二類本科院校計算機專業人才培養的質量保證

鐘阿林，夏道平，鄧莉（.三峽大學計算機與信息學院，宜昌　44000；.三峽大學科技學院，宜昌　44000；.武漢科技大學計算機科學與技術學院，武漢　40074）

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二類本科院校計算機專業人才培養的質量保證

鐘阿林1，夏道平2，鄧莉3
（1.三峽大學計算機與信息學院，宜昌443000；2.三峽大學科技學院，宜昌443000；3.武漢科技大學計算機科學與技術學院，武漢430074）

摘要：

關鍵詞：

二類本科院校；工程應用；科學素養；培養質量

0　引言

高等本科院校學生的培養質量一直是所有高校非常關注的一個問題。計算機科學與技術專業（為了簡潔，本文以后簡稱計算機專業）作為一個兼具科學性與工程性的專業，有其相對于其他專業而言不同的特點。計算機專業學生在整個四年本科的學習過程中，既要學習計算機科學理論課程，如數值計算、離散數學、計算理論和程序理論等，又要學習計算機系統課程（包括計算機組成與體系結構、計算機軟件等），還要學習計算機應用技術類課程。整個課程體系龐雜，在本科專業畢業總學分存在上限的前提下，一些將自己定義為應用型辦學的二類本科院校，對課程進行了一定的取舍。這樣做的好處是既減輕了學生在校期間的課程壓力，又實現了面向應用的預期培養目標。但是，對理論課程教學的弱化會直接導致對學生計算機科學素養培養的不足，使學生在專業上進一步發展的潛力變小。因此，如何保證本科計算機專業的培養質量，對于二類本科院校來說，是一個嚴峻的挑戰，也是一個開放的研究領域。龍青云等[1］指出，對于學生素質較差、學校資源缺乏的二類本科院校，應該從專業設置、課程體系、授課模式、教師隊伍建設、課外活動以及資源投入等六個方面進行改進，以提高對學生創新能力的培養。李浪[2］強調計算機專業應用型人才培養的重要性，提出了計算機專業應用型人才培養體系結構并構建了相應的實踐課程體系。許艷等[3］指出地方本科院校應從計算機專業的實際情況出發，在課程設置、師資隊伍建設、學科競賽、學生科研、校企合作等方面進行改革，以實現區域經濟與地方高等教育協調互動發展。尤玲玲[4］充分思考了“大類招生、分流培養”模式在本科院校計算機專業學生培養中的應用，并提出一些強化措施。上述研究大多關注如何培養計算機應用型人才，本文的研究重點是在保證計算機專業工程應用能力的同時，如何提高其計算機科學素養。下面將對本科計算機專業培養應注意的問題進行深入分析，并在此基礎上提出一些保證培養質量的有效途徑。

1　計算機專業內涵及培養目標

計算機科學與技術的基本內容涵蓋計算機科學理論、計算機組成與體系結構、計算機軟件、計算機硬件、計算機網絡、計算機應用技術以及人工智能等領域[5］。計算機科學理論涵蓋算法分析與設計、離散數學、計算復雜性理論、自動機理論、程序理論等廣泛的內容，是整個計算機專業的理論基礎。計算機組成與體系結構主要研究計算機硬件的具體實現以及計算機系統的概念結構及屬性。計算機軟件則指計算機系統中的程序及其文檔，包含系統軟件、支撐軟件及應用軟件，軟件語言、軟件方法學以及軟件工程和系統。計算機硬件主要介紹中央處理器、存儲器、I/O設備的工作原理與設計、制造及檢測技術。計算機網絡則主要研究網絡體系結構、網絡通信協議、網絡資源共享機制及網絡應用。計算機應用技術研究計算機在計算機圖形學、數字圖像處理、計算機輔助設計與制造、計算機控制、計算機信息系統以及計算機仿真等領域所涉及的原理、方法和技術，是計算機科學與技術學科的一個重要組成部分。人工智能主要研究智能信息處理理論、人工智能系統的實現。

從上述計算機專業的內涵可以看出，計算機專業無論從深度還是廣度上，對人才的培養都提出了較高要求。如何界定培養目標，是決定計算機專業培養質量的一個首要問題。

卡耐基·梅隆大學計算機系周以真教授指出計算機專業學生應具有計算思維。計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[6］。計算機思維概念一經提出，便引起國內外計算機教育及研究領域的高度重視。在美國，卡耐基·梅隆大學以及美國數學研究所（AIM）等組織進行了關于計算思維的專題討論，美國國家科學基金會專門發布了重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discover and Innovation）；在英國，以愛丁堡大學為主的高校也開始研究與計算思維有關的主題；在國內，董榮勝等[7］討論了計算思維與計算機方法論的關系，并介紹了以學科認知理論體系構建為核心的計算機方法論的研究與應用。由此可見，計算思維對于計算機專業具有關鍵性的意義，應該作為該專業學生的一個重要培養目標。

