新工科背景下以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革

李翠平 柴云鵬

摘 要：工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵是要根據(jù)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展，創(chuàng)新性地改革人才培養(yǎng)模式、改造課程體系、改革教學(xué)范式。本文針對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求，對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)教育存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，探索以數(shù)據(jù)為中心的適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求的新型計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系，通過(guò)課程建設(shè)全面更新教學(xué)內(nèi)容、促進(jìn)新工科建設(shè)，并在中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院進(jìn)行實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；以數(shù)據(jù)為中心；計(jì)算機(jī)專業(yè)；教學(xué)改革；新工科

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展的新階段，并且不僅局限在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展，而是與大量其他的行業(yè)進(jìn)行交叉融合，幫助其他行業(yè)升級(jí)，并不斷創(chuàng)造出新的行業(yè)，是新經(jīng)濟(jì)最重要的驅(qū)動(dòng)力之一。但是，反觀計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)，培養(yǎng)方式和課程體系的發(fā)展速度明顯滯后于新技術(shù)的發(fā)展速度。中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院針對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求，以新工科建設(shè)為背景，以面向產(chǎn)出的計(jì)算機(jī)工程教育專業(yè)認(rèn)證為抓手，對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，探索以數(shù)據(jù)為中心的適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求的新型計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系，通過(guò)課程建設(shè)全面更新教學(xué)內(nèi)容，取得了良好的實(shí)踐效果。

一、傳統(tǒng)以計(jì)算為中心的培養(yǎng)模式的局限

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能的核心是數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)自不必言；云計(jì)算主要為各行各業(yè)提供彈性、穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和處理平臺(tái)；人工智能的主要驅(qū)動(dòng)力是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，智能程度的提高主要依賴遠(yuǎn)超以往規(guī)模的大數(shù)據(jù)積累。目前全球絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都是用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和處理，數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)最大的用戶，不僅決定了計(jì)算機(jī)如何應(yīng)用，也深刻地影響了計(jì)算機(jī)軟硬件的設(shè)計(jì)。但是，目前計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)仍然是沿用傳統(tǒng)的以計(jì)算為中心的培養(yǎng)模式，這種培養(yǎng)模式主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）程序設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解方面的課程缺少對(duì)并行計(jì)算的足夠重視。大數(shù)據(jù)和人工智能目前主要依賴大規(guī)模集群、GPU等新型硬件的并行數(shù)據(jù)處理。但在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中，學(xué)生在并行算法、并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計(jì)和并行編程工具等方面的培養(yǎng)和訓(xùn)練較少。

（2）傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程主要關(guān)注單機(jī)系統(tǒng)，一般是以計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理為核心，學(xué)生對(duì)單機(jī)上的軟硬件系統(tǒng)較為了解，但是對(duì)現(xiàn)代大規(guī)模分布式系統(tǒng)的了解和訓(xùn)練比較少。

（3）傳統(tǒng)課程體系以計(jì)算為中心，主要圍繞如何構(gòu)造計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、如何加快計(jì)算機(jī)計(jì)算速度而展開(kāi)，在數(shù)據(jù)方面往往只有數(shù)據(jù)庫(kù)一門(mén)課程，學(xué)生對(duì)大數(shù)據(jù)的平臺(tái)（云計(jì)算）、大數(shù)據(jù)的核心科學(xué)問(wèn)題、計(jì)算智能等方面的了解不夠。

（4）大數(shù)據(jù)、人工智能的意義不僅僅在于計(jì)算機(jī)行業(yè)本身，其更廣闊的市場(chǎng)是與社會(huì)上其他領(lǐng)域深度結(jié)合，升級(jí)改造其他行業(yè)，甚至創(chuàng)造新的行業(yè)。但是目前的計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)主要專注于計(jì)算機(jī)自身的工科專業(yè)訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生的人文素養(yǎng)，以及經(jīng)濟(jì)、法律等社會(huì)學(xué)科的交叉培養(yǎng)還不夠。

因此，需要研究分析新經(jīng)濟(jì)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求，特別是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的新要求，探索從傳統(tǒng)的以計(jì)算為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)，向新時(shí)代下以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)升級(jí)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵和方法。

