面向T+型能力培養的計算機類專業人才培養模式改革與實踐

李薇 黑新宏 王磊 魯曉鋒 王一川 張亞玲

[作者簡介]李薇 （1973—），女，黑龍江哈爾濱人。博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為智能計算、機器學習。

*[通信作者]黑新宏（1976—），男，陜西延安人。博士，教授，博士生導師，主要研究方向為安全關鍵計算機系統、軌道交通系統。[摘要]針對當前計算產業國產化在核心技術發展面臨巨大挑戰的問題，西安理工大學計算機科學與工程學院以“培根、啟智、潤心、鑄魂”為培養理念，重塑了以T+型能力培養為導向的計算機類專業核心課程體系，構建了漸進達成的多元融通式教學模式、教學研用貫通式實踐教學體系，加強鑄魂育人，實現專業教育與思政教育的有機融合，有效提高了計算機類專業人才的培養質量。

[關鍵詞]T+型能力；系統能力；立德樹人；人才培養

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2023）01-0066-08

0引言

隨著大數據、人工智能、區塊鏈等新技術的接踵而來和融合發展，新產業、新模式的不斷涌現，科學技術已成為引領世界大發展、大變革、大調整，支撐關鍵領域產業的革命性力量，是建設世界強國的重要保障。然而，目前我國在核心技術上仍然落后于世界先進水平。高端服務器、CPU、芯片設計和制造等關鍵設備、軟件、技術等依然是我國數字科技發展的短板，國家急需強化科技力量，突破關鍵核心技術，提升科技創新能力，解決缺“芯”少“魂”、核心工業軟件等卡脖子問題。因此，各高校計算機類專業對人才培養進行了積極的探索和實踐：如開展以計算思維為導向的教學改革、積極研究基于成果導向（Outcome based education，OBE ）的教育理念、采用線上線下教學模式、構建以學生學習成果為主導的持續改進式評價體系[1]等，這些教學改革和實踐有效地提高了教育質量和人才培養水平。

然而，對于計算機類專業學生，依然存在一些問題：如很多學生只是會解題，不會發現和提出問題；只是會解決講過的問題，不會解決新問題；未能很好地建立計算機系統完整概念，缺乏系統觀，難以解決系統層面的問題；很多學生欺“軟”怕“硬”，對計算機系統的核心內容掌握不夠，難以完成復雜的涉及軟硬件協同設計的任務；雖然當前教學模式已經逐漸由灌輸式的傳統教學向混合式教學轉換，但重點還是關注怎么教；教模式和學模式未能有效配合也限制了學生創造性學習潛能的挖掘、獨立思考能力和探究能力的培養，學生在學習過程中缺乏強有力的后勁支撐。鑒于此，如何以能力培養為導向，改革與推進人才培養模式，深化一流專業、一流課程，培養一流創新人才，促進我國基礎科學研究水平的不斷提升，從跟跑、并跑，進而成為領跑，是當前計算機類專業人才培養需要解決的核心問題。

1T+型能力培養模型

教育部計算機類教學指導委員會指出，高等院校計算機類專業學生需要掌握8個知識領域，包括離散結構、程序設計基礎、算法、計算機體系結構與組織、操作系統、網絡及其技術、程序設計語言和信息管理；具備4個方面的專業基本能力，即計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力和系統能力[2]。其中，計算思維能力包括邏輯思維、抽象思維等9個能力點；算法設計與分析能力包括復雜算法設計、復雜算法分析等8個能力點；程序設計與實現能力包括3個能力點，即小型程序設計、大型程序設計和系統程序設計；系統能力包括系統認知能力（6個能力點）、系統設計能力（19個能力點）、系統開發能力（23個能力點）和系統應用能力（14個能力點）[3]。綜上所述，計算機類專業學生T型能力培養模型如圖1所示。由于系統能力的能力點占總能力點的75%，因此系統能力培養是專業能力培養的核心，即T的垂直部分；計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力是培養系統能力的根基，是計算機類專業學生必須具有的橫向能力，即T的橫向部分。