計算專業學生應該能夠站在系統的高度考慮和解決應用問題，具有系統層面的認知和設計能力，這也正是本專業學生區別于其它就讀非計算機專業但從事軟件開發學生的優勢所在，我們稱之為系統思維。南京大學袁春風等[8］指出，系統思維能力即：能夠對軟、硬件功能進行合理劃分，能夠對系統不同層次進行抽象和封裝，能夠對系統的整體性能進行分析和調優，能夠對系統各層面的錯誤進行調試和修正，能夠根據系統實現機理對用戶程序進行準確的性能評估和優化，能夠根據不同的應用要求合理構建系統框架等。國內外著名高校都非常重視計算機專業學生系統思維能力的培養，如美國的加州大學伯克利分校及斯坦福大學，它們從教學體系、課程教學及實驗教學等各方面保證學生系統思維能力的培養[9-10］，國內的如南京大學也在逐漸開始進行系統思維能力培養的探索[8］。由此可見，系統思維應作為計算機專業的另一個重要培養目標。

2　構建基于完整知識框架的課程體系

要實現上述的培養目標，必須有一個完整的知識框架。根據ACM及IEEE-CS共同制訂的Computer Science Curricula 2013[11］以及Computing as a Discipline[12］給出的關于計算學科的二維定義矩陣，計算機科學與技術學科的知識框架可表示為表1。

表1　計算機科學與技術學科二維定義矩陣

由表1可看出，學科二維定義矩陣包括橫向與縱向兩種關系，橫向關系即抽象、理論、設計，這三個過程的相互作用蘊藏著學科的科學問題，縱向關系即學科各個主領域之間的聯系，包含了學科的核心概念和方法。兩種關系共同構筑了學科認知領域的理論體系。

構建基于完整知識框架的課程體系，方能保證學生充分理解計算機科學與技術學科的核心概念以及熟練掌握抽象、理論和設計這三個過程的內涵及相互關系，從而實現計算思維與系統思維兼得的目標。

部分二類高校制訂專業培養課程體系時，為了給實踐類課程更多的時間分配，將構成知識框架的主干課程弱化甚至刪除，這是違背計算機專業本科教學培養理念的。下面以三峽大學及武漢科技大學計算機課程體系設置情況為例，分析一下國內二類本科院校計算機專業的教學現狀。兩所高校該專業的專業課程設置情況如表2和表3所示，對比Computer Science Curricula 2013所規定的知識體系，我們可以看出，兩所高校的課程設置中均缺乏“計算科學”類核心課程，這直接導致了學生計算思維的缺陷以及編程思想的缺乏，兩所高校均缺乏“程序理論“類課程，這會影響學生編程思想的建立，兩所高校均缺乏“并行與分布式計算”類課程，這使學生無法建立現代計算機系統主流架構及并行編程泛型的概念。

表2　三峽大學計算機科學與技術專業-專業必修課程設置

表3　武漢科技大學計算機科學與技術專業-專業必修課程設置

我們進一步對兩所高校的課程設置進行對比，可以發現，武漢科技大學的課程體系相對完整，三峽大學的課程體系中缺少《編譯原理》和《電子電路技術》這兩門課程，不開設《編譯原理》課程，會造成學生對整個計算機系統的思維出現斷層，而不開設《電子電路技術》課程，會失去整個計算機硬件體系的基礎。因此，構建基于完整知識框架的課程體系是非常必要的。

3　加大核心課程的教學權重

表1所示的主領域中，計算科學（CN）、離散結構（DS）以及算法與復雜性（AL）是與計算思維密切相關的課程簇，而結構與組成（AR）、操作系統（OS）、網絡與通信（NC）、并行與分布式計算（PD）、以及系統基本原理（SF）則是與系統思維密切相關的課程簇。因此，在保證知識框架完整性的前提下，這些課程必須在教學資源（實驗設備、學時等）分配中以及教學管理上給予較大的權重。

