開源思維在人才培養體系中的研究與實踐

梁 旭 李 寧 曾 錚 喬文豹

（北京信息科技大學計算機學院 北京 100101）

1 開源思維

思維最初是人腦借助于語言對事物的概括和間接的反應過程。思維以感知為基礎又超越感知的界限。通常意義上的思維，涉及所有的認知或智力活動。它探索與發現事物的內部本質聯系和規律性，是認識過程的高級階段。思維是人類所具有的高級認識活動。按照信息論的觀點，思維是對新輸入信息與腦內儲存知識經驗進行一系列復雜的心智操作過程[1]。

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真首次提出計算思維的概念，即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。引起計算機教育界的廣泛重視，之后相繼有人提出設計思維、互聯網思維等概念。這反映了當代信息技術發展背景下，科學思想的突出地位和作用。設計思維最早作為一種創造性解決問題的方法論是被美國商業創新咨詢公司IDEO提出的，IDEO認為“設計思維是實現創新的新方法和新途徑”[2]。互聯網思維，就是在（移動）互聯網+、大數據、云計算等科技不斷發展的背景下，對市場、用戶、產品、企業價值鏈乃至對整個商業生態進行重新審視的思考方式[3]。

開源思維的核心是運用開源形成的觀點和方法，解決現實世界中的問題。開源思維的特點例如：共享、合作、互助，相互尊重、用人所長、快速迭代、及時發布、不從頭發明輪子等等。

開源的思想和重要性，貫穿和影響了整個人類文明發展史，比如，中國古代的四大發明之一造紙術的開放共享，使得由語言所形成的知識可以在世界范圍內廣泛流傳。開放共享除了促進文明的發展之外，也是科學技術發展的重要工具。

這些開源思維不但使開源運動取得了巨大的成功，也對計算機科學與技術的未來發展以及人才培養產生了深遠的影響。在大學計算機教育中，學生能夠運用開源思維，習慣于從開源世界中找靈感、找答案，找問題，并從開源社區求幫助，求合作，做貢獻，對于未來軟件市場的公平競爭、培養學生樂于奉獻的精神和開闊的胸襟都是十分必要的。

2 開源理念及自主創新

開源軟件的精神在于讓盡可能多的人復制、使用、研究、改進和散布軟件，其主要關注點在于軟件上，而非金錢[4]。在現代社會，信息技術的革命主要是人工智能，而開源軟件極大地促進了人工智能的發展。

開源軟件的特征概括起來就是“自由”“公開”“可修改”“可重新發布”，為了保證這四個特征，需要“一群人”遵守相同的“規則”。在互聯網發達的當今世界，地域已經不再是人群劃分的界限，這里的“一群人”構成了世界范圍內遵守相同“規則”的有法律約束力的“社區”，而這里的“規則”就是開源許可證（License）和版權（Copyright）[5][6]。

習近平總書記多次強調，核心技術是國之重器，是我們最大的命門，核心技術受制于人是我們最大的隱患。不掌握核心技術，我們就會被卡脖子、牽鼻子，不得不看別人臉色行事。十四五規劃中指出：在事關國家安全和發展全局的基礎核心領域，制定實施戰略性科學計劃和科學工程。瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。

我國在信息領域核心技術上，與世界領先水平相比，仍有較大差距。特別是在集成電路、芯片等半導體行業，以及工業設計軟件、人工智能深度學習系統平臺、操作系統等基礎技術與應收上差距更大。人工智能發展進入新階段，特別是在移動互聯網、大數據、超級計算等新理論新技術以及經濟社會發展強烈需求的共同驅動下，人工智能加速發展。人工智能是引領未來的戰略性技術，我國也把人工智能發展放在國家戰略層面系統布局，圍繞核心技術、頂尖人才、標準規范等強化部署，增強人工智能領域的核心競爭力[7]。

目前，我國軟件產業仍處于方興未艾的發展階段，無論在產業規模還是技術水平方面都與世界先進國家存在相當的差距。充分利用好國內外資源是實現我國軟件產業的跨越式發展的重要方針。開源軟件凝聚了世界各國大量軟件研究和開發人員創造的技術成果，充分地學習、研究、分析以及合理地利用這一豐富的軟件技術資源，無疑對加速提高我國軟件業的水平具有重要作用。