二、計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革的時(shí)代需求

隨著計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)已深入到社會(huì)和人民生活的方方面面。不僅需管理的數(shù)據(jù)數(shù)量呈爆炸式快速增長(zhǎng)，而且類型也越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。2015年9月5日國(guó)務(wù)院發(fā)布了《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，系統(tǒng)部署了大數(shù)據(jù)發(fā)展工作，這意味著中國(guó)大數(shù)據(jù)發(fā)展經(jīng)由頂層設(shè)計(jì)，正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略?？梢哉f(shuō)，數(shù)據(jù)的掌握能力是國(guó)家主權(quán)或企業(yè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的體現(xiàn)，數(shù)據(jù)的處理與分析是推動(dòng)生產(chǎn)力增長(zhǎng)的關(guān)鍵要素，也是保證國(guó)家安全與社會(huì)進(jìn)步的重要因素，國(guó)家急需能架構(gòu)系統(tǒng)、會(huì)分析數(shù)據(jù)、懂領(lǐng)域業(yè)務(wù)的復(fù)合型人才。

大數(shù)據(jù)的全生命周期包括4個(gè)階段：大數(shù)據(jù)的獲取與管理，大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，大數(shù)據(jù)的分析與理解，結(jié)合領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。在整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)、平臺(tái)是支撐、分析是核心、效益是根本。因此，以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)必須注重學(xué)科交叉，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，關(guān)注實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決綜合性實(shí)際問(wèn)題的能力。只有建立起一個(gè)跨學(xué)科、全方位的以“數(shù)據(jù)”為中心的新型計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)體系，通過(guò)扎實(shí)的課程體系設(shè)計(jì)和課程建設(shè)，才能真正提高計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)、新時(shí)代的需求。

三、以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系

在新體系下，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程分為“問(wèn)題求解”“系統(tǒng)平臺(tái)”和“數(shù)據(jù)科學(xué)”三條主線進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)還有“數(shù)學(xué)和自然科學(xué)”“人文社科教育”兩條輔線起到支撐作用。

“問(wèn)題求解”類課程主要訓(xùn)練用計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的思維方式、方法和實(shí)現(xiàn)手段（主要是編程）。“系統(tǒng)平臺(tái)”類課程主要介紹和訓(xùn)練支持問(wèn)題求解的實(shí)際計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)如何分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“問(wèn)題求解”和“系統(tǒng)平臺(tái)”兩條主線中的課程主要是為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在兩個(gè)方面打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，而“數(shù)據(jù)科學(xué)”類課程涉及大數(shù)據(jù)從獲取、存儲(chǔ)、管理、分析到領(lǐng)域應(yīng)用等整個(gè)數(shù)據(jù)生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，尤其是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)將重點(diǎn)集中在這一主線中講授和訓(xùn)練。“數(shù)學(xué)和自然科學(xué)”輔線課程將為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生打下扎實(shí)的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)基礎(chǔ)，“人文社科教育”類課程主要目標(biāo)是提高學(xué)生的人文素養(yǎng)，積累社會(huì)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)數(shù)據(jù)科學(xué)中的關(guān)于大數(shù)據(jù)和人工智能的課程也會(huì)與人文社會(huì)學(xué)科深度結(jié)合。

從縱向看，從大一到大四，四個(gè)年級(jí)的課程深度逐步加強(qiáng)。大一階段主要通過(guò)“問(wèn)題求

解”主線中的程序設(shè)計(jì)等課程，訓(xùn)練大家的計(jì)算機(jī)編程能力，培養(yǎng)計(jì)算思維。從大二開(kāi)始設(shè)置“系統(tǒng)平臺(tái)”和“數(shù)據(jù)科學(xué)”類課程，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題求解的方法和能力，訓(xùn)練如何抽象問(wèn)題、建立模型、求解問(wèn)題，并編程實(shí)現(xiàn)；通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)方面的基礎(chǔ)課讓學(xué)生初步了解計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，學(xué)習(xí)實(shí)際系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；同時(shí)通過(guò)導(dǎo)論類型的課程開(kāi)啟“數(shù)據(jù)科學(xué)”主線課程的學(xué)習(xí)。大三階段的學(xué)習(xí)增加一個(gè)難度，增強(qiáng)問(wèn)題求解的理論基礎(chǔ)和復(fù)雜問(wèn)題求解的能力，并訓(xùn)練學(xué)生完整設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；在“數(shù)據(jù)科學(xué)”方面對(duì)大數(shù)據(jù)從獲取、存儲(chǔ)、管理、挖掘到可視化等整個(gè)數(shù)據(jù)生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合講授和訓(xùn)練。大四階段的學(xué)習(xí)會(huì)進(jìn)入一個(gè)全新的模式，即通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式，對(duì)導(dǎo)師提出的開(kāi)放性問(wèn)題進(jìn)行探索，在調(diào)研、分析、研究、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面得到進(jìn)一步的訓(xùn)練。

