日本東京大學(xué)計(jì)算機(jī)本科課程設(shè)置分析與啟示

隋 毅，孫仁誠，李淑靜，王常穎，邵峰晶

（1.青島大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266071；2.青島大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與軟件工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

當(dāng)前，以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造等為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在席卷全球，我國(guó)在人工智能領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量已超越美國(guó)[1]，成為世界第一，但基礎(chǔ)性、開創(chuàng)性的研究成果還不多[2]，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)面臨重大挑戰(zhàn)。2018 年4 月，教育部印發(fā)了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，提出“完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系”的目標(biāo)。高校本科教育是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，本科階段是世界觀、方法論、價(jià)值觀和思維方式成型的重要時(shí)期，對(duì)于學(xué)術(shù)人才而言將決定其學(xué)術(shù)生涯的廣度與深度。目前，我國(guó)計(jì)算機(jī)本科畢業(yè)生普遍存在工程能力強(qiáng)而深度學(xué)術(shù)思維能力弱的問題[3]，與人工智能領(lǐng)域創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)存在差距，了解世界一流大學(xué)計(jì)算機(jī)本科人才培養(yǎng)模式與課程設(shè)置對(duì)我國(guó)人工智能領(lǐng)域尖端人才培養(yǎng)具有十分重要的意義。

東京大學(xué)創(chuàng)建于1877 年，是日本第一所國(guó)立大學(xué)，經(jīng)過140 余年的發(fā)展，東京大學(xué)已成為世界上少數(shù)學(xué)科門類最為齊全的綜合性一流大學(xué)之一。在世界大學(xué)排行榜上，東京大學(xué)近年來穩(wěn)居前列。長(zhǎng)期以來，東京大學(xué)以機(jī)器人、人工智能等先端研究成果聞名于世，東京大學(xué)畢業(yè)生占據(jù)了日本社會(huì)各行各業(yè)的領(lǐng)袖和精英地位[4-5]。

1 東京大學(xué)本科人才培養(yǎng)的模式

東京大學(xué)本科教育的特點(diǎn)是“專業(yè)推遲化”和“早發(fā)現(xiàn)”相結(jié)合[6-8]?！皩I(yè)推遲化”是指將本科教育分為兩個(gè)階段，即通識(shí)教育階段（Liberal arts education）和專業(yè)教育階段。學(xué)生入學(xué)后按照?qǐng)?bào)考填報(bào)的志愿（文科Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類和理科Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類）統(tǒng)一進(jìn)入教養(yǎng)學(xué)部進(jìn)行為期2年的通識(shí)教育學(xué)習(xí)，通識(shí)教育的目標(biāo)是提供廣泛的文化教育，不限于特定專業(yè)領(lǐng)域，主要包括社會(huì)、文化、人類、宇宙、物質(zhì)、生活等主題，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，以及進(jìn)入專業(yè)教育階段和研究生課程所需的基礎(chǔ)學(xué)術(shù)能力?！霸绨l(fā)現(xiàn)”是指在通識(shí)教育階段，除了需要修滿指定的課程，學(xué)生還能通過講座等形式了解不同專業(yè)領(lǐng)域的前沿，明確自己的學(xué)習(xí)興趣，從而在本科第二學(xué)年確定專業(yè)方向，繼而在本科第三、四學(xué)年進(jìn)入專業(yè)教育階段，學(xué)習(xí)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和技能。

通識(shí)教育課程分為基礎(chǔ)課程、擴(kuò)展課程、綜合課程和主題課程等4 類。

基礎(chǔ)課程根據(jù)文科和理科分別設(shè)置，其目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生獲得適用于廣泛專業(yè)領(lǐng)域的基本知識(shí)，技能和方法，文科類學(xué)生將學(xué)習(xí)6 門課程，包括外語、信息、體育鍛煉和健康科學(xué)實(shí)踐、研討會(huì)文科、社會(huì)科學(xué)和人文科學(xué)；理科類學(xué)生將學(xué)習(xí)5 門課程，包括外語、信息、體育鍛煉和健康科學(xué)實(shí)踐、研討會(huì)理科和自然科學(xué)（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)）。