國內部分二類高校高度重視應用類課程如《Qt程序設計》、《Java高級技術》以及《.NET高級技術》等，從培養學生工程應用能力的角度來說，這是無可非議的，但問題的關鍵是這些高校在對核心課程與非核心課程進行教學資源分配以及教學管理時等同對待，甚至弱化核心課程，把本科教育變成了實質性的職業教育，這顯然是違背計算機本科教學的培養目標的。我們對三峽大學計算機專業近兩年畢業生進行了網絡調查，大部分學生反映他們在對基于框架的編程較為熟練，但凡涉及到計算機系統底層編程以及解決系統級問題時，均感覺力不從心。這種現象實際是學校對應用類課程重視而對培養系統思維的核心課程忽視所導致的。因此，核心課程的教學權重必須加大。我們提出如下的三種具體途徑：

（1）加大核心課程的學時分配比例。加大核心課程的學時比例，會讓學生有很多的時間去掌握核心知識體系。但是，這會導致非核心課程如工程應用類課程學時的減少，這個矛盾可以通過去除一些重復性課程的方法來解決。例如，《Qt程序設計》、《Java高級技術》《.NET高級技術》這三門課程的本質都是講授基于已有的框架進行可視化編程，因此，這三門課程只需要選擇其中一門來開設，如《Java高級技術》，學生學習了《Java高級技術》，通過舉一反三，自然能很快自學《Qt程序設計》和《.NET高級技術》這兩門課程的內容。

（2）加大面向核心課程實驗室的建設力度。很多二類本科高校在建立計算機實驗室時，停留在大量購置臺式通用計算機層面上，這固然能夠滿足容納很多學生進行應用開發訓練的要求，但是，很多課程是需要專門的硬件和軟件的。例如：《計算機組成與結構》需要專門的與計算機硬件發展前沿緊密結合的硬件實驗箱，需要專門的軟件如SPEC CPU2006[13］來進行性能測試實驗，《并行與分布式計算》課程需要SAN、NAS等存儲系統進行網絡存儲實驗。因此，如果實驗室建設僅僅停留在滿足學生上機需要的層次，必然會導致學生對專業核心課程理解的弱化。由此可見，計算機實驗室的建設應該加大核心課程所需要的專業實驗室建設的力度。

（3）加大核心課程的教學管理。教學管理包括教學文件、教學目標、教學過程以及教學成果的管理。要實現人才培養方案所預期的目標，必須加強核心課程的教學管理，其中教學過程是教學管理中的一個關鍵環節。衡量核心過程教學過程的質量，應該考慮以下因素：①教學內容是否達到并滿足教學大綱要求；②教師是否對該課程在學科知識框架中的地位以及前修、后續課程的關系進行了充分說明；③教師是否提供了足夠的參考文獻以及其他學習資源（如網址、軟件工具等）；④教師是否才用了完善而合理的考核體系；⑤教師是否從學科前沿引導學生；⑥教師是否注重學生科學素養的培養等。很多高校教育督導團檢查教學過程停留在常規層次，如教師的上課儀態、作業批改的工整性、是否按時上下課等，而忽略了教學是否達到課程內在要求的檢查。例如，很多教師在講述《計算機組成與結構》課程時，90％的時間在講授基于計算機組成部分，僅僅花了10％的時間講授計算機系統結構問題，以至于學生在學完本門課程之后，對集群、SMP（Symmetric Multiple Processing，對稱多處理）等一些現代計算機系統的基本概念都不清楚，這顯然是不符合要求的。因此，加大對核心課程教學的實質性管理是亟需的。

4　高度重視算法訓練

眾所周知，算法是計算機軟件的核心。部分二類本科院校追求存粹的技能培養，往往開設為數眾多的計算機語言類課程以及開發平臺類課程，而不重視對學生的算法訓練，這實際上是一種舍本求末的做法，這樣培養出來的學生僅僅熟練于語言的語法結構以及基于平臺的積木式編程，而缺乏真正的高水平編程能力。目前，很多高校已經認識到算法訓練對于計算機專業學生的重要性。一些高校如華中科技大學等開設了專門的ACM算法班，北京大學以及杭州電子科技大學均建立了專門的算法訓練網站[14-15］，為學生提供了開放式在線算法訓練平臺。我們認為，計算機專業學生的算法培養，可以從以下幾個方面進行：①充分重視《數據結構》、《算法分析與設計》等課程的教學；②組織和學生參加以算法為主的國際、國內編程大賽，如ACM比賽；③將學生在開放式算法平臺上進行算法訓練所取得的成績計入學分，以提高學生對算法訓練的重視程度；此外，由于數學是算法的基礎，必須強調學生對于數學的學習。

