新工科背景下計算機類專業系統能力培養

毛艷艷 ,馮煙利謝青松程大鵬何 凱

（1．山東工商學院 計算機科學與技術學院，山東 煙臺 264005；2．中國石油大學（華東） 地球科學與技術學院，山東 青島 266580）

0 引 言

近年來,隨著大數據、人工智能、區塊鏈等新興信息技術與傳統產業的深度交叉融合,我國新舊動能轉換的步伐不斷加快。自2017年2月以來,從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”,新工科的研究與建設工作已經漸入佳境。教育部強調,我國的工程教育要對國家的重大強國戰略做出積極響應,使當前高校的工科教育更快更好地適應新形勢的發展,從而培養出大量滿足當前社會需求的具有持續競爭力的卓越工程人才[1]。計算機類專業是新工科建設體系中的重要組成部分,一方面計算機類專業的內部交叉融合,形成了人工智能、機器人工程等新技術行業;另一方面計算機專業與其他學科深度交叉,這些領域包括智能醫療、智能制造、新能源工程等。

在新工科的背景下,計算機類專業的高素質人才需求大幅度增加,與計算機相關的工程問題也日趨復雜,而傳統計算機類專業的畢業生缺乏分析和解決實際復雜工程問題的能力。因此,新工科背景下的計算機類專業系統能力培養教學改革迫在眉睫,成為了當前人才培養和專業建設的核心內容。

1 新工科背景下系統能力特點

在新工科背景下進行系統能力教學改革主要分為以清華大學、北京航空航天大學、南京大學為代表的3種模式[3-5]。清華大學劉衛東老師根據系統能力培養的要求,提出了“注重系統、強調實驗、培養能力”的教學理念,統一規劃理論教學內容和實踐課程體系,利用自主開發的硬件計算機系統THINPAD統一實驗平臺。北京航空航天大學高小鵬老師提出系統能力培養圍繞教學目標“一個CPU、一個操作系統、一個編譯器”展開,在完成計算機系統設計相關的實驗過程中,深化學生的系統觀。南京大學袁春風老師基于“IA-32+Linux+GCC+C語言”平臺講授計算機系統中各個層次之間的關系,將高級語言、匯編語言、機器語言、計算機組成原理、操作系統等相關內容有機結合起來,從而使學生建立完整的計算機系統概念。

以上3所名校的系統能力培養模式各具特色,充分考慮了新工科對人才培養提出的新要求,但由于全國各高校的辦學層次、培養目標、師資力量、學生素質等諸多方面存在差異,這些經驗并不能完全復制。進行系統能力培養,應充分結合學校自身特點和定位,考慮本校學生的實際接受能力,設計具有可操作性和實效性的系統能力培養方案。

2 計算機系統能力培養的內涵與現狀

新工科及工程教育專業認證均強調的“解決復雜工程問題”能力,即計算機類專業的“系統能力”,是計算機類專業相較于其他專業的核心競爭力。系統能力培養重點在于增強學生的系統觀,使學生能夠站在系統的高度分析問題,并能夠綜合運用多種新興知識和技術解決復雜工程問題[2]。

目前,國內外多所知名高校在系統能力培養方面已經取得了豐碩的成果。國外多所一流大學非常重視計算機系統能力的培養,如MIT、UC Berkley、Stanford、CMU 等名校都設置了各具特色的系統能力培養課程體系,取得了良好的實踐效果。在國內,教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會(以下簡稱教指委)也非常重視系統能力的培養,積極組織全國高校進行相關改革。清華大學、北京航空航天大學、南京大學等國內知名示范高校緊跟國際步伐,針對自身的特點,不斷調整系統能力培養課程體系和培養模式,逐漸總結出寶貴的系統能力培養經驗[3]。

3 系統能力培養改革過程及措施

在新工科的背景下,結合工程教育專業認證的標準,山東工商學院計算機科學與技術學院密切跟蹤教指委對系統能力培養的要求,借鑒名校經驗,結合自身特點,歷經5年時間,在系統能力培養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。

系統能力培養教學改革的具體措施包括以下4個方面。

3.1 以系統能力培養為主線，重構新工科背景下人才培養的“3個階段”

