日本東京大學計算機本科課程設置分析與啟示

隋 毅，孫仁誠，李淑靜，王常穎，邵峰晶

（1.青島大學 計算機科學技術學院，山東 青島 266071；2.青島大學 數據科學與軟件工程學院，山東 青島 266071）

0 引 言

當前，以人工智能、大數據、物聯網、虛擬現實、智能制造等為代表的新一輪科技革命和產業變革正在席卷全球，我國在人工智能領域發表論文數量已超越美國[1]，成為世界第一，但基礎性、開創性的研究成果還不多[2]，創新型人才培養面臨重大挑戰。2018 年4 月，教育部印發了《高等學校人工智能創新行動計劃》，提出“完善人工智能領域人才培養體系”的目標。高校本科教育是人才培養的基礎，本科階段是世界觀、方法論、價值觀和思維方式成型的重要時期，對于學術人才而言將決定其學術生涯的廣度與深度。目前，我國計算機本科畢業生普遍存在工程能力強而深度學術思維能力弱的問題[3]，與人工智能領域創新型人才培養的目標存在差距，了解世界一流大學計算機本科人才培養模式與課程設置對我國人工智能領域尖端人才培養具有十分重要的意義。

東京大學創建于1877 年，是日本第一所國立大學，經過140 余年的發展，東京大學已成為世界上少數學科門類最為齊全的綜合性一流大學之一。在世界大學排行榜上，東京大學近年來穩居前列。長期以來，東京大學以機器人、人工智能等先端研究成果聞名于世，東京大學畢業生占據了日本社會各行各業的領袖和精英地位[4-5]。

1 東京大學本科人才培養的模式

東京大學本科教育的特點是“專業推遲化”和“早發現”相結合[6-8]。“專業推遲化”是指將本科教育分為兩個階段，即通識教育階段（Liberal arts education）和專業教育階段。學生入學后按照報考填報的志愿（文科Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類和理科Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類）統一進入教養學部進行為期2年的通識教育學習，通識教育的目標是提供廣泛的文化教育，不限于特定專業領域，主要包括社會、文化、人類、宇宙、物質、生活等主題，培養學生的思考能力，以及進入專業教育階段和研究生課程所需的基礎學術能力。“早發現”是指在通識教育階段，除了需要修滿指定的課程，學生還能通過講座等形式了解不同專業領域的前沿，明確自己的學習興趣，從而在本科第二學年確定專業方向，繼而在本科第三、四學年進入專業教育階段，學習專業領域知識和技能。

通識教育課程分為基礎課程、擴展課程、綜合課程和主題課程等4 類。

基礎課程根據文科和理科分別設置，其目標是培養學生獲得適用于廣泛專業領域的基本知識，技能和方法，文科類學生將學習6 門課程，包括外語、信息、體育鍛煉和健康科學實踐、研討會文科、社會科學和人文科學；理科類學生將學習5 門課程，包括外語、信息、體育鍛煉和健康科學實踐、研討會理科和自然科學（基礎實驗、數學科學、材料科學、生命科學）。

擴展課程旨在讓學生學習學術研究的方法和思想，并深入學習基礎課程的高級內容。擴展課程分為社會科學研討會、人文科學研討會和自然科學研討會。擴展課程以小班化組織，以分析、練習、討論等方式開展教學。

綜合課程是關于現代共有知識基本框架的課程，培養學生具有全面的視角，并具備綜合判斷力和靈活的理解力。

主題課程是由多個學科和研究生院的教師共同提供的小班授課，課程以跨學科的學術前沿講座和自由研究研討會為載體，每個感興趣的學生都可以參與，在此基礎上，設置為期數周的海外培訓和體驗活動，如參觀海外大學的實驗室、博物館等，如參加志愿者活動、體驗大自然或直接參加海外大學的課程。

學生在取得第2 學年春季學期的成績后將進入選擇學科和專業的環節。一般情況下，文科類學生可選擇法學部、經濟學部和文學部，理科類學生可選擇理學部、工學部、農學部、藥學部和醫學部，所有文理學生都可以選擇留在教養學部繼續綜合文化研究科的學習。理學部下設8 個學科，分別是數學科、情報科學科、物理學科、天文學科、地球行星物理學科、地球行星環境學科、化學科、生物化學科、生物學科、生物情報科學科，其中，情報科學科由計算機科學、數理情報學、系統情報學、電子情報學、智能機械情報學和創造情報學6 個專業構成，關聯4 個研究機構，包括下一代智能科學研究中心、數理情報研究中心、增強現實研究中心、情報安全研究中心。

