新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)模式探析

孫大為，張玉清

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

以信息化、數(shù)字化為代表的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)對社會生活的各方面產(chǎn)生了顛覆式的影響，改變了人們的生活方法，改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)布局形態(tài)，也改變了科技人才的培養(yǎng)目標(biāo)。2017 年教育部開始推進(jìn)“新工科”的研究與實(shí)踐[1]，聚焦“復(fù)雜工程問題”，培養(yǎng)學(xué)生具備解決“復(fù)雜工程問題”的能力，積極主動培養(yǎng)適應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革所需的新型工科人才，滿足新的工科時代各產(chǎn)業(yè)的新需求和新挑戰(zhàn)。

在“新工科”背景下，計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)也需要具備“復(fù)雜工程問題”解決能力，面臨著諸多新的變化，其本質(zhì)可以概述為從注重讓更多人“會編程”到讓更多人“編好程”的根本性轉(zhuǎn)變。經(jīng)過幾十年計(jì)算機(jī)教育的普及和發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，“會編程”在今天已經(jīng)不是問題，特別是以Python 為代表的高級編程語言易學(xué)、易用，一個不具有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生，可以在短短數(shù)天內(nèi)，經(jīng)過一定強(qiáng)度的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，就可以學(xué)會使用。但如何“編好程”，實(shí)現(xiàn)對分布式環(huán)境中計(jì)算機(jī)軟硬件資源的高效利用，實(shí)現(xiàn)對高吞吐量數(shù)據(jù)的快速處理，是今天計(jì)算機(jī)專業(yè)人才面臨著的突出問題。這就需要計(jì)算機(jī)專業(yè)人才具備良好的系統(tǒng)思維能力，從系統(tǒng)觀的角度進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、程序編寫和功能優(yōu)化。

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維源自于計(jì)算機(jī)軟硬件的復(fù)雜性、用戶需求的多樣性、應(yīng)用環(huán)境的動態(tài)性、系統(tǒng)運(yùn)行的長期性等多方面因素。計(jì)算思維[2]是計(jì)算機(jī)科學(xué)的本質(zhì)思維模式，系統(tǒng)思維則推動了計(jì)算機(jī)科學(xué)向縱深發(fā)展。

一般意義上，系統(tǒng)思維是以系統(tǒng)觀為特征的認(rèn)識世界、構(gòu)建系統(tǒng)、優(yōu)化性能、持續(xù)改進(jìn)的基本思維，其注重從全局的角度進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)有效利用軟硬件資源；從發(fā)展的角度進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)合理進(jìn)行功能的細(xì)分；從生命周期的角度進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的升級。

系統(tǒng)思維是計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的核心競爭力之一[3]，是具備“復(fù)雜工程問題”能力的關(guān)鍵，也是區(qū)分“會編程”和“編好程”的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一。只有具備了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維，才能夠適應(yīng)“新工科”背景下各行業(yè)、各領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)專業(yè)人才的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)對“復(fù)雜工程問題”的解決。

2 系統(tǒng)思維培養(yǎng)現(xiàn)狀與需求分析

2.1 現(xiàn)狀分析

在很長一段時間內(nèi)，國內(nèi)多數(shù)高校將計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)事實(shí)界定為對程序員的培養(yǎng)，專業(yè)知識學(xué)習(xí)過程中更多的是通過對編程能力的訓(xùn)練，僅僅達(dá)到“會編程”的目標(biāo)。相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生，也僅以學(xué)過幾種編程語言為滿足。只有少數(shù)高校具備條件和能力，進(jìn)一步加強(qiáng)對學(xué)生的系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)，達(dá)到“編好程”的目標(biāo)。

隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷提升，軟件的不斷優(yōu)化，特別是計(jì)算機(jī)高級語言的快速發(fā)展，“會編程”已經(jīng)不是問題。一個非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，只要具備一定的數(shù)學(xué)、英語等方面的知識儲備，可以在1～2 周的時間內(nèi)通過集訓(xùn)或自學(xué)等形式，進(jìn)而達(dá)到“會編程”的目的。