擴(kuò)展課程旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)研究的方法和思想，并深入學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程的高級(jí)內(nèi)容。擴(kuò)展課程分為社會(huì)科學(xué)研討會(huì)、人文科學(xué)研討會(huì)和自然科學(xué)研討會(huì)。擴(kuò)展課程以小班化組織，以分析、練習(xí)、討論等方式開展教學(xué)。

綜合課程是關(guān)于現(xiàn)代共有知識(shí)基本框架的課程，培養(yǎng)學(xué)生具有全面的視角，并具備綜合判斷力和靈活的理解力。

主題課程是由多個(gè)學(xué)科和研究生院的教師共同提供的小班授課，課程以跨學(xué)科的學(xué)術(shù)前沿講座和自由研究研討會(huì)為載體，每個(gè)感興趣的學(xué)生都可以參與，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置為期數(shù)周的海外培訓(xùn)和體驗(yàn)活動(dòng)，如參觀海外大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室、博物館等，如參加志愿者活動(dòng)、體驗(yàn)大自然或直接參加海外大學(xué)的課程。

學(xué)生在取得第2 學(xué)年春季學(xué)期的成績(jī)后將進(jìn)入選擇學(xué)科和專業(yè)的環(huán)節(jié)。一般情況下，文科類學(xué)生可選擇法學(xué)部、經(jīng)濟(jì)學(xué)部和文學(xué)部，理科類學(xué)生可選擇理學(xué)部、工學(xué)部、農(nóng)學(xué)部、藥學(xué)部和醫(yī)學(xué)部，所有文理學(xué)生都可以選擇留在教養(yǎng)學(xué)部繼續(xù)綜合文化研究科的學(xué)習(xí)。理學(xué)部下設(shè)8 個(gè)學(xué)科，分別是數(shù)學(xué)科、情報(bào)科學(xué)科、物理學(xué)科、天文學(xué)科、地球行星物理學(xué)科、地球行星環(huán)境學(xué)科、化學(xué)科、生物化學(xué)科、生物學(xué)科、生物情報(bào)科學(xué)科，其中，情報(bào)科學(xué)科由計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)理情報(bào)學(xué)、系統(tǒng)情報(bào)學(xué)、電子情報(bào)學(xué)、智能機(jī)械情報(bào)學(xué)和創(chuàng)造情報(bào)學(xué)6 個(gè)專業(yè)構(gòu)成，關(guān)聯(lián)4 個(gè)研究機(jī)構(gòu)，包括下一代智能科學(xué)研究中心、數(shù)理情報(bào)研究中心、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究中心、情報(bào)安全研究中心。

2 東京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)課程設(shè)置

選擇計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)生，要求其在第2 學(xué)年完成以下必需的6 門專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括情報(bào)數(shù)學(xué)、形式語言理論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、硬件構(gòu)成、算法、情報(bào)科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在以下課程中選修一定學(xué)分的課程，包括代數(shù)和幾何、代數(shù)和幾何專題討論、集合和拓?fù)鋵W(xué)、集合和拓?fù)鋵W(xué)專題討論、復(fù)數(shù)解析學(xué)、復(fù)數(shù)解析學(xué)專題討論、物理數(shù)學(xué)、電磁氣學(xué)、生物情報(bào)學(xué)基礎(chǔ)論Ⅰ、生物情報(bào)學(xué)基礎(chǔ)論Ⅱ。

在第3 學(xué)年春季學(xué)期，必修的課程包括離散數(shù)學(xué)、情報(bào)理論、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)構(gòu)成理論、語言處理理論，以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)包括操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、功能邏輯編程實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)等。第3 學(xué)年秋季學(xué)期，必修的課程包括復(fù)雜性理論、連續(xù)系統(tǒng)算法、智能系統(tǒng)理論、語言模型理論、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、處理器和編譯器實(shí)驗(yàn)。

