ＩＴ發展與創新人才培養

何炎祥

1IT發展動態點滴

1.1美國NGI(Internet II)計劃

當今世界，Internet的發展已產生了良好的經濟效益和社會效益，帶動了一系列高新技術的發展；另一方面，由于用戶數量的飛速增長，Internet已擁擠不堪，在技術上和功能上已表現出不完善。這將影響它的繼續發展，也影響到美國“NII行動計劃”制定的“為全民服務”的目標，因此，“升級換代”迫在眉睫。

Internet II的發展方向是，它將實現“超高速光纖網”，建設“千兆級節點”(GigaPOP)，采用IPv6技術；它是一種2.4Gb/s的多媒體信息網絡；在連接100所美國大學和國家實驗室時，比目前的Internet快100倍，在連接較小的機構，進行點對點的通信時，比目前快1000倍，可在1秒鐘內傳輸完全部的Encyclopedia Britannica(《大不列顛百科全書》)。

1.2軟件轉型和軟件新形態

從80年代到現在，軟件形態發生了很大變化。從原來面向單體系統發展到面向網絡的軟件單元構架，現在最多的是以網絡為基礎的復雜系統資源的構建。在教學方面，我們應考慮軟件已經變成了網絡式軟件，特點是不確定用戶、多目標和多樣性的需求、頻繁的用戶需求變化和系統動態演變、非自我擁有的網絡資源。我們需要思考如何將他們如何融到教學中。

圖1 軟件轉型和軟件新形態

1.3腦科學研究計劃

日本政府正在啟動五個國家級科研計劃之一的“腦科學研究計劃”，為期20年，每年投入1000億日元，總計2萬億日元，這包括三個研究領域：了解腦，保護腦，人工創造腦；47個課題：包括思維語言，開發人造神經系統，開發人腦型計算機，智能機器人等。

這樣的研究計劃對我們的教學有何沖擊？

1.4藍色大腦計劃

瑞士洛桑聯邦工學院大腦認知學研究所的神經科學家亨利·馬克拉姆辛勤耕耘15年，成功繪制出老鼠大腦細胞圖。他希望能制造出模擬人腦神經元的系統，造出人工智能方面的器件和計算機。他打算在IBM公司的幫助下，于2015年開發出一個虛擬人腦，它擁有人腦所有的1000億個神經元。馬克拉姆表示，隨著“藍色大腦”計劃在今后幾年的不斷完善，大腦“電路”之謎終將揭開。

IBM公司號稱是“藍色巨人”(Big Blue)，“藍色大腦”(Blue Brain)計劃中的“藍色”兩字就來自于此。

在這樣的基礎研究背景下，我們的教學該如何做？

1.5世界各國高性能計算機發展

1.5.1我國高性能計算機發展簡史

1983年，我國“銀河Ⅰ號”巨型計算機研制成功，運算速度達每秒1億次；

1984年，中國第一臺10億次巨型銀河計算機Ⅱ型通過鑒定；

1994年，銀河計算機Ⅱ型在國家氣象局投入正式運行，用于天氣中期預報；

1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次；

1997年，銀河Ⅲ并行巨型計算機研制成功；

1999年，銀河四代巨型機研制成功；

2003年11月，聯想公司研制的“聯想深騰6800高性能計算平臺”系統峰值達到5.3萬億次，當年Top500排名14。

2004年6月曙光公司研制的“曙光4000A”系統峰值10萬億次，當年Top500排名10。

由中國科學院計算技術研究所、曙光信息產業有限公司自主研發制造的百萬億次超級計算機“曙光5000”于2008年8月研制成功，落戶上海超算。

“曙光5000”系統峰值運算速度達到每秒230萬億次浮點運算，LINPACK運算速度超過每秒160萬億次浮點運算，是目前國內速度最快的商用高性能計算機系統。

1.5.2世界高性能計算機發展形勢

2002年4月，日本NEC公司宣布研制出當年世界上運算速度最快的超級計算機“地球模擬器”，它擁有5120個處理機，運算峰值達到40萬億 FLOP/s，投資400億日元，歷經4年。它安裝在橫濱地球模擬研究和開發中心，并已正式投入運行。

2007年，IBM的BLUE GENE(藍基因)計劃指出，2007年實現了每秒1000萬億次大規模并行機(SMASH計劃)的研制——它主要用于蛋白質的折疊計劃，投資為1億美元。這臺計算機復雜到人很難駕馭它，全部實現了自我管理。它采用100萬個處理機并行，每個處理機實現了10億次浮點運算。

這臺機器有64個機柜，每機柜8個主板，每個主板包括64個芯片，每個芯片有32個處理機(64×8×64×32)，它將DRAM嵌入CPU芯片中，每個芯片有12GB通信能力，總通信帶寬達到300TB/S，實現了自管理。

面對世界各國飛速發展的高性能計算機，我們的教學怎么跟上去？

1.6服務科學

IBM最先倡導服務科學，稱為“服務科學，管理和工程(Services Sciences，Management and Engineering)”，美國很多大學如berkeley已開設服務科學課程，將來培養出來的人就是美國的行業工程師。

服務科學可以融合計算機科學、運籌學、產業工程、數學、管理學、決策學、社會科學和法律學等學科，創建新的技能和市場來提供高價值的服務。

1.7會聚技術

1.7.1會聚技術的歷史

2001年底，美國DoC-BTM、NSF、NSTC-NSEC等機構在華盛頓召開由50余名著名科學家和政府要員參加的題為“會聚四大技術，提升人類能力”的圓桌會議，首次提出“會聚技術”的概念。“會聚技術”是指當前四個迅速發展的科學技術領域—納米、生物、信息技術和認知科學的協同融合——這就是所謂“NBIC會聚技術”。每個領域的發展潛力巨大，其中任何技術的兩兩融合、三種集成或四者會聚，都將產生難以估量的效能。

