新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重定位思考

葛方振　劉懷愚　洪留榮　沈龍鳳

摘要：在“新工科”背景下，如何進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)教育的重要問(wèn)題。針對(duì)新工科的特點(diǎn)，分析了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的新內(nèi)涵，提出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)方式和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的新型師資隊(duì)伍要求，并進(jìn)行了試點(diǎn)改革，說(shuō)明了試點(diǎn)改革的有效性。

關(guān)鍵詞：新工科；工程教育；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力；能力培養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）36-0133-02

為實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，我國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”規(guī)劃。因此，目前我國(guó)急需大量具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才。于是，2017年6月9日新工科研究與實(shí)踐專(zhuān)家組成立，提出了新工科的概念。在這次會(huì)議上，教育部副部長(zhǎng)林蕙青強(qiáng)調(diào)，新工科[1]（Emerging Engineering Education，3E）是探索具有國(guó)際水平的中國(guó)特色工程教育體系，推動(dòng)我國(guó)工程教育，培養(yǎng)我國(guó)工程技術(shù)人才。與會(huì)代表也表示，高校應(yīng)該積極探索，先行先試，開(kāi)展新工科研究和實(shí)踐，成為新工科建設(shè)的推動(dòng)者和引領(lǐng)者，積累工程教育改革經(jīng)驗(yàn)[2]。

隨著工程活動(dòng)中大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工程生產(chǎn)組織、設(shè)計(jì)、工藝流程等將呈現(xiàn)全新模式。也就是，新工科要充分體現(xiàn)“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”的特點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是新工科體系中的重要學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)性和重要性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，一是“計(jì)算機(jī)類(lèi)”學(xué)科內(nèi)部交叉，形成了新技術(shù)行業(yè)，數(shù)字媒體技術(shù)、機(jī)器人、信息空間安全、智能系統(tǒng)等；計(jì)算機(jī)與其他學(xué)科交叉，形成“計(jì)算機(jī)+”的新專(zhuān)業(yè)，如電子商務(wù)、生物信息技術(shù)、數(shù)字化制造、智能醫(yī)療等。因此，在新工科背景下計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生應(yīng)該具有厚重的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，才能為社會(huì)培養(yǎng)可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型人才。

于是，新工科背景計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力應(yīng)該是當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必備的基礎(chǔ)能力，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)建設(shè)的重要任務(wù)。那么，新工科背景計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的新內(nèi)涵是什么？需要怎樣的培養(yǎng)體系或培養(yǎng)方法？需要具備怎樣的師資隊(duì)伍？

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的新內(nèi)涵

自2006年，我國(guó)提出“核高基”專(zhuān)項(xiàng)之后（“核高基”即是核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的簡(jiǎn)稱(chēng)），很多學(xué)者就提出，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程體系要突出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，提高計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量和水平，培養(yǎng)具有引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才。在這一階段，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能運(yùn)用系統(tǒng)觀理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性，并用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制的能力[3]。本定義包含系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)驗(yàn)證能力三個(gè)方面：其中系統(tǒng)分析能力指給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輸入，分析系統(tǒng)輸出的能力；系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力就是給定系統(tǒng)輸入和輸出，綜合出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能力。

然而新工科背景下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力應(yīng)該是：1）動(dòng)態(tài)性：以不變應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為理念；2）創(chuàng)新性：繼承與創(chuàng)新相結(jié)合，以學(xué)科交叉與融合為手段；3）多元化：與時(shí)俱進(jìn)，以多元化創(chuàng)新為目標(biāo)。

因此，新工科下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是一種創(chuàng)新型工程教育方案，反映了將來(lái)工程教育的形態(tài)，社會(huì)需要的人才結(jié)構(gòu)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)方式

基于上述對(duì)“新工科”建設(shè)背景的理解，本文以淮北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)（國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)）為例，結(jié)合IEET（中華工程教育學(xué)會(huì)）工程教育認(rèn)證[4]，探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的新方式。

1） 體現(xiàn)特色和優(yōu)勢(shì)，激發(fā)新工科學(xué)生的求知欲、創(chuàng)新精神

目前，許多高校積極響應(yīng)教育部要求，推進(jìn)“新工科”建設(shè)，開(kāi)展多學(xué)科交叉研究。針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，需要各個(gè)高校根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)特色、辦學(xué)定位，培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)、認(rèn)識(shí)世界的能力，自我控制能力，激發(fā)學(xué)生大膽改革、實(shí)踐創(chuàng)新，體現(xiàn)計(jì)算機(jī)工程人才的新素養(yǎng)、新能力。