在第4 學(xué)年春季學(xué)習(xí)，學(xué)生除了必修計(jì)算機(jī)圖形理論外，還需選修計(jì)算理論、離散算法理論、計(jì)算科學(xué)模擬、計(jì)算機(jī)語言理論、自然計(jì)算、量子計(jì)算、知識(shí)處理理論、統(tǒng)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)、情報(bào)科學(xué)和生物信息學(xué)、用戶接口、實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在第4 學(xué)年秋季學(xué)期，將學(xué)習(xí)情報(bào)科學(xué)特別討論和論文寫作法，選修應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)。

各學(xué)期課程學(xué)習(xí)的先后銜接關(guān)系如圖1 所示。首先，將情報(bào)數(shù)學(xué)、算法、形式語言理論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、硬件構(gòu)成5 門課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，前3 門課程重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理邏輯思維和計(jì)算思維能力，后2 門課程則注重培養(yǎng)學(xué)生建立對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)的基本認(rèn)識(shí)。以此為基礎(chǔ)，在第3 學(xué)年春季學(xué)期開設(shè)離散數(shù)學(xué)、情報(bào)理論、語言處理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)構(gòu)成等5 門專業(yè)課程，前3 門以情報(bào)科學(xué)、算法、形式語言理論為基礎(chǔ)，后2 門以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、硬件構(gòu)成為基礎(chǔ)；在第3 學(xué)年秋季學(xué)期開設(shè)計(jì)算量理論、連續(xù)系統(tǒng)算法、智能系統(tǒng)論、語言模型理論、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)5 門課程?？梢钥闯?，第2 學(xué)年和第3 學(xué)年主要以學(xué)習(xí)情報(bào)科學(xué)基本原理和技術(shù)為主，而第4 學(xué)年開始學(xué)生將接觸了解到學(xué)科的前沿研究進(jìn)展，課程以選修課的形式，課程內(nèi)容涵蓋最前沿的研究領(lǐng)域，包括科學(xué)計(jì)算、量子計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖形理論等，學(xué)生從中選修一定學(xué)分的課程，從而幫助其確定研究興趣。在第4學(xué)年的秋季學(xué)期，學(xué)生除了繼續(xù)選修前沿課程如信息生物學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等，還將選擇確定自己的研究方向，進(jìn)入相關(guān)研究室，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下開始畢業(yè)論文的研究和撰寫。

科學(xué)研討活動(dòng)將貫穿整個(gè)4 年的學(xué)習(xí)過程，研討活動(dòng)是指由教師給出研討專題，學(xué)生針對(duì)專題查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并閱讀、理解、整理原著的觀點(diǎn)，并形成給出自己的點(diǎn)評(píng)和理解，整個(gè)研討活動(dòng)由學(xué)生主導(dǎo)課堂、教師輔助，通過討論學(xué)生將加深對(duì)相關(guān)問題的認(rèn)識(shí)，在討論過程中教師指出學(xué)生認(rèn)識(shí)中的偏差，鼓勵(lì)學(xué)生提出不同的觀點(diǎn)，從而幫助學(xué)生拓展研究思路，建立研究思維。

3 東京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)課程設(shè)置的特點(diǎn)

3.1 非常重視通識(shí)教育并且建立有較為完善的通識(shí)教育課程體系

所有學(xué)生不分文理均要進(jìn)行為期2 年的通識(shí)知識(shí)和基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，這充分體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生全面發(fā)展的高度重視。通識(shí)教育課程按照基礎(chǔ)課程、擴(kuò)展課程、綜合課程和主題課程分類，課程設(shè)置內(nèi)容豐富、涵蓋面廣，教學(xué)形式也多樣，學(xué)生通過研討會(huì)的形式深入?yún)⑴c，可激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。通過通識(shí)教育的培養(yǎng)，能夠使學(xué)生具備優(yōu)良的理解和思考能力、掌握知識(shí)和表達(dá)的能力、發(fā)現(xiàn)問題和分析解決問題的能力以及與他人交流討論的能力等。良好的通識(shí)教育會(huì)使學(xué)生終生受益，并為后續(xù)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)提供持續(xù)的滋養(yǎng)和動(dòng)力。