隨著信息技術的快速發展，科技創新已成為未來社會發展與變革、國家實力與技術競爭的核心，面對創新引領的未來社會，計算機類專業的學生不應只具備知識的積累和技術能力，而是應該具備融合知識、技能和品行3個方面的綜合能力，具備能夠應對未來社會發展變化的競爭能力、技術創新能力，即可持續競爭力與勝任力[4-5]。因此，計算機類專業人才培養在T型能力培養的基礎上增加了可持續競爭力和勝任力的培養，即T+型能力培養（如圖2所示）。

2面向T+型能力培養的計算機類專業人才培養模式2021年，教育部高等教育司司長吳巖在全國高教處長會議上指出，人才培養質量是高等教育的核心；2018年以來，西方發達國家對中國的IT企業進行持續性打壓限制，如中興和華為事件已為IT行業敲響警鐘，中國迫切需要整體推進核心技術的掌握，打破Wintel聯盟，加速形成一個完整的正反饋國產化生態系統。有鑒于此，西安理工大學計算機科學與工程學院以T+型能力培養為核心，從課程體系、教學方法、實踐育人等方面進行改革與實踐，構建了具有家國情懷、學科理論扎實、系統能力強、綜合素養高的計算機類專業人才培養模式（如圖3所示）。

2.1培根——以T+型能力培養為導向，重塑計算機類專業核心課程體系人才培養的核心是知識、能力和素養。能力培養是本科教育的關鍵因素。計算機科學與工程學院以T+型能力培養為導向，通過數理基礎、知識體系、硬件基礎、軟件基礎、實驗體系和系統開發的縱向銜接，橫向貫通，形成系統的知識體系和能力結構，構建了“六維一體”能力培養的專業核心課程體系（如圖4所示），旨在培養學生適應未來社會發展的系統能力、可持續競爭力和勝任力。圖4專業核心課程體系專業核心課程體系以T+型能力培養為主線，從專業基礎能力訓練、專業核心能力訓練和專業拓展能力訓練3個層次，對學生進行系統能力、可持續競爭力和勝任力培養：（1）夯實數理基礎。通過高等數學、線性代數等課程奠定學生數理根基，培養學生的抽象思維能力、邏輯推理能力、空間想象能力、數學演繹能力，使學生能夠運用抽象思維和數學建模方法進行計算機處理系統的理論建模。（2）夯實硬件基礎和軟件基礎。通過電路與電子技術、程序設計類課程、算法分析與設計等課程，使學生掌握各種經典算法、算法實現與優化、計算機各個組成部件的工作原理、設計方法，為學生解決計算機系統中的復雜問題奠定理論基礎和實踐支撐。（3）培養學生系統開發能力。通過軟件工程導論、軟件項目管理等課程，使學生掌握開發復雜軟件系統時的系統工程化原則、基于計算機系統的相關分析和設計方法、系統架構設計與評價等，從而培養學生的復雜系統開發與實現能力。（4）構建支撐T+型能力培養的知識體系和實踐體系。通過編譯原理、計算機系統結構、操作系統等課程，建立微機系統整體概念，培養學生的系統觀；理解計算機軟硬件系統的基本架構與工作原理，提高對計算機系統的總體認識；將軟、硬件知識有機結合，建立計算機系統結構的完整概念，培養學生的硬件設計、軟件開發和系統擴展的能力。通過實踐體系，將學生能力培養所需的知識和能力體系融入到不同課程又相互關聯的實驗環節中。通過理論與實踐的有機結合，使學生從認識計算系統概念與特征，到理解計算系統各種要素，再到設計開發計算系統相關程序，培養學生基本的計算機系統設計與開發的專業基礎能力，設計、開發計算機軟件的專業核心能力，以及軟、硬件協同設計與開發的專業拓展能力。

2.2啟智——創新教學組織形態，構建漸進達成的多元融通式教學模式陳寶生指出本科教育要合理“增負”，提升挑戰度；課程要有難度、有深度、有選擇性，要將“水課”轉變為“金課”[6]。為了適應不同學生的特點和需求，切實提高學生的核心素養與能力，計算機科學與工程學院構建了以學習成果為導向的漸進達成的多元融通式教學模式（如圖5所示）。以學習成果為導向的教學理念不僅僅是關注學生掌握多少知識，而且重點關注學生通過多樣化的教學組織形式的學習，能夠取得哪些學習成果。