為構筑開源軟件發展的良好平臺，我國科技部在近幾年布局了包括：百度自動駕駛、阿里城市大腦、騰訊醫療影像、訊飛智能語音、商湯智能視覺、華為基礎軟硬件、小米智能家居等十五個開放創新平臺。開源逐漸成為科技公司搶占市場的有力機制，借助開源推廣用戶側的事實標準，通過開源機制實現科技類公司的市場布局，建立上下游合作機制，擴大產業生態。我國科技類公司在跟隨國際頂級開源項目的同時，積極推廣自發開源項目，阿里、騰訊、華為、滴滴等科技公司紛紛成立開源管理辦公室，負責公司對外開源的統籌規劃，進行開源之前的合規檢查及后續運行推廣。

3 開源人才培養和課程體系

形成信息領域核心技術的突破，不僅面臨技術難題，還面臨材料技術、制造工藝、制造設備以及生態鏈構造與專利壁壘。正是這些方面，形成了信息技術軟硬件系統生態鏈和價值鏈。即便有更好、更先進的技術，也很難取而代之。更何況，技術的底層是基本原理、基礎理論與思想；而所有這一切，又都與人才有關[8]。

3.1 理論教學、實驗教學、科研訓練三位一體的創新教育

構建了“兩個階段、三位一體、四種結合”的“234”創新教育模式：堅持理論教學與實驗教學、實驗教學與實踐教育、實踐教育與科研訓練、課內教學與課外教育的四種結合，通過“基本技能—個性興趣—創新特色”的兩個階段，實現理論教學、實驗教學、科研訓練三位一體，從科學方法和科學思維、科學實驗和綜合實驗、綜合實踐和創新實踐的三個方面達到學生創新素質的鍛煉和培養。

開源社區是開源課外學習的關鍵平臺。開源社區建設、運行基本思路是：營造創新氛圍促進學生開源編程意識培養；建立激勵機制培育學生主體性；以項目為中心多學科融合團隊型研究活動提高學生實踐能力；組織課外開源開發實踐活動為學生提供參與開源實踐的機會；通過學生間相互交流、相互促進和社會實踐，加快開源思維培養。

課程整體上采用“理論+案例+實踐”三級強化教學模式，突出實踐環節，培養學生開發計算機應用系統的實際能力。在理論環節，啟發式教學方法、豐富生動的網站內容，使學生成為教學的主體，通過自主學習來了解、掌握相關知識。

3.2 構建先進的“工程化”教學理念和“多層次，以項目為主線”的開源課程體系

案例教學主要是教師帶領學生完成一個實際案例中的一個或數個任務，然后由學生自主完成其中的另外一些任務。研究表明，學生只有通過實際體驗和實踐才能真正了解和掌握課程的相關知識，才能學到“開源開發”的真諦。因此，課程特別強調學生的實踐活動和直接體驗。鼓勵學生通過課程進行自主性學習，要求學生從中選擇主題及相應的內容，通過專題討論、課題研究、方案設計、模擬體驗、實驗操作、社會調查等形式，真正學習掌握相關知識，去發現和解決現實生活中的問題，培養創新精神及實踐能力。實踐教學采用任務驅動的教學方式，讓學生相對獨立完成一個模擬的、或教師在研的實際科研項目，教師通過指點、探究的方式進行指導。這種項目練習以團隊的方式進行，一個項目組由4～6名學生組成，分別擔任不同角色。分工協同、共同探尋問題的解決方案，教師和學生、學生和學生一起討論協商解決問題，理論拉動實踐，兩者融為有機整體，學生的學習變得充實而有意義。