在新工科背景下,計算機類專業人才培養的“3個階段”可以圍繞系統能力培養進行重新定義:①以理解計算機系統的基本原理,建立初步系統概念為核心的基礎教育階段;②以軟硬件貫通,形成系統觀為核心的專業教育階段;③以訓練學生自主解決新工科背景下各學科交叉融合所產生的復雜工程問題,提升學生創新創業能力和就業能力為核心的綜合實踐階段。

在人才培養的各個階段,均圍繞該階段的核心目標,精心組織和安排理論課、實踐課、文化素質課和創新創業教育課等各類課程,構建科學合理的課程體系,從而形成“前期強化系統基礎、中期鞏固系統觀念、后期提升系統能力”的計算機類專業系統能力培養模式。

3.2 結合工程教育專業認證標準對學生能力的要求，構建系統能力培養課程群

為使學生建立完整的系統觀,結合工程教育認證標準對學生能力的要求,在“橫向”分析的基礎上,“縱向”考慮各門課程的相互聯系,將程序設計基礎、計算機系統基礎、數字邏輯、計算機組成原理、操作系統以及編譯原理組建為系統能力培養課程群,重構理論與實驗體系[5]。

表1 計算機類專業系統能力培養改革過程

1)合理調整課程群教學內容,優化知識體系。

充分理解課程群中各門課程的教學內容,改變傳統的各門課程相對獨立的教學模式,重視課程間的銜接點及內在關系,突出核心知識點。課程群優化和調整的課程內容見表2。

表2 課程群優化和調整的課程內容

2)通過頂層設計,層次遞進,重構計算機類專業系統能力實踐培養體系[6]。

首先為課程群頂層設計具有一定規模的復雜工程實踐項目,然后將實踐內容分解到相應的專業課程的實驗體系中。學生通過完成子項目,逐次匯總成一個完整的復雜工程實踐項目。采用統一的實驗平臺,在龍芯的實驗平臺上實施數字邏輯、計算機組成原理、CPU設計綜合訓練等多項實驗。

3.3 創建“系統導向、雙創驅動、賽考結合”的人才培養機制

以系統能力培養目標為導向,引導學生參與教師承擔的課題,培養學生解決復雜工程問題的創新創業實踐能力,同時將創新創業、學科競賽與課程考核相結合,以賽促學、以賽代考,鼓勵學生參加各類專業競賽,并以競賽成績作為課程考核的參考依據,激發學生創新創業潛力和動力。

3.4 加強系統能力培養師資隊伍建設

系統能力培養對課程群任課教師提出了更高的要求,教師不能單純關注某門課程的內容,要把握整個課程群的知識體系和實驗體系。為達到這一目標,加強師資隊伍建設,提高教師教學研究水平勢在必行。

通過設立專項資金,鼓勵項目組教師參加系統能力培養相關的交流活動,與具有豐富改革經驗的教師進行深入交流。不定期邀請知名院校專家到山東工商學院授課,項目組教師認真學習專家的教學內容和方法,從而提升自身的理論和實踐能力。

4 系統能力改革的成效

系統能力培養教學改革的成效主要表現在以下幾個方面。

(1)大大激發了學生深入探究和理解計算機系統的濃厚興趣。在改革過程中,課程群的各門課程之間的理論和實踐內容關系緊密,使學生可在頂層目標的指引下,如游戲闖關一般逐步完成各項教學任務,使原本枯燥的教學內容轉化為一個個目標逐級實現,大大挖掘了學生的潛力,提高了學生自主解決復雜工程問題的能力。

(2)大大提高了學生的社會競爭力。系統能力培養實驗班的畢業生在考研和就業的過程中體現出了極大的優勢。

(3)項目組教師的教學水平大大提高。在教學改革過程中,項目組教師不斷學習國內外先進的教學理念和教學方法,自身教學水平快速提高,并形成了大量嶄新的教學成果,為今后的持續性教學改革奠定了堅實的基礎。

5 結 語

筆者主要概述新工科背景下進行計算機類專業系統能力培養的教學改革過程,通過改革充分建立了學生的系統觀,提高了學生解決復雜工程問題的能力,適應了時代發展的迫切需求。實驗班的教學改革經驗已經逐步推廣到計算機類專業培養方案中,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,筆者將繼續向國內外知名高校學習改革的新思路,融合新一代信息技術,為我國應用型本科院校新工科建設培養出創新型卓越人才。