新工科背景下计算机类专业系统能力培养

毛艳艳 ,冯烟利谢青松程大鹏何 凯

（1．山东工商学院 计算机科学与技术学院，山东 烟台 264005；2．中国石油大学（华东） 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引 言

近年来,随着大数据、人工智能、区块链等新兴信息技术与传统产业的深度交叉融合,我国新旧动能转换的步伐不断加快。自2017年2月以来,从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”,新工科的研究与建设工作已经渐入佳境。教育部强调,我国的工程教育要对国家的重大强国战略做出积极响应,使当前高校的工科教育更快更好地适应新形势的发展,从而培养出大量满足当前社会需求的具有持续竞争力的卓越工程人才[1]。计算机类专业是新工科建设体系中的重要组成部分,一方面计算机类专业的内部交叉融合,形成了人工智能、机器人工程等新技术行业;另一方面计算机专业与其他学科深度交叉,这些领域包括智能医疗、智能制造、新能源工程等。

在新工科的背景下,计算机类专业的高素质人才需求大幅度增加,与计算机相关的工程问题也日趋复杂,而传统计算机类专业的毕业生缺乏分析和解决实际复杂工程问题的能力。因此,新工科背景下的计算机类专业系统能力培养教学改革迫在眉睫,成为了当前人才培养和专业建设的核心内容。

1 新工科背景下系统能力特点

在新工科背景下进行系统能力教学改革主要分为以清华大学、北京航空航天大学、南京大学为代表的3种模式[3-5]。清华大学刘卫东老师根据系统能力培养的要求,提出了“注重系统、强调实验、培养能力”的教学理念,统一规划理论教学内容和实践课程体系,利用自主开发的硬件计算机系统THINPAD统一实验平台。北京航空航天大学高小鹏老师提出系统能力培养围绕教学目标“一个CPU、一个操作系统、一个编译器”展开,在完成计算机系统设计相关的实验过程中,深化学生的系统观。南京大学袁春风老师基于“IA-32+Linux+GCC+C语言”平台讲授计算机系统中各个层次之间的关系,将高级语言、汇编语言、机器语言、计算机组成原理、操作系统等相关内容有机结合起来,从而使学生建立完整的计算机系统概念。

以上3所名校的系统能力培养模式各具特色,充分考虑了新工科对人才培养提出的新要求,但由于全国各高校的办学层次、培养目标、师资力量、学生素质等诸多方面存在差异,这些经验并不能完全复制。进行系统能力培养,应充分结合学校自身特点和定位,考虑本校学生的实际接受能力,设计具有可操作性和实效性的系统能力培养方案。

2 计算机系统能力培养的内涵与现状

新工科及工程教育专业认证均强调的“解决复杂工程问题”能力,即计算机类专业的“系统能力”,是计算机类专业相较于其他专业的核心竞争力。系统能力培养重点在于增强学生的系统观,使学生能够站在系统的高度分析问题,并能够综合运用多种新兴知识和技术解决复杂工程问题[2]。

目前,国内外多所知名高校在系统能力培养方面已经取得了丰硕的成果。国外多所一流大学非常重视计算机系统能力的培养,如MIT、UC Berkley、Stanford、CMU 等名校都设置了各具特色的系统能力培养课程体系,取得了良好的实践效果。在国内,教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会(以下简称教指委)也非常重视系统能力的培养,积极组织全国高校进行相关改革。清华大学、北京航空航天大学、南京大学等国内知名示范高校紧跟国际步伐,针对自身的特点,不断调整系统能力培养课程体系和培养模式,逐渐总结出宝贵的系统能力培养经验[3]。

3 系统能力培养改革过程及措施

在新工科的背景下,结合工程教育专业认证的标准,山东工商学院计算机科学与技术学院密切跟踪教指委对系统能力培养的要求,借鉴名校经验,结合自身特点,历经5年时间,在系统能力培养方面取得了一些成效。改革主要分为4个阶段,包括成果延续和项目启动阶段、研究阶段、实施阶段和提炼阶段。改革过程见表1。

系统能力培养教学改革的具体措施包括以下4个方面。

3.1 以系统能力培养为主线，重构新工科背景下人才培养的“3个阶段”

