佐治亞理工計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的新思路

晏　華

在中國國家留學(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月在美國佐治亞理工計算機(jī)學(xué)院研修。佐治亞理工位于美國佐治亞州的州府亞特蘭大市，是美國頂尖的研究大學(xué)，美國三大理工學(xué)院之一（另外兩所分別是麻省理工和加州理工）。近年來，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16000人，主要的學(xué)院包括：建筑學(xué)院，計算機(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)）。我所在的計算機(jī)學(xué)院近年來在全美的排名也呈上升趨勢，2006年計算機(jī)專業(yè)的全美排名為11。計算機(jī)學(xué)院主要有五個大的研究中心，分別是：1)計算機(jī)系統(tǒng)實驗研究中心 (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驗室。在美的一年，我主要在指導(dǎo)教授Dr. Ling Liu組建的DISL實驗室（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)期旁聽一至二門專業(yè)課，除了提高自身的教學(xué)水平，還有一個目的是考察佐治亞理工計算機(jī)學(xué)院計算機(jī)人才培養(yǎng)的先進(jìn)思路和方法。為了實現(xiàn)因材施教的教育目標(biāo)，自2006年秋季開始，計算機(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

面對日益增加的經(jīng)濟(jì)全球化帶來的挑戰(zhàn)和信息技術(shù)人力的競爭，ThreadsTM培養(yǎng)方案的基本目標(biāo)是增加計算機(jī)科學(xué)本科學(xué)位的價值，以培養(yǎng)社會急需的人才以及保證畢業(yè)生在整個職業(yè)生涯中持續(xù)地貢獻(xiàn)社會。ThreadsTM給予學(xué)生以專業(yè)方向、計算工具以及能判斷出自己最適合做哪一類計算的機(jī)會。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)未來全球化競爭經(jīng)濟(jì)的畢業(yè)生。

ThreadsTM包含兩個主要的構(gòu)件：（1）線程，即學(xué)生的計算身份。由體系中兩個交織的線程定義；（2）角色，即學(xué)生的計算軌道，由學(xué)生的計算身份變換為學(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，共計有28個可能的兩線程組合。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)技巧和計算機(jī)編程語言。

1. 計算的身份：Threads線程

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

●計算建模Computational Modeling

計算建模線程是計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)建和利用計算模型表示認(rèn)知和物理過程的相關(guān)知識和技能，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)線程是計算與真實世界交匯的地方。表現(xiàn)線程考慮的是在可能嚴(yán)峻的物理約束下的計算。通過表現(xiàn)線程，學(xué)生學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造和評估嵌入在物理對象和物理世界的交互中的計算技巧。學(xué)生可以將表現(xiàn)線程與平臺線程組合去構(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)線程是計算自身的地方?；A(chǔ)線程教學(xué)生計算機(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，或者與平臺結(jié)合變成編程語言的研究者。

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

信息網(wǎng)絡(luò)線程是計算與數(shù)據(jù)的交匯。以信息為中心的計算培養(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算模型并強(qiáng)調(diào)展現(xiàn)智能各種級別的設(shè)計和實現(xiàn)技巧。學(xué)生獲得表達(dá)、具體化、理解、創(chuàng)建和利用計算模型表達(dá)認(rèn)知過程的必備技術(shù)知識和技巧。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

媒體線程是計算與設(shè)計交匯的地方。媒體線程幫助學(xué)生理解技術(shù)和系統(tǒng)的計算能力。如果與計算模型線程結(jié)合，學(xué)生可以研究動畫，或者與信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合研究高性能數(shù)據(jù)庫系統(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、構(gòu)造和評估系統(tǒng)的理論與計算的基礎(chǔ)。如果與表現(xiàn)線程結(jié)合可以研究人-機(jī)交互，或者平臺線程結(jié)合探究普適計算。

●平臺Platforms

平臺線程是學(xué)習(xí)很多計算的實際技巧的地方。如同基礎(chǔ)線程，平臺線程存在與計算的中心，幫助學(xué)生創(chuàng)建和評估計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和語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)合研究實時數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)，或者與人線程結(jié)合研究開發(fā)編程環(huán)境。

線程為學(xué)生提供幾乎無限制的計算領(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（智能線程 × 媒體線程）

●自適應(yīng)界面（人線程 × 計算模型線程）

●動畫 （媒體線程×計算模型線程）

●計算機(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)備游戲開發(fā) （媒體線程 × 表現(xiàn)線程）

●編程環(huán)境開發(fā) （人線程× 平臺線程）

●分布式高性能算法 （平臺線程 × 基礎(chǔ)線程）

●圖形 （媒體線程 × 計算模型線程）

●高性能數(shù)據(jù)庫系統(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）

●編程語言 （平臺線程 × 基礎(chǔ)線程）

●實時數(shù)據(jù)提取系統(tǒng) （平臺線程 × 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 （計算模型線程 × 信息網(wǎng)絡(luò)）

