家的學(xué)生通過(guò)幾種機(jī)制獲得與計(jì)算機(jī)教授共同工作的本科研究機(jī)會(huì)，包括為獲得學(xué)分的獨(dú)立研究項(xiàng)目，參與計(jì)算項(xiàng)目的本科研究機(jī)會(huì)，或者通過(guò)暑期實(shí)習(xí)在一個(gè)教授的實(shí)驗(yàn)室工作。一個(gè)對(duì)成為交流家感興趣的學(xué)生可以在一門(mén)或多門(mén)課程做教學(xué)助理，或者在學(xué)校的信息技術(shù)辦公室實(shí)習(xí)，寫(xiě)一些技術(shù)文檔或用戶手冊(cè)。當(dāng)然學(xué)生可能想定義超過(guò)一種的角色，例如結(jié)合企業(yè)家和實(shí)踐者兩種角色。

二、ThreadsTM具體內(nèi)容

1.基礎(chǔ)課程需求

需要強(qiáng)調(diào)的是無(wú)論學(xué)生選擇哪一個(gè)線程，都需要修一些基礎(chǔ)課程，包括數(shù)學(xué)、人文、社會(huì)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)室科學(xué)以及倫理道德。這些課程需求通常以小時(shí)計(jì)，例如社會(huì)科學(xué)需要修12小時(shí)并且學(xué)院指定社會(huì)科學(xué)的課程。此外，各線程也有自己對(duì)基礎(chǔ)課的一些需求。例如表現(xiàn)線程需要你的一個(gè)社會(huì)科學(xué)課程必須是心理學(xué)。下面是對(duì)基礎(chǔ)課程的具體要求：

人文類：

ENG 1101 英語(yǔ)寫(xiě)作I

ENG 1102 英語(yǔ)寫(xiě)作II

LCC 3401 技術(shù)交流

必須輔修兩個(gè)人文課程

數(shù)學(xué)類：

MATH 1501微積分I

MATH 1502微積分II

MATH 2605微積分 III （計(jì)算機(jī)科學(xué)）

MATH 3012應(yīng)用組合數(shù)學(xué)

MATH 3215 概率與統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室科學(xué)：

至少?gòu)南铝姓n程中選擇3個(gè)實(shí)驗(yàn)室學(xué)科：PHYS 2211, PHYS 2212, EAS 1600, EAS 1601, EAS 2600, CHEM 1310, CHEM 1311/12, BIO 1510, BIO 1520。

PHYS 2211必選, 且必須按順序選擇兩門(mén)，例如PHYS 2211 & 2212 或 BIO 1510 & 1520。

社會(huì)科學(xué)：

HIST 2111 or 2112, POL 1101, PUBP 3000, or INTA 1200

至少輔修3個(gè)社會(huì)科學(xué)課程

綜合：

HPS 1040 Wellness

CS 4001 計(jì)算機(jī)與社會(huì)或CS 4002 機(jī)器人與社會(huì)

CS 4980 研究項(xiàng)目或 CS 4911 工作室項(xiàng)目

2.各線程的具體目標(biāo)

此節(jié)我們列出各線程的具體目標(biāo)，如表1所示。

表1 各線程具體目標(biāo)

此外，計(jì)算機(jī)學(xué)院還為28種線程組合指定了詳細(xì)的課程計(jì)劃，參見(jiàn)http://www.cc.gatech.edu/content/view/692/446/1/2/。

三、 總結(jié)

ThreadsTM培養(yǎng)方案的提出解決了長(zhǎng)期困擾計(jì)算機(jī)本科教育的一個(gè)問(wèn)題，即現(xiàn)行的本科計(jì)算機(jī)科學(xué)課程設(shè)置已經(jīng)變得僵化，太不靈活而不能滿足學(xué)生的需求或滿足個(gè)人競(jìng)爭(zhēng)的需求?，F(xiàn)行的課程設(shè)置只善于培養(yǎng)一種人才，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及新方案為未來(lái)培養(yǎng)的領(lǐng)導(dǎo)型人才。而且計(jì)算和計(jì)算機(jī)科學(xué)的廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有體現(xiàn)在課程設(shè)置中。在某種程度上，培養(yǎng)的大多數(shù)學(xué)生預(yù)備成為專業(yè)的軟件開(kāi)發(fā)人員，其實(shí)學(xué)生們的職業(yè)可能性是很多的。

ThreadsTM在計(jì)算機(jī)本科教育與新的全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境之間建立的聯(lián)系。此前很多課程改革試圖創(chuàng)建新的計(jì)算機(jī)核心課程或采用CS+x的模式去解決此問(wèn)題。然而這些方法僅僅是解決問(wèn)題的第一步，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能動(dòng)態(tài)地增加本科生的價(jià)值或者僅僅是一個(gè)短期的反映潮流的折中方案。

現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)學(xué)院課程計(jì)劃缺乏靈活性與透明性，而ThreadsTM代表了一種新的組織本科教育的方法，代表了一種遠(yuǎn)離垂直方向的課程計(jì)劃的趨勢(shì)，垂直方向的課程計(jì)劃的目標(biāo)是培養(yǎng)具有固定技能和知識(shí)的學(xué)生。ThreadsTM廢除了單一的核心課程加一池子的選修課程的模式。計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門(mén)學(xué)科正變得越來(lái)越廣泛，ThreadsTM賦予學(xué)生在廣泛的領(lǐng)域中選擇的能力以及展望如何將個(gè)人的課程計(jì)劃融入到大的競(jìng)爭(zhēng)的全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境中。