2 東京大學計算機科學專業課程設置

選擇計算機科學的學生，要求其在第2 學年完成以下必需的6 門專業基礎課程，包括情報數學、形式語言理論、計算機系統、硬件構成、算法、情報科學基礎實驗，同時在以下課程中選修一定學分的課程，包括代數和幾何、代數和幾何專題討論、集合和拓撲學、集合和拓撲學專題討論、復數解析學、復數解析學專題討論、物理數學、電磁氣學、生物情報學基礎論Ⅰ、生物情報學基礎論Ⅱ。

在第3 學年春季學期，必修的課程包括離散數學、情報理論、操作系統、計算機構成理論、語言處理理論，以及相應的實驗包括操作系統實驗、功能邏輯編程實驗、硬件實驗等。第3 學年秋季學期，必修的課程包括復雜性理論、連續系統算法、智能系統理論、語言模型理論、計算機網絡、處理器和編譯器實驗。

在第4 學年春季學習，學生除了必修計算機圖形理論外，還需選修計算理論、離散算法理論、計算科學模擬、計算機語言理論、自然計算、量子計算、知識處理理論、統計的機器學習、情報科學和生物信息學、用戶接口、實時系統。在第4 學年秋季學期，將學習情報科學特別討論和論文寫作法，選修應用統計學。

各學期課程學習的先后銜接關系如圖1 所示。首先，將情報數學、算法、形式語言理論、計算機系統、硬件構成5 門課程作為專業基礎課程，前3 門課程重點是培養學生的數理邏輯思維和計算思維能力，后2 門課程則注重培養學生建立對計算機系統構成與實現的基本認識。以此為基礎，在第3 學年春季學期開設離散數學、情報理論、語言處理系統、操作系統、計算機構成等5 門專業課程，前3 門以情報科學、算法、形式語言理論為基礎，后2 門以計算機系統、硬件構成為基礎；在第3 學年秋季學期開設計算量理論、連續系統算法、智能系統論、語言模型理論、計算機網絡5 門課程。可以看出，第2 學年和第3 學年主要以學習情報科學基本原理和技術為主，而第4 學年開始學生將接觸了解到學科的前沿研究進展，課程以選修課的形式，課程內容涵蓋最前沿的研究領域，包括科學計算、量子計算、機器學習、圖形理論等，學生從中選修一定學分的課程，從而幫助其確定研究興趣。在第4學年的秋季學期，學生除了繼續選修前沿課程如信息生物學、計算機視覺等，還將選擇確定自己的研究方向，進入相關研究室，在導師的指導下開始畢業論文的研究和撰寫。

科學研討活動將貫穿整個4 年的學習過程，研討活動是指由教師給出研討專題，學生針對專題查閱相關文獻資料并閱讀、理解、整理原著的觀點，并形成給出自己的點評和理解，整個研討活動由學生主導課堂、教師輔助，通過討論學生將加深對相關問題的認識，在討論過程中教師指出學生認識中的偏差，鼓勵學生提出不同的觀點，從而幫助學生拓展研究思路，建立研究思維。

3 東京大學計算機科學專業課程設置的特點

3.1 非常重視通識教育并且建立有較為完善的通識教育課程體系

所有學生不分文理均要進行為期2 年的通識知識和基礎知識學習，這充分體現了對學生全面發展的高度重視。通識教育課程按照基礎課程、擴展課程、綜合課程和主題課程分類，課程設置內容豐富、涵蓋面廣，教學形式也多樣，學生通過研討會的形式深入參與，可激發學習的積極性和主動性。通過通識教育的培養，能夠使學生具備優良的理解和思考能力、掌握知識和表達的能力、發現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。良好的通識教育會使學生終生受益，并為后續專業知識的學習提供持續的滋養和動力。

3.2 增大專業理論課程的難度

圖1 東京大學計算機專業課程設置關系圖

第2 學年秋季學期開設的是知識過渡性的專業課程，其目的是為了使學生能夠適應后期階段更為專業化的學習，如情報數學、形式語言理論等課程涉及大量的符號描述、證明與推導，難于理解，國內一般作為研究生培養階段的選修課程，而東京大學將其作為知識過渡性必修課程，足見對學生理論分析能力培養的高度重視。在第3 學年又開設了計算量理論以及連續系統算法，這些課程均涉及計算機科學領域較為專業的研究，對學生數學素養和理論分析能力要求極高，如連續系統算法課程主要是為使用微分方程等數學工具分析求解自然界中連續動力學系統（如大氣、海洋等）的相關動力學行為而設計相關計算算法。由此可見，東京大學十分重視培養學生的計算機理論分析能力，這可為后續研究型人才的培養提供了基礎。