5　結語

二類本科院校對計算機專業學生的培養往往輕理論、重應用，這樣就會導致學生計算機科學素養的不足，甚至使本科教育陷入職業教育的誤區。本文詳細描述了計算機科學與技術學科的內涵，并指出計算思維和系統思維是計算機專業學生的兩個重要培養目標，在此基礎上，分析了目前一些二類本科院校計算機教育存在的問題并提出了構建基于完整知識框架的課程體系、加大核心課程的教學權重以及高度重視算法訓練等三個保證計算機專業學生培養質量的重要途徑，希望能為國內二類本科院校的計算機專業培養提供一些思路和視野。目前還有很多二類本科高校對計算機專業的培養被就業率所束縛，片面追求與企業的快速對接，把一些本應在畢業后工作中學習的知識，提前到本科四年中來學習，這會帶來許多弊端，關于這個問題的研究，是我們未來的工作。

參考文獻：

[1］龍清云，胡巧多.應用型本科院校計算機專業創新人才培養研究[J］，實驗技術與管理，2010，27（11）：165-168.

[2］李浪.地方本科院校計算機專業應用型人才培養對策研究[J］，衡陽師范學院學報，2014，35（6）：61-65.

[3］許艷，陳華.地方本科院校計算機專業應用技術型人才培養的探索與實踐[J］，云夢學刊，2015，36（6）：142-144.

[4］尤玲玲.大類招生、分流培養——對本科院校計算機專業學生采取的思考[J］，保山學院學報.2013（5）：61-63.

[5］張效祥.計算機科學技術百科全書（第二版）[M］，清華大學出版社，2005：19-19.

[6］Wing J M.Computational Thinking．Communications of the ACM，2006，49（3）.

[7］董榮勝，古天龍.計算思維與計算機方法論[J］，計算機科學.2009，36（1）：1-4.

[8］袁春風，王帥.系統能力培養初探，中國計算機學會通訊.2013，9（9）：48-55.

[9］http://inst.eecs.berkeley.edu/～cs61c/sp16/.

[10］http://www.stanford.edu/class/.

[11］http://www.acm.org/education/CS2013-final-report.pdf.

[12］Denning P J，et al．Computing as a discipline．Communications of the ACM，1989，32（1）.

[13］http://www.spec.org/cpu2006/.

[14］http://poj.org/.

[15］http://acm.hdu.edu.cn/.

All the time，much attention has been paid to the educating quality of undergraduate students in university.Essentially，the major of computer science and technology possesses characters of both science and engineering.However，in order to foster the engineering application ability of computer students，some secondary undergraduate colleges often abandon teaching of some theoretical courses，and therefore resulting in the insufficiency of scientific literacy of students，even make the undergraduate education fall into the wrong region of vocational education.So，it is significant for improving student cultivating quality to exploring how computer education in secondary undergraduate colleges can effectively train the ability of engineering application and scientific literacy.Combining computer teaching practice of China Three Gorges University and Wuhan University of Science and Technology，we deeply analyze the existing problems in computer teaching in secondary undergraduate colleges，and present some effective approaches to guarantee training quality.

Keywords：

Secondary Undergraduate College；Engineering Application；Scientific Literacy；Cultivating Quality

Quality Guarantee of Talent Cultivation for Computer Major in Secondary Undergraduate Colleges

ZHONG A-lin1，XIA Dao-ping2，DENG Li3
（1.College of Computer Science and Information Technology，China Three Gorges University，Yichang 443000；2.College of Science and Technology of China Three Gorges University，Yichang 443000；3.College of Computer Science and Technology，Wuhan Science and Technology University，Wuhan 430081）

Abstract：

高等本科院校學生的培養質量一直是所有高校非常關注的一個問題。本質上計算機科學與技術專業兼具科學性與工程性的特點，但是，二類本科院校為了追求計算機專業學生的工程應用能力的培養，往往會舍棄部分理論課程的教學，這樣就會導致學生計算機科學素養的不足，甚至使本科教育陷入職業教育的誤區。研究二類本科院校的計算機教學如何使得學生既具備工程能力又具備科學素養，對于提高學生的培養質量有著重要的意義。結合三峽大學與武漢科技大學計算機科學與技術專業的教學實踐，深入分析二類本科院校計算機專業學生培養應注意的問題，并針對這些問題，提出一些保證學生培養質量的有效途徑。

文章編號：1007-1423（2016）15-0006-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.15.002

作者簡介：

鐘阿林（1969-），男，三工學博士，講師，研究方向為分布式計算、系統虛擬化技術、多核體系結構

夏道平（1982-），男，湖北荊州人，碩士，講師，研究方向為模式識別與人工智能、智能信息處理

鄧莉（1972-），女，湖北鐘祥人，博士，研究方向為云計算、分布式計算

收稿日期：2016-03-10修稿日期：2016-05-15