計(jì)算機(jī)專業(yè)是最受學(xué)生歡迎的專業(yè)之一，也是就業(yè)率最高的專業(yè)之一。由于“會編程”的門檻已經(jīng)很低，部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)之際，放棄了本專業(yè)，通過短期的培訓(xùn)，就可以找到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工作。工資待遇甚至比其原專業(yè)還要高。這個現(xiàn)象的產(chǎn)生，一方面源自于今天社會各行業(yè)對計(jì)算機(jī)人才的強(qiáng)烈需求，另一方面，由于計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的就業(yè)率較高，很多計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)止步于“會編程”的階段，沒有動力或沒有能力進(jìn)行“編好程”階段的人才的培養(yǎng)。

2.2 需求分析

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿科技的發(fā)展，推動著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的不斷進(jìn)步，也迫切需要更多具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維的人才，不再停留在“會編程”的初級階段，而是上升到“編好程”的高級階段，需要具備“復(fù)雜工程問題”的解決能力。

在現(xiàn)階段，簡單地進(jìn)行具體功能的實(shí)現(xiàn)往往很容易做到，如實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁搜索，通過早期的編程語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，需要明白其中的具體實(shí)現(xiàn)邏輯，編寫很多行代碼。然而，今天可以很容易找到相關(guān)的軟件包或利用已有工具，通過簡單的幾個調(diào)用語句就可以完成，編程人員甚至不需要了解其中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和信息產(chǎn)品的不斷普及，這種僅關(guān)注功能的實(shí)現(xiàn)，越來越不能夠滿足市場的需要。在用戶規(guī)模不斷增大、系統(tǒng)訪問持續(xù)增加的情況下，系統(tǒng)的性能成為制約系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)性能的改善需要編程人員具有系統(tǒng)思維能力，了解系統(tǒng)的全局架構(gòu)、掌握功能實(shí)現(xiàn)的底層細(xì)節(jié)、明白制約性能的關(guān)鍵因素。也就是只有做到“編好程”，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量工程問題的解決、高水平代碼能力的應(yīng)用、高效率軟硬件資源的利用，才能夠?qū)υ摗皬?fù)雜工程問題”進(jìn)行系統(tǒng)化解決。

一般意義上，通過不同的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一個復(fù)雜功能，其會存在性能上的差異。這種差異根據(jù)功能的復(fù)雜程度的不同、程序員對具體技術(shù)掌握的不同，其性能會很大。如高維矩陣乘法，一個“編好程”的程序員可以在“會編程”的程序員的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合利用軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能提升高達(dá)六萬倍[4]。

可見，在“新工科”背景下，隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，越來越多的“復(fù)雜工程問題”需要得到解決，這就要求培養(yǎng)更多具備“編好程”能力的計(jì)算機(jī)人才。

3 計(jì)算機(jī)專業(yè)新型工科人才系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)的具體措施

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維的培養(yǎng)要從系統(tǒng)觀的角度入手，對教學(xué)環(huán)節(jié)各主體進(jìn)行再優(yōu)化，從培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行再調(diào)整。要以培養(yǎng)高質(zhì)量計(jì)算機(jī)人才為最終目標(biāo)，真正做到“編好程”；要以“新工科”為立足點(diǎn)，以解決復(fù)雜工業(yè)實(shí)際需求為培養(yǎng)源動力；要以課程建設(shè)為抓手，在課程的教學(xué)過程中，讓學(xué)生認(rèn)識到系統(tǒng)思維的重要性，理解系統(tǒng)思維的實(shí)現(xiàn)方法，明白系統(tǒng)思維的內(nèi)在邏輯。

3.1 加強(qiáng)計(jì)算機(jī)經(jīng)典思想的啟蒙，以計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程為抓手

在計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)初期，應(yīng)通過通俗易懂的方式講授計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典的思想，在更宏觀的層面上進(jìn)行計(jì)算機(jī)知識的學(xué)習(xí)，也可以使學(xué)生有機(jī)會在后續(xù)的具體知識學(xué)習(xí)過程中，進(jìn)一步理解和強(qiáng)化相關(guān)思想，提升對計(jì)算機(jī)科學(xué)認(rèn)識的高度和層次。