按照開源人才培養目標、培養規格，樹立工程化能力培養與基礎理論教學、專業能力培養并重，通過全面改革開源開發課程體系、充實教學內容、改進教學方法，建立工程化實踐教學體系，在教學過程中全面體現工程化能力和職業素質培養的思路，進而形成了一個融基礎理論、實驗教學、工程實踐為一體的整體化培養機制，讓學生各方面的能力都得到全面均衡的發展，以適應現代軟件產業的需求。根據課程的指導思想，依據這個指導思想，確定了“立足基本理論，加強實踐教學，注重工程化能力培養”的課程內容設計思想，圍繞這個核心思想，教學內容強調了應用性和工程性，同時結合軟件工程學科最新的開發技術，提高教學內容的先進性。在課程內容的設置上，圍繞著提高學生工程化素質，培養和造就與社會需求相適應的人才這個目標，建立起面向工程化人才培養的課程體系。

開源運動的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化，是創新性、復合型人才成長的沃土，在學生中倡導開源文化中社會合作、共享的理念，有利于構建人類命運共同體的理想的實現。

基礎層（突出先進技術和重點內容）：了解開源軟件生命周期要素，掌握軟件開發過程管理模型，能夠評價開源技術、程序資源和開發工具等用于解決復雜工程問題對社會可持續發展的影響。

應用層（貫穿標準規范和支持工具）：具有從事有生命力的開源軟件工作的科學素養，并能參與實際的開源軟件項目。利用開放源代碼資源從事科學研究，并有能力參與實際的開源軟件項目。

實踐層（注重教學實踐和環境建設）：引入小組協作式的課程實踐項目，建立支持小組開發的開源開發支持環境，讓學生從“可實踐”開發的角度學習和運用開源思想和現代技術解決開源軟件開發問題。

針對教學中的重要知識點，精心設計教學任務。從開源開發基本原理、方法、技術等方面，對案例逐步展開。同時在任務的驅動下，促使學生自主思考，并通過自主學習、協作學習等方法，探求解決問題的途徑。任務驅動教學法的基本過程為：提出任務、分析任務、學生操作、交流討論、鞏固創新、總結等，加快學生對抽象理論和方法的理解和掌握。改變傳統的課程考核方式，注重考察學生的綜合能力和素質。通過一個具體系統的開發實戰機會去讓學生參與解決實際問題的全過程。

在教學過程中，注重鼓勵和引導探索式學習。學生可以通過文獻查閱以及與開源開發企業人員的接觸交流，真正體會當前開源開發業界的真實案例和最佳實踐，并結合課程實踐中的問題進行專題報告和軟件演示。

3.3 重視開源開發實踐特點，建設“做中學”的實踐教學體系

3.3.1 以“做中學”思想指導實踐教學

“做中學才是真正的學，做中教才是真正的教”。按照這樣的教育模式把實踐放在重要地位，全面改革提升開源課程實踐的教學工作。具體來說就是要求學生針對一個具體項目從構思、設計、實現，最后進行運作。強化實踐環節，體現軟件工程實踐課程的客觀要求和工程教育的基本要求，培養學生的團隊合作及工程項目研發能力，讓學生在團隊環境下運用軟件工程方法和技術獲得較真實的軟件開發經驗，提高學生在項目規劃、隊伍組織、工作分配、成員交流等多方面的能力，培養積極向上的合作精神。

3.3.2 以“合作學習”方法組織實踐教學

隨著軟件項目規模越來越大，僅僅依靠個人力量已經無法完成工作，因此，現代軟件工程越來越重視團隊精神。

合作學習是當前在世界范圍內被廣泛使用的教學組織形式和教學策略之一，它能充分體現教師的主導地位和學生的主體作用。合作學習指學生為了完成共同的任務，有明確的責任分工的互助性學習。合作學習鼓勵學生為集體的利益和個人的利益而一起工作，在完成共同任務的過程中實現自己的理想。

在實現合作學習的教學目標中，重點強調了以下幾點：

（1）異質分組，即將具有不同優勢能力的學生分配到不同的小組。

（2）分工合作，即在實踐中我們從學習目標、獎勵方式、角色互換等幾個不同角度訓練和鼓勵學生培養積極的相互依賴。

（3）考核體系。具體在考核中，個人成績和小組總體排名成績相結合，可以促進學生合作積極性。

（4）在合作方式組織的實踐環節中，學生真正體驗到一種有序的、可控的、協作的軟件開發過程，在分析問題、解決問題、協調沖突、消除矛盾的過程中享受軟件開發成功的最終結果。