以面向對象程序設計課程為例，課程教學目標主要有3個：目標1，使學生掌握C++語言的基本語法，掌握面向對象程序設計的基本思想與原理；掌握類與對象的定義和應用、數據成員、成員函數、封裝性、繼承性、重載、多態性、I/O流、模板和異常處理。目標2，能夠運用面向對象程序設計思想對復雜問題進行分析與設計，并在解決問題的過程中拓展學生的思維視角，培養學生的邏輯思維、計算思維等思維技能，進而培養學生解決復雜問題的綜合能力。目標3，在實踐環節中，以完成項目的形式，引入系統工程思想和工程化方法的學習，使學生形成系統觀，培養學生的系統思維能力、團隊合作能力、探究能力和獨立研究能力；培養學生設計、開發軟件系統的能力，能夠綜合應用C++語言開發應用程序，解決生產生活與科學研究中的實際問題。

學習成果導向的漸進達成的多元融通式教學模式由課前自主學習、課堂理論教學、課堂實踐強化、課后復習拓展四部分構成。以面向對象程序設計課程為例，教師根據課程教學目標（即學生學習完這門課程后應該取得3項學習成果），設計教學的各個環節，以使學生能夠獲取相應的學習成果。

（1） 課前自主學習環節：第一，教師提前布置課前學習任務，學生在智慧樹上觀看“面向對象程序設計”課程教學視頻進行自主學習，在學習過程中記錄難點疑點問題。自主學習的主要目的是學生在學習知識的過程中能夠形成個性化知識，即觀念。第二，各小組對于教師布置的課前任務進行討論、交流，提出解決方案，完成翻轉教學所布置的任務。第三，學生進行線上測試，目的是檢驗是否理解本節教學內容所涉及的基礎性知識；對于出錯的問題，學生可以查閱教師提供的學習資料或在線咨詢教師，找出錯誤原因，加強對知識的理解。

（2） 課堂理論教學環節：首先，教師通過知識回顧、要點概括、師生問答、角色變換、生講生評、課堂討論、小組競賽等方式引導學生分析問題，思考如何解決問題，鼓勵學生大膽討論、交流，并在解決問題的過程中滲透情感、態度和價值觀。以模板一節內容為例，提出問題“如果函數實現同一類功能，只是部分細節不同，通常采用什么機制？”引導學生回顧函數重載知識。第二，繼續提出問題“如何輸出三種不同類型數組的元素值”，學生利用函數重載在解決該問題時，發現函數重載的缺點，即代碼可重用性差。在此基礎上，教師引出函數模板的意義，高度概括函數模板的知識要點，使學生明確本節的核心知識點。第三，在講解函數模板具有提高代碼可重用性的特點時，引出“勤儉節約、傳承美德”的觀念，引導學生樹立節約的意識，形成健康文明的生活方式和消費理念。第四，學生提出自主學習時遇到的問題，教師進行解答；教師針對模板的易錯點提出問題，啟發學生思考。通過你問我答，我問你答，加強師生互動，消除學生在學習過程中的疑問，強化學生對易錯點的理解和掌握。第五，進入翻轉課堂，師生角色互換。教師由專家轉換為引導者，學生由學習者轉變為探索者、知識的主動建構者。在這一環節，對于學習任務一采用生講生評方式；對學習任務二采用討論方式，在討論的過程中引導學生積極思考、相互合作，增加知識的積累；對于學習任務三，采用小組競賽方式，在競賽的過程中激發學生的主動創新意識，培養學生的創新思維。此外，教師進行點評，并啟發引導學生思考相關擴展性問題。第六，教師對本節課內容進行小結，通過引例引出下節主要內容，并安排課后學習任務。