在通常情況下，計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論作為基礎(chǔ)類課程為所有專業(yè)本科生開設(shè)，主要介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念、思想和方法，其目的是讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)學(xué)科、明白計(jì)算機(jī)的學(xué)科范圍，理解計(jì)算機(jī)可以解決的問題邊界，其重要性不言而喻。然而，目前國內(nèi)大多數(shù)高校，在開設(shè)計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程的過程中，其所教授的內(nèi)容只是對計(jì)算機(jī)專業(yè)部分課程的簡化和疊加，講授計(jì)算機(jī)基本概念、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、軟件工程、操作系統(tǒng)、信息安全等內(nèi)容。這些內(nèi)容只是簡單的羅列，面向全體學(xué)生進(jìn)行授課，其思想性、趣味性不強(qiáng)，很難引起學(xué)生的共鳴和興趣。

作為介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)的入門課程計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論，其在講課內(nèi)容的選擇上可以聚焦于計(jì)算機(jī)的經(jīng)典思想，如以計(jì)算思維、系統(tǒng)思維、算法思維、網(wǎng)絡(luò)思維、數(shù)據(jù)思維等為章節(jié)進(jìn)行講授，針對各類計(jì)算機(jī)思維，從問題的提出、思想的形成與發(fā)展、思想的核心與要點(diǎn)等角度進(jìn)行重點(diǎn)講授。同時，結(jié)合具體應(yīng)用、具體計(jì)算機(jī)軟硬件產(chǎn)品、具體思想的提出者及其提出過程等案例，使學(xué)生認(rèn)識到這些思想的形成是源自于計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的具體問題，當(dāng)今計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也面臨著諸多問題，這些問題的解決也將推動計(jì)算機(jī)的發(fā)展。通過這些改變，可以增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的思想性、趣味性、歷史性和現(xiàn)實(shí)性，也可以為對計(jì)算機(jī)感興趣的學(xué)生明確其學(xué)習(xí)好計(jì)算機(jī)后續(xù)課程的著力點(diǎn)和落腳點(diǎn)，解決計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的具體問題，推動計(jì)算機(jī)科學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)地總結(jié)了計(jì)算邏輯思維、算法思維、網(wǎng)絡(luò)思維、計(jì)算系統(tǒng)思維4 個方面的思維，通過通俗的案例進(jìn)行講授，可以很好地告訴學(xué)生什么是計(jì)算機(jī)科學(xué)要解決的問題及其解決的基本思想，實(shí)現(xiàn)從“方法”到“思想”的提升。諸如此類的教材還有很多，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，將計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論這門入門課真正作為打開計(jì)算機(jī)科學(xué)的金鑰匙。

3.2 強(qiáng)化計(jì)算機(jī)硬件知識的學(xué)習(xí)，以計(jì)算機(jī)組成原理等課程為抓手

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由軟件和硬件兩部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，為軟件提供支撐和平臺；軟件是靈魂，實(shí)現(xiàn)處理邏輯在更高層面上的提升，最大程度的發(fā)揮硬件的性能。軟件和硬件兩者之間相互促進(jìn)、有機(jī)統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能和性能的最大化。

計(jì)算機(jī)人才也需要同時具備軟件和硬件兩個方面的素質(zhì)。由于多方面因素的作用，導(dǎo)致了目前計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)主要集中在軟件方面，相關(guān)的課程體系也比較全，涉及計(jì)算機(jī)硬件的課程偏少。這個現(xiàn)象在過去的一段時間內(nèi)，在處于“會編程”的階段時，具有一定的歷史合理性，但在今天的“新工科”背景下，需要更多“編好程”的計(jì)算機(jī)人才，這就需要彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)硬件的課程，讓學(xué)生懂得軟件系統(tǒng)是所運(yùn)行的平臺，以及如何更好地使用硬件資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。

在計(jì)算機(jī)硬件課程開設(shè)方面，可以通過提升硬件類課程在人才培養(yǎng)方案中的比例，細(xì)化不同層次的硬件課程的開設(shè)、強(qiáng)化規(guī)模不等的硬件實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)化工廠生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)、強(qiáng)化中到大規(guī)模多人協(xié)作工程項(xiàng)目等多種不同方式，以數(shù)字邏輯、匯編語言、計(jì)算機(jī)組成原理等課程的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)為具體抓手，實(shí)現(xiàn)對理論知識和硬件實(shí)踐的有機(jī)統(tǒng)一，通過強(qiáng)化硬件知識的認(rèn)知和體會，進(jìn)而更全面地培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才的系統(tǒng)思維和能力。

