新工科背景下計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)

毛艷艷 ,馮煙利謝青松程大鵬何 凱

（1．山東工商學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264005；2．中國石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

近年來,隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度交叉融合,我國新舊動能轉(zhuǎn)換的步伐不斷加快。自2017年2月以來,從“復(fù)旦共識”“天大行動”到“北京指南”,新工科的研究與建設(shè)工作已經(jīng)漸入佳境。教育部強(qiáng)調(diào),我國的工程教育要對國家的重大強(qiáng)國戰(zhàn)略做出積極響應(yīng),使當(dāng)前高校的工科教育更快更好地適應(yīng)新形勢的發(fā)展,從而培養(yǎng)出大量滿足當(dāng)前社會需求的具有持續(xù)競爭力的卓越工程人才[1]。計算機(jī)類專業(yè)是新工科建設(shè)體系中的重要組成部分,一方面計算機(jī)類專業(yè)的內(nèi)部交叉融合,形成了人工智能、機(jī)器人工程等新技術(shù)行業(yè);另一方面計算機(jī)專業(yè)與其他學(xué)科深度交叉,這些領(lǐng)域包括智能醫(yī)療、智能制造、新能源工程等。

在新工科的背景下,計算機(jī)類專業(yè)的高素質(zhì)人才需求大幅度增加,與計算機(jī)相關(guān)的工程問題也日趨復(fù)雜,而傳統(tǒng)計算機(jī)類專業(yè)的畢業(yè)生缺乏分析和解決實際復(fù)雜工程問題的能力。因此,新工科背景下的計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革迫在眉睫,成為了當(dāng)前人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容。

1 新工科背景下系統(tǒng)能力特點

在新工科背景下進(jìn)行系統(tǒng)能力教學(xué)改革主要分為以清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)為代表的3種模式[3-5]。清華大學(xué)劉衛(wèi)東老師根據(jù)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求,提出了“注重系統(tǒng)、強(qiáng)調(diào)實驗、培養(yǎng)能力”的教學(xué)理念,統(tǒng)一規(guī)劃理論教學(xué)內(nèi)容和實踐課程體系,利用自主開發(fā)的硬件計算機(jī)系統(tǒng)THINPAD統(tǒng)一實驗平臺。北京航空航天大學(xué)高小鵬老師提出系統(tǒng)能力培養(yǎng)圍繞教學(xué)目標(biāo)“一個CPU、一個操作系統(tǒng)、一個編譯器”展開,在完成計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的實驗過程中,深化學(xué)生的系統(tǒng)觀。南京大學(xué)袁春風(fēng)老師基于“IA-32+Linux+GCC+C語言”平臺講授計算機(jī)系統(tǒng)中各個層次之間的關(guān)系,將高級語言、匯編語言、機(jī)器語言、計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)等相關(guān)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來,從而使學(xué)生建立完整的計算機(jī)系統(tǒng)概念。

以上3所名校的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式各具特色,充分考慮了新工科對人才培養(yǎng)提出的新要求,但由于全國各高校的辦學(xué)層次、培養(yǎng)目標(biāo)、師資力量、學(xué)生素質(zhì)等諸多方面存在差異,這些經(jīng)驗并不能完全復(fù)制。進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng),應(yīng)充分結(jié)合學(xué)校自身特點和定位,考慮本校學(xué)生的實際接受能力,設(shè)計具有可操作性和實效性的系統(tǒng)能力培養(yǎng)方案。

2 計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內(nèi)涵與現(xiàn)狀

新工科及工程教育專業(yè)認(rèn)證均強(qiáng)調(diào)的“解決復(fù)雜工程問題”能力,即計算機(jī)類專業(yè)的“系統(tǒng)能力”,是計算機(jī)類專業(yè)相較于其他專業(yè)的核心競爭力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)重點在于增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)觀,使學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度分析問題,并能夠綜合運用多種新興知識和技術(shù)解決復(fù)雜工程問題[2]。

目前,國內(nèi)外多所知名高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面已經(jīng)取得了豐碩的成果。國外多所一流大學(xué)非常重視計算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng),如MIT、UC Berkley、Stanford、CMU 等名校都設(shè)置了各具特色的系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系,取得了良好的實踐效果。在國內(nèi),教育部高等學(xué)校計算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(以下簡稱教指委)也非常重視系統(tǒng)能力的培養(yǎng),積極組織全國高校進(jìn)行相關(guān)改革。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)等國內(nèi)知名示范高校緊跟國際步伐,針對自身的特點,不斷調(diào)整系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系和培養(yǎng)模式,逐漸總結(jié)出寶貴的系統(tǒng)能力培養(yǎng)經(jīng)驗[3]。

3 系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革過程及措施

在新工科的背景下,結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn),山東工商學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院密切跟蹤教指委對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求,借鑒名校經(jīng)驗,結(jié)合自身特點,歷經(jīng)5年時間,在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面取得了一些成效。改革主要分為4個階段,包括成果延續(xù)和項目啟動階段、研究階段、實施階段和提煉階段。改革過程見表1。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革的具體措施包括以下4個方面。

3.1 以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為主線，重構(gòu)新工科背景下人才培養(yǎng)的“3個階段”