3.3 重視引入計算機前沿課程

在第4 學年開設了多門計算機科學最前沿的課程，如機器學習、生物信息學以及量子計算科學等。其中，量子計算還是一個較新的研究領域，不同于電子計算機（或稱傳統計算機），量子計算機用來存儲數據的對象是量子比特，使用量子算法進行數據操作。一般認為量子計算機目前仍處于研究階段，但是量子計算的研究潛力巨大，相關研究成果將對計算機科學領域產生重大的影響，將量子計算科學引入本科生課堂，極具前瞻性，對計算機專業高端人才培養將起到非常重要的積極作用。

3.4 對接本科畢業論文與研究室

在第4 學年，學生將根據前面階段的學習確定自己的研究興趣，選擇進入相關教師的研究室，參與研究室的研究工作，撰寫畢業論文。通過和碩士生、博士生一起參加研究開展的各種研討會、學術會議等活動，學生在資料文獻調查、研讀、專業知識和技能掌握方面的能力將得到快速的提升。提前進入研究室不僅有助于學生及早確定個人的發展方向，而且能夠為研究生的培養提供優秀的人才儲備。

3.5 注重研討會制度

研討會是貫穿4 年學習的重要組成部分，研討會一般圍繞某個主題展開討論，學生為主導，教師為輔助。在研討會前，學生需要查閱相關文獻資料，如果是英文文獻則需要做好論文翻譯，并將論文的觀點和自己的理解做成PPT 等形式在研討會上展示，供參會者共同討論和提問。研討會制度能夠極大加深學生對知識的掌握程度，同時還能促進學生的表達能力和與他人討論問題的能力。

4 東京大學計算機科學專業人才培養的啟示

4.1 適當注重通識教育

與東京大學相比，我國本科高校計算機人才培養在通識教育方面起步較晚，通識教育體系相對薄弱，仍有待完善和加強，尤其是一些以工科為特色的高校，過于強調專業性人才和技術型人才的培養，人文社科師資力量薄弱[9]，計算機專業人才培養普遍存在通識教育的短板。在“新工科”背景下，培養兼具良好的人文素養和精深的專業知識的計算機人才，不僅對學生個人全面發展和綜合素質的提高具有重要意義，而且還能為人才回饋社會服務社會，培養高層次的計算機專業人才提供有力的支撐。

4.2 加深理論素養培養

計算機科學雖然是一門實踐性很強的專業學科，但是重視對學生計算機科學理論素養的培養仍具有十分深遠的意義。原創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的理論功底作為基礎，教育部的《高等學校人工智能創新行動計劃》明確提出到2030 年，高校成為建設世界主要人工智能創新中心的核心力量和引領新一代人工智能發展的人才高地，因此，從本科階段恰當地引入一些與后續研究密切相關的具有一定理論深度的課程，加大對學生的理論分析能力與思考能力的培養力度，將對未來高質量開創性的研究成果的產出起到積極的推動作用。

4.3 積極開展學術交流

計算機技術與應用的發展速度十分迅速，伴隨人工智能、大數據、物聯網等技術的快速進步與發展，引入最前沿的計算機相關課程對擴展學生的視野具有十分重要的積極作用。目前，國內很多高校開設了許多計算機前沿課程，如深度學習、物聯網云計算等，前沿課程的引入對教師提出了更高的要求，教師的知識結構需要及時更新，理論水平和技術能力需要緊跟時代前沿。高校可通過廣泛的學術交流合作和活動，積極為教師搭建學術交流平臺，為教師創造更多合作研究、學術訪問交流機會。

4.4 適度引入研討會制度

研討會貫穿于東京大學4 年的課程體系中，研討會制度對激發學生自主的行動力發揮了積極的作用。我國高校通常在研究生階段會較多地使用研討會制度，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制度將極大地促進從“以教為主”到“以學為主”的轉變，有助于加深學生對知識的掌握程度，顯著提高學生的表達能力以及與他人討論問題的能力。

5 結 語

人工智能時代的到來，對我國高校計算機專業創新型人才的培養提出了更大的挑戰。筆者以日本東京大學為例，對東京大學計算機科學本科人才培養特色進行了闡述，對東京大學人才培養模式、計算機專業課程設置等進行了分析和總結，為我國計算機本科創新型人才培養提供借鑒。