（3） 課堂實踐強化環節：以綜合性項目設計與開發為驅動，旨在培養學生的自主學習能力、系統設計與開發能力、研究能力和創新能力。以“設計研究生初試管理系統”為例，第一，項目導入是讓每個學生明確本次項目的任務和要求，通過討論分解任務；確定系統可以劃分為兩類：研究生類和復試研究生類，這兩個類的關系是繼承關系。第二，學生從系統實現的角度進行方案設計，確定每個類的成員函數和數據成員，并靈活運用友元機制、重載機制和靜態機制；此外，學生根據研究生復試的實際情況，擴展系統功能，保證系統功能的完整性和有效性；第三，在調試程序時，要求學生不僅檢查實驗結果是否滿足任務要求，而且要討論設計方案是否是最有效的，是否可以改進優化，引導學生深入思考，培養學生的創新意識和創新能力。最后，以項目答辯的方式檢驗程序，培養學生的表達能力。

（4） 課后復習拓展環節：目的是引導學生對所學知識進行總結和反思。首先，學生依據本章節的思維導圖，對所學內容進行總結。在總結的過程中，復習整合已學知識，理解知識之間的意義和聯系，并對自己在實驗過程中出錯的問題進行三方面的反思。第一，在解決問題時，自己最初的設計思路是什么？回顧自己用了哪些知識。第二，自己應該怎樣分析、設計？不僅要知道怎么解決問題，而且要形成自己的看法和見解，將新知識融入到自己原有的認知結構中，完善自己的知識體系。第三，是否還有更好的解決方法？通過深度思考，理解知識的內涵，學出自己的個性和智慧。通過總結與反思，一方面，培養學生在學習之后能夠進行思考的習慣，進而使學生能夠有所悟和有所獲；另一方面，引導學生逐步形成思考問題、分析問題和解決問題的計算機學科視角，掌握本學科知識背后隱藏的學科精神內涵和文化底蘊，培養學生的學科能力。其次，學生進行在線章節測驗，以進一步復習鞏固所學知識。再次，在線實驗采用計算機實踐教學云平臺（頭歌，EduCoder，https：//www.educoder.net/），在頭歌平臺上，教師將實驗題目設計為趣味闖關游戲，以激發的學生學習興趣；通過牽引式的通關實戰，學生一方面訓練了邏輯思維、計算思維，掌握了分析問題、解決問題的技能，提高了學生的編程能力。另一方面，學生在闖關游戲參與過程中體驗編程的樂趣，激發愉悅的情緒。此外，由于在線實驗采用的是智能化運行評測，對程序的可讀性、規范性要求比較高，為了能夠順利通過，學生在編寫程序時逐漸形成精雕細琢、追求完美的精神理念，培養學生嚴謹、理性等品質。最后，教師在頭歌平臺上發布挑戰性實訓任務，對學生進行在線拓展訓練。挑戰性實訓任務主要是具有一定難度、創新性的任務，這些實訓任務是需要學生深度思考、跳一跳才能夠完成。學生在完成挑戰性實訓任務過程中，一方面，拓展思維，將思維深入到知識的發現和再發現過程中，進而建構知識。另一方面，學生通過經歷、體驗，積累個性化知識、體驗性知識，實現知識增值，將知識轉化為智慧和方法。在線拓展訓練有助于引導學生將挑戰變成一種習慣、一種品質。學生在渴望、期待和欣賞挑戰的過程中，激發其成長意識，提升其發展性學力和創造性學力。

2.3潤心——創新實踐教學模式，構建教學研用貫通式實踐教學體系實踐是學生切實掌握理論知識的重要途經，是培養學生T+型能力的重要環節，是培養創新型人才的重要組成部分。為了加強學生的能力培養，計算機科學與工程學院構建了教、學、研、用貫通式實踐教學體系（如圖6所示）。

教——線上線下相結合：通過線下課堂，教師講解課程知識體系、解決問題的思維方法，以及相關的原理內涵，夯實學生理論基礎；培養學生掌握新的思維范式（即計算思維），豐富和完善學生的科學思維能力，夯實學生創新能力之根基，提高學生的就業競爭力；通過學堂在線之雨課堂、騰訊課堂、中國大學MOOC、智慧樹等在線教學工具拓展課堂時空，打破50分鐘的課堂授課時間，為不同學習者提供更加個性化的教學模式，滿足不同學生的學習需求和碎片化的學習特征。通過構建豐富的課程教學資源輔助學生的線上自主學習，引導學生形成良好的學習習慣，培養學生的自主學習能力。此外，通過線下課堂知識測試、實驗答辯、期末測試和線上階段測試、線上作業等加大對學生學習的過程性評價，在考核過程中，檢驗學生的知識目標和能力目標的達成情況。