2） 重構(gòu)核心知識(shí)，提升新工科學(xué)生的自拓展能力

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的知識(shí)涉及哲學(xué)、社會(huì)、數(shù)學(xué)、物理、信息、通信、科技以及工程等諸多學(xué)科領(lǐng)域，必須重構(gòu)知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)通識(shí)教育與專(zhuān)業(yè)教育的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)“大通識(shí)”教育，根除以增加課程方式的教育思想，拓寬學(xué)生知識(shí)面，改善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)學(xué)生的自拓展能力，即學(xué)生學(xué)習(xí)完成核心課程所蘊(yùn)含的理論規(guī)律，應(yīng)該具有解決對(duì)相關(guān)領(lǐng)域問(wèn)題的能力，并自行拓展和提高。為此，我們重構(gòu)了了新工科背景下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的核心內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)涉及的課程有：C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)組成原理、模擬電路、數(shù)字邏輯、操作系統(tǒng)和編譯技術(shù)等課程，這些課程之間在大學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中，有時(shí)同一知識(shí)在不同課程中，存在知識(shí)講解不夠完善，學(xué)生理解不全面；有些知識(shí)點(diǎn)，有先導(dǎo)和后續(xù)關(guān)系，但在不同課程中，存在講解順序顛倒，學(xué)生理解困難。因此，在新工科背景下，重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心知識(shí)，夯實(shí)學(xué)生核心知識(shí)、厘清知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，設(shè)計(jì)層次化、網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)聯(lián)系，如表1所示。新工科背景下，講授這些核心知識(shí)，必須考慮納入現(xiàn)代技術(shù)工具課程，提高學(xué)生使用現(xiàn)代技術(shù)工具的能力，提升學(xué)生的技術(shù)理解能力。

3） 緊跟學(xué)科競(jìng)賽發(fā)展

為了提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，鼓勵(lì)指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，緊跟學(xué)科前沿。在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”時(shí)代，帶領(lǐng)學(xué)生參與企業(yè)工程項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，積極探討工程項(xiàng)目與學(xué)科競(jìng)賽的切合點(diǎn)，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，還培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用能力，“以賽代教”提高學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。參與學(xué)科競(jìng)賽容易培養(yǎng)學(xué)生以問(wèn)題為導(dǎo)向的思維模式，進(jìn)而形成獨(dú)立思考和綜合判斷能力。同時(shí)，促進(jìn)教學(xué)模式改變，形成交流—質(zhì)疑—辯論迭代的教學(xué)模式。

3 新型的師資隊(duì)伍

傳統(tǒng)工科建設(shè)要求教師知識(shí)淵博、教學(xué)水平高、工程經(jīng)歷豐富、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高，基本上是“大學(xué)教師+準(zhǔn)工程師=工科教師”。新工科背景下，教師隊(duì)伍的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該突出專(zhuān)業(yè)的學(xué)科交融特征和產(chǎn)業(yè)性，針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教師應(yīng)該具備以下素質(zhì)和能力：

首先，在知識(shí)面上，關(guān)注一些新興、交叉和前沿學(xué)科，特別是與本學(xué)科相關(guān)的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人工程等前沿科學(xué)。使教師不僅對(duì)承擔(dān)教學(xué)任務(wù)熟悉，還要本學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展比較熟悉。

其次，在先進(jìn)的工程經(jīng)歷，要對(duì)先進(jìn)技術(shù)使用和工程過(guò)程熟悉，有從事先進(jìn)工程的經(jīng)歷，積累了一些解決前沿問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)先進(jìn)工程設(shè)備的操作步驟比較熟悉，并且與企業(yè)有合作經(jīng)驗(yàn)。

最后，在產(chǎn)業(yè)能力上，具有運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決大型工程的能力，特別是以“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺(tái)的工程問(wèn)題，能夠應(yīng)對(duì)和處理人工智能、機(jī)器人工程等未來(lái)工程的能力。

4 試點(diǎn)改革

基于上述定位思考，2016年10月起，對(duì)我?！白吭焦こ處煱唷睂W(xué)生進(jìn)行了教學(xué)改革試點(diǎn)。對(duì)15名學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和前沿教育，主要采用專(zhuān)題講座的形式?；A(chǔ)知識(shí)主要講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[5]，前沿知識(shí)培訓(xùn)圖像處理技術(shù)，深度學(xué)習(xí)算法等知識(shí)。然后，在有企業(yè)工作經(jīng)歷的導(dǎo)師帶領(lǐng)下，研究與企業(yè)合作項(xiàng)目“智能太陽(yáng)能電池片切割系統(tǒng)”。經(jīng)過(guò)一年的鍛煉，這些學(xué)生不僅掌握了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本知識(shí)，還對(duì)圖像處理、深度學(xué)習(xí)技術(shù)有深刻的理解，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高了學(xué)生的分析問(wèn)題能力、建模設(shè)計(jì)能力以及前沿工具的使用能力，解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力有顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 教育部高等教育司. 關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知[z]. 教高司函[2017]6號(hào).

[2] 陸國(guó)棟， 李拓宇. 新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑思考. 高等工程教育研究[J]. 2017.3， P20-21.

[3] 劉衛(wèi)東， 張悠慧， 向勇， 王生原， 李山山. 面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程體系建設(shè)實(shí)踐[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)， 2014（8）：50-52.

[4] 陳國(guó)鐵， 王健. 臺(tái)灣地區(qū)IEET工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的現(xiàn)狀及啟示[J]. 中國(guó)建設(shè)教育， 2014（1）.

[5] 布賴(lài)恩特（Bryant，R.E.）（美）， 龔奕利， 賀蓮. 深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2016.11.