●普適計算 （人線程 × 平臺線程）

●高帶寬數(shù)據(jù)流可視化 （人線程× 媒體線程）

2.計算的軌道：角色

如前所述，兩個交織的線程構(gòu)成學(xué)生的計算身份。完成這些線程的計算軌道存在于一個信息技術(shù)快速變化的環(huán)境，被定義為角色。角色集成到計算經(jīng)驗的各個方面，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)生想開始創(chuàng)建自己的公司設(shè)計和銷售小型家用機(jī)器人。一些學(xué)生可能想最終獲得一個律師學(xué)位并開發(fā)軍用機(jī)器人的民用指導(dǎo)手冊。

計算機(jī)學(xué)院目前定義了四種角色，分別是：實踐者、企業(yè)家、發(fā)明家和交流者。與選擇線程類似，學(xué)生選擇一個或多個角色獲得學(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。下面簡單描述四種角色：

●實踐者（Master Practitioner）

編程專家，擁有獨(dú)自或在大項目組中設(shè)計、構(gòu)建和校驗基于計算機(jī)的系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)驗。大師級實踐者顯而易見就是程序員，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際問題并且能以任一一種編程語言和風(fēng)格實現(xiàn)設(shè)計方案。他們對練習(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)新知識和根本解決問題的方案。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)將最終給社會帶來影響，但根據(jù)調(diào)查并不保證產(chǎn)生實際效果。

●交流者（Communicator）

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

通過角色，本科學(xué)生利用可能的計算軌跡獲得學(xué)分。一個對成為實踐者的學(xué)生可能選擇真實世界實驗室課程，因為該課程允許學(xué)生組建開發(fā)小組并為一個實際的客戶解決實際問題。或者也可以選擇新架構(gòu)工作室的課程，因為該課程提供密集的實踐技術(shù)。一個想成為企業(yè)家的學(xué)生可以在管理學(xué)院修一個或多個學(xué)分并且通過參與新的計算項目中的本科商業(yè)機(jī)會獲得學(xué)分。通過該項目，形成計算機(jī)學(xué)院和管理學(xué)院的跨學(xué)科小組。該小組學(xué)習(xí)如何為計算事業(yè)開發(fā)商業(yè)計劃并在競爭啟動資本的時候證明想法。一個對計算研究感興趣并成為改革家的學(xué)生通過幾種機(jī)制獲得與計算機(jī)教授共同工作的本科研究機(jī)會，包括為獲得學(xué)分的獨(dú)立研究項目，參與計算項目的本科研究機(jī)會，或者通過暑期實習(xí)在一個教授的實驗室工作。一個對成為交流家感興趣的學(xué)生可以在一門或多門課程做教學(xué)助理，或者在學(xué)校的信息技術(shù)辦公室實習(xí)，寫一些技術(shù)文檔或用戶手冊。當(dāng)然學(xué)生可能想定義超過一種的角色，例如結(jié)合企業(yè)家和實踐者兩種角色。

二、ThreadsTM具體內(nèi)容

1.基礎(chǔ)課程需求

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

人文類：

ENG 1101 英語寫作I

ENG 1102 英語寫作II

LCC 3401 技術(shù)交流

必須輔修兩個人文課程

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

實驗室科學(xué)：

至少從下列課程中選擇3個實驗室學(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，例如PHYS 2211 & 2212 或 BIO 1510 & 1520。

社會科學(xué)：

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

至少輔修3個社會科學(xué)課程

綜合：

HPS 1040 Wellness

CS 4001 計算機(jī)與社會或CS 4002 機(jī)器人與社會

CS 4980 研究項目或 CS 4911 工作室項目

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，計算機(jī)學(xué)院還為28種線程組合指定了詳細(xì)的課程計劃，參見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期困擾計算機(jī)本科教育的一個問題，即現(xiàn)行的本科計算機(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)生的需求或滿足個人競爭的需求?，F(xiàn)行的課程設(shè)置只善于培養(yǎng)一種人才，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及新方案為未來培養(yǎng)的領(lǐng)導(dǎo)型人才。而且計算和計算機(jī)科學(xué)的廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有體現(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)的軟件開發(fā)人員，其實學(xué)生們的職業(yè)可能性是很多的。

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

現(xiàn)行的計算機(jī)學(xué)院課程計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劃的趨勢，垂直方向的課程計劃的目標(biāo)是培養(yǎng)具有固定技能和知識的學(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。計算機(jī)科學(xué)作為一門學(xué)科正變得越來越廣泛，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人的課程計劃融入到大的競爭的全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境中。