在新工科背景下,計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)的“3個階段”可以圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)進(jìn)行重新定義:①以理解計算機(jī)系統(tǒng)的基本原理,建立初步系統(tǒng)概念為核心的基礎(chǔ)教育階段;②以軟硬件貫通,形成系統(tǒng)觀為核心的專業(yè)教育階段;③以訓(xùn)練學(xué)生自主解決新工科背景下各學(xué)科交叉融合所產(chǎn)生的復(fù)雜工程問題,提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和就業(yè)能力為核心的綜合實踐階段。

在人才培養(yǎng)的各個階段,均圍繞該階段的核心目標(biāo),精心組織和安排理論課、實踐課、文化素質(zhì)課和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課等各類課程,構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系,從而形成“前期強(qiáng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)、中期鞏固系統(tǒng)觀念、后期提升系統(tǒng)能力”的計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式。

3.2 結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生能力的要求，構(gòu)建系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群

為使學(xué)生建立完整的系統(tǒng)觀,結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生能力的要求,在“橫向”分析的基礎(chǔ)上,“縱向”考慮各門課程的相互聯(lián)系,將程序設(shè)計基礎(chǔ)、計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理組建為系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群,重構(gòu)理論與實驗體系[5]。

表1 計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革過程

1)合理調(diào)整課程群教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化知識體系。

充分理解課程群中各門課程的教學(xué)內(nèi)容,改變傳統(tǒng)的各門課程相對獨立的教學(xué)模式,重視課程間的銜接點及內(nèi)在關(guān)系,突出核心知識點。課程群優(yōu)化和調(diào)整的課程內(nèi)容見表2。

表2 課程群優(yōu)化和調(diào)整的課程內(nèi)容

2)通過頂層設(shè)計,層次遞進(jìn),重構(gòu)計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力實踐培養(yǎng)體系[6]。

首先為課程群頂層設(shè)計具有一定規(guī)模的復(fù)雜工程實踐項目,然后將實踐內(nèi)容分解到相應(yīng)的專業(yè)課程的實驗體系中。學(xué)生通過完成子項目,逐次匯總成一個完整的復(fù)雜工程實踐項目。采用統(tǒng)一的實驗平臺,在龍芯的實驗平臺上實施數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、CPU設(shè)計綜合訓(xùn)練等多項實驗。

3.3 創(chuàng)建“系統(tǒng)導(dǎo)向、雙創(chuàng)驅(qū)動、賽考結(jié)合”的人才培養(yǎng)機(jī)制

以系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,引導(dǎo)學(xué)生參與教師承擔(dān)的課題,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力,同時將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科競賽與課程考核相結(jié)合,以賽促學(xué)、以賽代考,鼓勵學(xué)生參加各類專業(yè)競賽,并以競賽成績作為課程考核的參考依據(jù),激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力和動力。

3.4 加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)師資隊伍建設(shè)

系統(tǒng)能力培養(yǎng)對課程群任課教師提出了更高的要求,教師不能單純關(guān)注某門課程的內(nèi)容,要把握整個課程群的知識體系和實驗體系。為達(dá)到這一目標(biāo),加強(qiáng)師資隊伍建設(shè),提高教師教學(xué)研究水平勢在必行。

通過設(shè)立專項資金,鼓勵項目組教師參加系統(tǒng)能力培養(yǎng)相關(guān)的交流活動,與具有豐富改革經(jīng)驗的教師進(jìn)行深入交流。不定期邀請知名院校專家到山東工商學(xué)院授課,項目組教師認(rèn)真學(xué)習(xí)專家的教學(xué)內(nèi)容和方法,從而提升自身的理論和實踐能力。

4 系統(tǒng)能力改革的成效

系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革的成效主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)大大激發(fā)了學(xué)生深入探究和理解計算機(jī)系統(tǒng)的濃厚興趣。在改革過程中,課程群的各門課程之間的理論和實踐內(nèi)容關(guān)系緊密,使學(xué)生可在頂層目標(biāo)的指引下,如游戲闖關(guān)一般逐步完成各項教學(xué)任務(wù),使原本枯燥的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為一個個目標(biāo)逐級實現(xiàn),大大挖掘了學(xué)生的潛力,提高了學(xué)生自主解決復(fù)雜工程問題的能力。

(2)大大提高了學(xué)生的社會競爭力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)實驗班的畢業(yè)生在考研和就業(yè)的過程中體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。

(3)項目組教師的教學(xué)水平大大提高。在教學(xué)改革過程中,項目組教師不斷學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)方法,自身教學(xué)水平快速提高,并形成了大量嶄新的教學(xué)成果,為今后的持續(xù)性教學(xué)改革奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

筆者主要概述新工科背景下進(jìn)行計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革過程,通過改革充分建立了學(xué)生的系統(tǒng)觀,提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,適應(yīng)了時代發(fā)展的迫切需求。實驗班的教學(xué)改革經(jīng)驗已經(jīng)逐步推廣到計算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)方案中,在實施過程中取得了良好的效果,但仍然存在一定的困難和問題。在今后的改革過程中,筆者將繼續(xù)向國內(nèi)外知名高校學(xué)習(xí)改革的新思路,融合新一代信息技術(shù),為我國應(yīng)用型本科院校新工科建設(shè)培養(yǎng)出創(chuàng)新型卓越人才。