3.2 增大專業(yè)理論課程的難度

圖1 東京大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置關(guān)系圖

第2 學(xué)年秋季學(xué)期開設(shè)的是知識(shí)過渡性的專業(yè)課程，其目的是為了使學(xué)生能夠適應(yīng)后期階段更為專業(yè)化的學(xué)習(xí)，如情報(bào)數(shù)學(xué)、形式語言理論等課程涉及大量的符號(hào)描述、證明與推導(dǎo)，難于理解，國(guó)內(nèi)一般作為研究生培養(yǎng)階段的選修課程，而東京大學(xué)將其作為知識(shí)過渡性必修課程，足見對(duì)學(xué)生理論分析能力培養(yǎng)的高度重視。在第3 學(xué)年又開設(shè)了計(jì)算量理論以及連續(xù)系統(tǒng)算法，這些課程均涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域較為專業(yè)的研究，對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)和理論分析能力要求極高，如連續(xù)系統(tǒng)算法課程主要是為使用微分方程等數(shù)學(xué)工具分析求解自然界中連續(xù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)（如大氣、海洋等）的相關(guān)動(dòng)力學(xué)行為而設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算算法。由此可見，東京大學(xué)十分重視培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)理論分析能力，這可為后續(xù)研究型人才的培養(yǎng)提供了基礎(chǔ)。

3.3 重視引入計(jì)算機(jī)前沿課程

在第4 學(xué)年開設(shè)了多門計(jì)算機(jī)科學(xué)最前沿的課程，如機(jī)器學(xué)習(xí)、生物信息學(xué)以及量子計(jì)算科學(xué)等。其中，量子計(jì)算還是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，不同于電子計(jì)算機(jī)（或稱傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)），量子計(jì)算機(jī)用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，使用量子算法進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。一般認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)目前仍處于研究階段，但是量子計(jì)算的研究潛力巨大，相關(guān)研究成果將對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響，將量子計(jì)算科學(xué)引入本科生課堂，極具前瞻性，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)高端人才培養(yǎng)將起到非常重要的積極作用。

3.4 對(duì)接本科畢業(yè)論文與研究室

在第4 學(xué)年，學(xué)生將根據(jù)前面階段的學(xué)習(xí)確定自己的研究興趣，選擇進(jìn)入相關(guān)教師的研究室，參與研究室的研究工作，撰寫畢業(yè)論文。通過和碩士生、博士生一起參加研究開展的各種研討會(huì)、學(xué)術(shù)會(huì)議等活動(dòng)，學(xué)生在資料文獻(xiàn)調(diào)查、研讀、專業(yè)知識(shí)和技能掌握方面的能力將得到快速的提升。提前進(jìn)入研究室不僅有助于學(xué)生及早確定個(gè)人的發(fā)展方向，而且能夠?yàn)檠芯可呐囵B(yǎng)提供優(yōu)秀的人才儲(chǔ)備。

3.5 注重研討會(huì)制度

研討會(huì)是貫穿4 年學(xué)習(xí)的重要組成部分，研討會(huì)一般圍繞某個(gè)主題展開討論，學(xué)生為主導(dǎo)，教師為輔助。在研討會(huì)前，學(xué)生需要查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，如果是英文文獻(xiàn)則需要做好論文翻譯，并將論文的觀點(diǎn)和自己的理解做成PPT 等形式在研討會(huì)上展示，供參會(huì)者共同討論和提問。研討會(huì)制度能夠極大加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，同時(shí)還能促進(jìn)學(xué)生的表達(dá)能力和與他人討論問題的能力。