學——課內課外相結合：通過課內課程學習、課程實驗和課程設計，加強學生對理論知識的理解和應用，激發學生的實踐興趣，引導學生深入研究、深度思考，更深層次地理解知識、運用知識，形成由點（知識點）、線（基礎實驗）、面（綜合實驗）筑成的立體而開放的整體知識結構和漸進式能力結構[1]，培養學生解決復雜問題的綜合能力、高級思維和創新素養。通過課外的企業實訓、工程訓練和生產實習等環節，一方面使學生從知識的表層結構進入到知識的深層結構，掌握規范的實踐方法，發展學生的實踐素養，增強學生的實踐能力；另一方面使學生緊跟技術發展的前沿，不斷積累，以適應未來社會信息技術的快速發展，各種挑戰和競爭。

研——省賽國賽相結合：通過中國“互聯網+”大賽、ACM/ICPC國際大學生程序設計競賽、挑戰杯賽、中國大學生程序設計競賽（CCPC）、“龍芯杯”計算機系統能力大賽、編譯系統設計賽、操作系統設計賽、藍橋杯賽和CCF計算機軟件能力認證等各類競賽，增強學生創新意識，使學生的專業技能、系統能力、研究創新能力進行有效的遞進式銜接，對學生進行全方位、系統的、多層次的能力培養，實現以賽促教、以賽促學、以賽促改、以賽促建；在競賽中充分拓展學生思維，引導學生在挫折和困厄的磨練中形成專注的、百折不撓的堅毅品質和感知價值，樹立自信心；培養學生的鉆研精神和學術潛質，激發學生內生的創新激情，提高學生的綜合能力。

用——科研創業相結合：通過國家自然科學基金、省部級科研項目、企業委托項目、創新創業項目等高水平研究項目和畢業設計環節，使學生及時接觸研究前沿，帶動學生深入研究，指導學生對前沿問題開展探索，奠定學生科研基礎能力；激發學生在學習和研究上的最大潛能，幫助學生獲得深厚的專業基礎和充實的研究經驗，有效提高學生的探究能力和獨立研究能力；通過產教融合，推動學生合作交流，促動學生自主發展，驅動學生科技創新，從而培養學生的團隊協作能力和創新能力。

2.4鑄魂——以立德樹人為導向，推動專業教育與思政教育相融合可持續競爭力和勝任力源于內在的知識修養，基于對人生目標始終不渝的追求和事業的恪守。“為誰培養人、培養什么人、怎樣培養人”是高等教育的核心使命。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出，教師不能只做傳授書本知識的教書匠，而應成為塑造學生品格、品行、品味的“大先生”。課程建設是人才培養的重要陣地，課堂教學是人才培養的主要渠道，計算機科學與工程學院以立德樹人為導向，將思政教育元素融入到專業教育的各個環節中，以及通過導師制和導生制，在培養學生知識、能力的同時，增強學生的社會責任感，引導學生形成積極、健康、樂觀向上的人生觀和價值觀，成為有理想信念、敢于擔當的人。

圍繞在知識傳授中實現價值引領的目標，計算機科學與工程學院的各個課程團隊結合專業特點，挖掘具有針對性和代表性的思政元素，制定課程思政實施方案。以程序設計類課程為例，圍繞“能力培養、勇于探究、創新”融入理想信念、工匠精神、團隊意識等思政元素。

首先，強化教材的育人功能。課程團隊對C語言程序設計、面向對象程序設計、數據結構等課程的自編教材進行再版，融入責任心、工匠精神、嚴謹、理性、求實等思政元素，建設數字化教材，將在線課程與教材相鏈接，增強教材的表現力和吸引力，加強鑄魂育人的功能。