3.3 開展并行與分布式系統(tǒng)知識的教學(xué)，以分布式系統(tǒng)等課程為抓手

分布式是大數(shù)據(jù)時代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和部署的常態(tài)，很難想象一個大規(guī)模應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不是分布式的。這就要求教師對分布式環(huán)境下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特征有著充分的認(rèn)知。在目前的計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)課程體系中，也只有部分學(xué)校在計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究生階段開始了相關(guān)課程。

為了促進(jìn)計(jì)算機(jī)人才的系統(tǒng)思維和能力的培養(yǎng)，提升分布式場景下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，在計(jì)算機(jī)人才本科的培養(yǎng)過程中和講授具體知識點(diǎn)的過程中，通過分組和多人協(xié)作，針對具體場景的不同要求，針對性的開發(fā)具有特定特征的操作系統(tǒng)等實(shí)踐活動，通過理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，強(qiáng)化操作系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)。同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)時期應(yīng)用場景對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性、規(guī)模性、實(shí)時性等問題，以問題為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)一步地增設(shè)分布式系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫等課程，在問題中學(xué)習(xí)和掌握分布式相關(guān)理論和知識，提升自身的核心競爭力。

3.4 豐富教學(xué)手段和教學(xué)方法，以實(shí)踐、實(shí)習(xí)類課程為抓手

系統(tǒng)思維的理論性強(qiáng)、復(fù)雜性大、抽象性高，在完善現(xiàn)有理論知識學(xué)習(xí)的前提下，也需要通過多種不同教學(xué)手段，采用多樣教學(xué)方法，讓學(xué)生可以理解的清楚、實(shí)踐的明白。在教學(xué)方法方面，可以引入實(shí)際分布式、大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)案例，并結(jié)合具體知識點(diǎn)，進(jìn)一步提高學(xué)生對具體問題的理解。在教學(xué)實(shí)踐方面，應(yīng)該加強(qiáng)大型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，在團(tuán)隊(duì)合作、多人協(xié)調(diào)的情況下，開展課程實(shí)踐活動，增強(qiáng)對系統(tǒng)思維的認(rèn)知。如，在操作系統(tǒng)的教學(xué)過程中，可以分組完成對操作系統(tǒng)原型各個部分的開發(fā)實(shí)踐，通過各組間的相互協(xié)調(diào)進(jìn)行原型的構(gòu)建。在基本功能實(shí)現(xiàn)的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)性能的調(diào)優(yōu)，開展壓力測試，拓展分布式功能等，實(shí)現(xiàn)從簡單功能到復(fù)雜功能的逐步完善。在此過程中，實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)系統(tǒng)思維能力的逐步培養(yǎng)。

鼓勵學(xué)生在學(xué)有余力的情況下，積極參加算法類和系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)類的學(xué)科競賽，如ACMICPC 國際大學(xué)生程序競賽和中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽等，有助于提高學(xué)生的系統(tǒng)思維和綜合分析應(yīng)用能力。在條件允許的情況下，還可以讓學(xué)生利用假期時間，參加到企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)過程中，進(jìn)行系統(tǒng)思維的培養(yǎng)。在教學(xué)手段方面，可以引入慕課、引進(jìn)優(yōu)質(zhì)外部資源，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)。

4 結(jié) 語

“新工科”建設(shè)聚焦“復(fù)雜工程問題”，計(jì)算機(jī)人才需要具備“復(fù)雜工程問題”的解決能力，本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)了從注重?cái)?shù)量的“會編程”階段提升到注重質(zhì)量的“編好程”階段。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)是其中的關(guān)鍵一環(huán)，計(jì)算機(jī)人才需要基本系統(tǒng)思維能力，這是其核心競爭力之一。我們需要以課程改革為抓手，通過完善課程體系、改變教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)。

在下一階段，我們將進(jìn)一步細(xì)化培養(yǎng)各環(huán)節(jié)，整合各方面優(yōu)勢資源，更好地實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)對“復(fù)雜工程問題”的系統(tǒng)解決。