4 東京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的啟示

4.1 適當(dāng)注重通識(shí)教育

與東京大學(xué)相比，我國(guó)本科高校計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)在通識(shí)教育方面起步較晚，通識(shí)教育體系相對(duì)薄弱，仍有待完善和加強(qiáng)，尤其是一些以工科為特色的高校，過于強(qiáng)調(diào)專業(yè)性人才和技術(shù)型人才的培養(yǎng)，人文社科師資力量薄弱[9]，計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)普遍存在通識(shí)教育的短板。在“新工科”背景下，培養(yǎng)兼具良好的人文素養(yǎng)和精深的專業(yè)知識(shí)的計(jì)算機(jī)人才，不僅對(duì)學(xué)生個(gè)人全面發(fā)展和綜合素質(zhì)的提高具有重要意義，而且還能為人才回饋社會(huì)服務(wù)社會(huì)，培養(yǎng)高層次的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才提供有力的支撐。

4.2 加深理論素養(yǎng)培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)科學(xué)雖然是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)學(xué)科，但是重視對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)科學(xué)理論素養(yǎng)的培養(yǎng)仍具有十分深遠(yuǎn)的意義。原創(chuàng)性的有突破性的研究成果通常需要研究人員具有非常扎實(shí)的理論功底作為基礎(chǔ)，教育部的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》明確提出到2030 年，高校成為建設(shè)世界主要人工智能創(chuàng)新中心的核心力量和引領(lǐng)新一代人工智能發(fā)展的人才高地，因此，從本科階段恰當(dāng)?shù)匾胍恍┡c后續(xù)研究密切相關(guān)的具有一定理論深度的課程，加大對(duì)學(xué)生的理論分析能力與思考能力的培養(yǎng)力度，將對(duì)未來高質(zhì)量開創(chuàng)性的研究成果的產(chǎn)出起到積極的推動(dòng)作用。

4.3 積極開展學(xué)術(shù)交流

計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展速度十分迅速，伴隨人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速進(jìn)步與發(fā)展，引入最前沿的計(jì)算機(jī)相關(guān)課程對(duì)擴(kuò)展學(xué)生的視野具有十分重要的積極作用。目前，國(guó)內(nèi)很多高校開設(shè)了許多計(jì)算機(jī)前沿課程，如深度學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算等，前沿課程的引入對(duì)教師提出了更高的要求，教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)需要及時(shí)更新，理論水平和技術(shù)能力需要緊跟時(shí)代前沿。高?？赏ㄟ^廣泛的學(xué)術(shù)交流合作和活動(dòng)，積極為教師搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，為教師創(chuàng)造更多合作研究、學(xué)術(shù)訪問交流機(jī)會(huì)。

4.4 適度引入研討會(huì)制度

研討會(huì)貫穿于東京大學(xué)4 年的課程體系中，研討會(huì)制度對(duì)激發(fā)學(xué)生自主的行動(dòng)力發(fā)揮了積極的作用。我國(guó)高校通常在研究生階段會(huì)較多地使用研討會(huì)制度，而在本科生階段則使用較少，在本科階段適度地引入研討會(huì)制度將極大地促進(jìn)從“以教為主”到“以學(xué)為主”的轉(zhuǎn)變，有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，顯著提高學(xué)生的表達(dá)能力以及與他人討論問題的能力。

5 結(jié) 語

人工智能時(shí)代的到來，對(duì)我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了更大的挑戰(zhàn)。筆者以日本東京大學(xué)為例，對(duì)東京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)本科人才培養(yǎng)特色進(jìn)行了闡述，對(duì)東京大學(xué)人才培養(yǎng)模式、計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置等進(jìn)行了分析和總結(jié)，為我國(guó)計(jì)算機(jī)本科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供借鑒。