其次，在講解程序設計類課程的基本概念之前，改變以往介紹計算機發展歷程的方式，而是以中國計算機發展歷程為主線，依次介紹中國的“兩彈一星”：1964年，中國第一顆原子彈爆炸成功；1967年，我國成功試爆第一顆氫彈；1964年發射第一枚中近程運載火箭；1966年成功試驗導彈核武器。1970年4月24日，“長征-1號”航天運載火箭順利地將“東方紅-1號”人造地球衛星送入太空軌道；1975年，中國又首次成功發射返回式遙感衛星。“兩彈一星”的研制成功標志我國航空航天、遙感、測控、核能等尖端技術達到世界先進水平。此外，介紹中國的“探月”工程、中國自行研制的“北斗衛星”導航系統，以及中國疫情防控阻擊戰取得了重大戰略成果等。通過介紹中國計算機發展史上的重要事件和關鍵人物，樹立學生的民族自信心和自豪感，使學生認識到我國創新的腳步從未停歇，未來融通創新的步履也將繼續向前。

第三，在講解編程方法時引出科技的重要性，核心技術不僅影響全球產業布局，更是衡量國家綜合國力的重要標志。介紹近期發生的中興通訊股份有限公司和華為技術有限公司先后遭遇美國制裁，從而暴露了中國通信產業“缺芯少魂”的問題。使學生認識到在科技創新領域，關鍵核心技術是“要不來”“買不來”“討不來”的，以增強學生的民族自尊心，強化民本意識。舉例說明，二戰時期美國吸引許多世界一流科學家，使得戰后美國科技創新成果密集出現，奠定了美國長時間處于世界領先的地位；日本圍繞核心技術，長久公關，成功造就了一大批頂尖科學家，并在前沿科技領域取得很大的突破。目前，我國產業發展進入從規模增長向質量提升的重要窗口期，要想實現中華民族偉大復興，唯有掌握核心科技，才能在國際競爭中實現彎道超越，從而將愛國情、強國志、報國行、實現中國夢潛移默化地融入學生的世界觀中。

最后，在線上實驗、課后作業等環節中，一方面，布置挑戰性作業，引導學生突破思維定式，大膽創新，勇于探究；在對復雜計算機工程問題分析和設計過程中，引導學生做到執事敬、精益求精，培養學生的創新意識、創新精神和工匠精神；教師在指導學生程序設計過程中，寓德于教，體現量變到質變的規律；讓學生明白，每個人的生活都是由一件件小事組成，養小德才能成大德。另一方面，布置系統設計與開發等大作業，要求學生以團隊合作方式完成。在評定成績時，按照每個成員對項目的貢獻度進行評定。在完成系統開發任務時，需要將系統劃分為若干個子系統，分別完成每個子系統，然后再將子系統整合為一個完整系統。這種設計理念與團隊合作的理念相契合，通過這種方式，不僅能激發學生參與團隊合作的積極性和主動性，而且在完成項目的過程中，潛移默化地培養了學生的大局意識、團隊意識、以及協同合作精神。

3結束語

人才培養質量是高等教育的核心，為了培養未來科技創新的領軍人才，實現從中國制造邁向中國創造。本研究以培根、啟智、潤心、鑄魂為教育理念，提出了面向T+型能力培養的計算機類專業人才培養模式，通過重塑計算機專業核心課程體系，構建漸進達成的多元融通式教學模式，構建教、學、研、用貫通式實踐教學體系，推動專業教育與思政教育的融合等機制，有效推動了計算機類專業人才培養的發展。

參考文獻

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AbstractIn view of the huge challenges faced by the localization of computing industry in the development of core technologies，the school of computer science and engineering of Xi′an University of technology takes "bacon，enlightenment，moistening the heart and casting the soul" as the training concept，it reshaped the core curriculum system of computer majors guided by T + ability training.In addition，it has built a diversified and integrated teaching model and a through practice teaching system for teaching，research and application.Finally，it strengthened the soul casting education，realized the organic integration of professional education and ideological and political education，and improved the training quality of computer professionals.

KeywordsT + ability; system ability; moral integrity in cultivation; cultivating talents

[責任編輯馬曉寧]