下面分別闡述計(jì)算機(jī)專業(yè)核心的“問(wèn)題求解”“系統(tǒng)平臺(tái)”和“數(shù)據(jù)科學(xué)”三條主線的課程建設(shè)。

（1）“問(wèn)題求解”主線。問(wèn)題求解主線中的課程包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法等內(nèi)容，不僅是計(jì)算機(jī)知識(shí)和能力體系中非常重要和基礎(chǔ)的一環(huán)，往往也是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的入門(mén)課程，因此非常重要。但是正因?yàn)檫@類課程非常經(jīng)典，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中這類課程在過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變化并不大，在新時(shí)期至少需要在以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。一是在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代主要依賴高度并行化來(lái)提高運(yùn)算速度的情況下，需要從入門(mén)階段開(kāi)始就培養(yǎng)學(xué)生的并行計(jì)算思維，學(xué)習(xí)并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和并行算法的知識(shí)，學(xué)習(xí)并行編程的理論、方法和工具。二是面向新技術(shù)的需求，建設(shè)豐富的編程語(yǔ)言方面的必修和選修課程群，包括函數(shù)式編程以及新興的主流編程語(yǔ)言等內(nèi)容。

（2）“系統(tǒng)平臺(tái)”主線。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面的傳統(tǒng)專業(yè)教學(xué)中，往往存在以下三個(gè)問(wèn)題：一是課程實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度與實(shí)際工程有較大脫節(jié)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試復(fù)雜系統(tǒng)的訓(xùn)練不足；二是課程之間缺少銜接，缺少對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)，只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林；三是知識(shí)更新速度不夠快，對(duì)最新的現(xiàn)代新型分布式系統(tǒng)關(guān)注不夠，實(shí)際上以Hadoop以及Spark為代表的開(kāi)源軟件生態(tài)的重要性相當(dāng)于20世紀(jì)八九十年代的CPU和操作系統(tǒng)，重要且發(fā)展迅速，需要在課程體系中體現(xiàn)。因此，需要對(duì)以上問(wèn)題做出有針對(duì)性的改革，包括加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)骨干課程的復(fù)雜系統(tǒng)大實(shí)驗(yàn)改革和建設(shè)、開(kāi)設(shè)貫通整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體視圖課程、增加包含最新技術(shù)的新課程等。

（3）“數(shù)據(jù)科學(xué)”主線。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)是以計(jì)算為中心的，數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)的課程設(shè)置非常薄弱，一般只包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一門(mén)課程，甚至只是一門(mén)選修課。但是在新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能都和大數(shù)據(jù)密切相關(guān)，需要轉(zhuǎn)換思維，增加一系列重要的數(shù)據(jù)科學(xué)和大數(shù)據(jù)相關(guān)的新課程，涵蓋從獲取、存儲(chǔ)、管理、分析到領(lǐng)域應(yīng)用等整個(gè)數(shù)據(jù)生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容。而且這些新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展迭代速度非常快，需要設(shè)計(jì)一套機(jī)制，以便在課程內(nèi)容更新上做到快速反應(yīng)，盡快把最新的思想、方法和工具引入相關(guān)課程。

此外，在課程體系建設(shè)方面，需要加強(qiáng)實(shí)踐課程的建設(shè)，尤其是設(shè)計(jì)和建設(shè)以數(shù)據(jù)管理課程為核心的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力的訓(xùn)練，并可以將該在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)推廣到其他高校。同時(shí)，可以與企業(yè)合作建設(shè)新課程，給學(xué)生提供機(jī)會(huì)了解工業(yè)界的實(shí)際情況和最新技術(shù)，以及充分的鍛煉機(jī)會(huì)。

信息學(xué)院通過(guò)充分利用中國(guó)人民大學(xué)過(guò)去幾十年在數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的科研和人才培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，并將人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與學(xué)校在人文社科方面的學(xué)科優(yōu)勢(shì)深度結(jié)合，力求將過(guò)去以計(jì)算為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)模式。希望能將改革過(guò)程中得到的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)與國(guó)內(nèi)外同行進(jìn)行分享，也希望其他相關(guān)高校能夠參考我們的教育理念和課程體系，在應(yīng)用和討論中對(duì)這個(gè)體系進(jìn)行不斷改進(jìn)。

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[本文獲得教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算機(jī)專業(yè)教育改革與實(shí)踐”、2017年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（第二批）騰訊公司新工科建設(shè)專題的支持]

[責(zé)任編輯：余大品]