在新工科背景下,计算机类专业人才培养的“3个阶段”可以围绕系统能力培养进行重新定义:①以理解计算机系统的基本原理,建立初步系统概念为核心的基础教育阶段;②以软硬件贯通,形成系统观为核心的专业教育阶段;③以训练学生自主解决新工科背景下各学科交叉融合所产生的复杂工程问题,提升学生创新创业能力和就业能力为核心的综合实践阶段。

在人才培养的各个阶段,均围绕该阶段的核心目标,精心组织和安排理论课、实践课、文化素质课和创新创业教育课等各类课程,构建科学合理的课程体系,从而形成“前期强化系统基础、中期巩固系统观念、后期提升系统能力”的计算机类专业系统能力培养模式。

3.2 结合工程教育专业认证标准对学生能力的要求，构建系统能力培养课程群

为使学生建立完整的系统观,结合工程教育认证标准对学生能力的要求,在“横向”分析的基础上,“纵向”考虑各门课程的相互联系,将程序设计基础、计算机系统基础、数字逻辑、计算机组成原理、操作系统以及编译原理组建为系统能力培养课程群,重构理论与实验体系[5]。

表1 计算机类专业系统能力培养改革过程

1)合理调整课程群教学内容,优化知识体系。

充分理解课程群中各门课程的教学内容,改变传统的各门课程相对独立的教学模式,重视课程间的衔接点及内在关系,突出核心知识点。课程群优化和调整的课程内容见表2。

表2 课程群优化和调整的课程内容

2)通过顶层设计,层次递进,重构计算机类专业系统能力实践培养体系[6]。

首先为课程群顶层设计具有一定规模的复杂工程实践项目,然后将实践内容分解到相应的专业课程的实验体系中。学生通过完成子项目,逐次汇总成一个完整的复杂工程实践项目。采用统一的实验平台,在龙芯的实验平台上实施数字逻辑、计算机组成原理、CPU设计综合训练等多项实验。

3.3 创建“系统导向、双创驱动、赛考结合”的人才培养机制

以系统能力培养目标为导向,引导学生参与教师承担的课题,培养学生解决复杂工程问题的创新创业实践能力,同时将创新创业、学科竞赛与课程考核相结合,以赛促学、以赛代考,鼓励学生参加各类专业竞赛,并以竞赛成绩作为课程考核的参考依据,激发学生创新创业潜力和动力。

3.4 加强系统能力培养师资队伍建设

系统能力培养对课程群任课教师提出了更高的要求,教师不能单纯关注某门课程的内容,要把握整个课程群的知识体系和实验体系。为达到这一目标,加强师资队伍建设,提高教师教学研究水平势在必行。

通过设立专项资金,鼓励项目组教师参加系统能力培养相关的交流活动,与具有丰富改革经验的教师进行深入交流。不定期邀请知名院校专家到山东工商学院授课,项目组教师认真学习专家的教学内容和方法,从而提升自身的理论和实践能力。

4 系统能力改革的成效

系统能力培养教学改革的成效主要表现在以下几个方面。

(1)大大激发了学生深入探究和理解计算机系统的浓厚兴趣。在改革过程中,课程群的各门课程之间的理论和实践内容关系紧密,使学生可在顶层目标的指引下,如游戏闯关一般逐步完成各项教学任务,使原本枯燥的教学内容转化为一个个目标逐级实现,大大挖掘了学生的潜力,提高了学生自主解决复杂工程问题的能力。

(2)大大提高了学生的社会竞争力。系统能力培养实验班的毕业生在考研和就业的过程中体现出了极大的优势。

(3)项目组教师的教学水平大大提高。在教学改革过程中,项目组教师不断学习国内外先进的教学理念和教学方法,自身教学水平快速提高,并形成了大量崭新的教学成果,为今后的持续性教学改革奠定了坚实的基础。

5 结 语

笔者主要概述新工科背景下进行计算机类专业系统能力培养的教学改革过程,通过改革充分建立了学生的系统观,提高了学生解决复杂工程问题的能力,适应了时代发展的迫切需求。实验班的教学改革经验已经逐步推广到计算机类专业培养方案中,在实施过程中取得了良好的效果,但仍然存在一定的困难和问题。在今后的改革过程中,笔者将继续向国内外知名高校学习改革的新思路,融合新一代信息技术,为我国应用型本科院校新工科建设培养出创新型卓越人才。