1.7.2會聚技術的內涵

N——納米科學與技術：人類探索的新空間——消弭了自然與人造的分子系統之間的界限。

B——生命科學與技術：永恒研究的老對象——通過基因學和蛋白質學來延長人的壽命。

I——信息科學與技術：延伸智能的好工具——導向更加自主的智能機器。

C——認知與神經科學：完善人類的總目標——創造出人工神經網絡并破譯人類認知。

1.7.3會聚技術的理念

四種科學的會聚是對學科的巨大挑戰。學科會聚的理念來自會聚技術，是指以整體論為基礎的多學科協同綜合的過程，學科會聚的理念高于學科交叉和學科群落。學科會聚的理念如表1所示。

1.8網格計算

計算機網絡只是信息傳輸的基礎設施，計算機網格則是資源共享的基礎設施，它使互聯網上所有資源，包括計算、存儲、通信、信息、軟件、知識等全面連通，根據服務等級協定(SLA)之類的協議向用戶提供Pervasive/Grid模式的GGG (Great Globe Grid)應用服務。其含義是把分布在不同地理位置的高性能計算機、各種儀器設備、數據庫、軟件等資源用高速網絡互聯起來，使這些資源看起來就像一臺超級計算機的部件，用戶通過網格可隨時隨地、單一映像、高效一體化地共享資源、協同開展教學科研及應用開發活動。

網格計算也稱先進計算基礎設施(ACI，Advanced Computational Infrastructure)等，分為計算網格、信息網格、知識網格、服務網格等。

我國在網格領域的研究始于最近幾年，目前最重要的三個項目是：

1. 中國科學院的“國家高性能計算環境(NHPCE)”項目(“中國國家網格”——CNGrid)

2. 清華大學的“先進計算基礎設施北京上海試點工程(清華ACI系統)”項目

3. 中國教育科研網格計劃ChinaGrid

1.9云計算

最近，一些大公司如MS、Google、IBM等都在炒作“云計算”的概念，如IBM跟歐盟合作開展“云計算”，歐盟撥款1.7億萬歐元；Google與IBM聯合力推“云計算”模式；Yahoo也把寶押在了“云計算”上；我國也在無錫跟IBM公司聯合建立了一個“云計算”中心。

有人說微軟收購Yahoo的一個重要考慮就是因為Yahoo在“云計算”方面的領先地位，而IBM、Yahoo和Google等正在使用“云計算”的概念兜售自己的產品和服務。

“云計算”(Cloud Computing)是分布式處理(Distributed Computing)、并行處理(Parallel Computing)和網格計算(Grid Computing)的發展，或者說是這些科學概念的商業實現。

量子物理中有一種“電子云(electron cloud)”，即在原子核周圍運動的電子不是在一個經驗世界的軌道上，例如像天體一樣的運行軌道上，而是彌漫在空間的、類似云狀的存在。電子云有概然性、彌漫性、同時性等特征。

“云計算”借用了量子物理中的“電子云”(Electron Cloud)的概念，強調說明計算的彌漫性、無所不在的分布性和社會性特征。

云計算(cloud computing)是分布式計算技術的一種，最基本的概念是，透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統，經搜尋、計算分析之后，將處理結果回傳給用戶。透過這項技術，網絡服務提供者可以在數秒之內處理數以千萬計甚至億計的信息，達到和“超級計算機”同樣強大效能的網絡服務。

云計算技術的例子隨處可見，例如搜尋引擎、網絡信箱等，使用者只要輸入簡單指令即能得到大量信息。進一步的云計算不僅可以做資料搜尋、分析，還可以分析DNA結構、基因圖譜定序、解析癌癥細胞等。

2大學的使命

原來我們說傳播知識即教學，創造知識即科研。現在大學的功能還有服務社會，引領民族和社會文化。

3國家創新體系

2006年1月，胡錦濤總書記在“全國科技大會”上明確提出了“提高自主創新能力、建設創新型國家”的重大戰略任務。黨的“十七大”報告明確指出：提高自主創新能力，建設創新型國家，是國家發展戰略的核心，是提高綜合國力的關鍵。

我國創新體系在未來10-15年甚至更長時間科技發展指導方針是：

自主創新，重點突破，支撐發展，引領未來。

所謂創新，包括原始創新、集成創新、引進消化吸收后再創新。

加強建設國家創新體系，要支持基礎研究、前沿技術研究、社會公益性技術研究；進一步營造鼓勵創新的環境、努力造就世界一流科學家和領軍人才、注重培養一線的創新人才。

與高校和科研院所相關的是要搞原始的知識創新體系。人才培養如何與國家發展方向結合起來？

4創新人才培養

對于創新人才培養，我們要站在國際國內、國家需求和重大發展趨勢的高度進行思考。

馬大猷院士說：我國研究人員基礎都很好，但常提不出自己的設想，很多人都是“述而不作”。中國人從小學起就被要求絕對服從，逐漸養成迷信長上、迷信書刊、死記硬背、整天學習、缺少交流的習慣。

他還指出：現在科學前沿幾乎不見中國科學家。新技術產品頗為發達，但其核心技術與研究很少是中國人的貢獻。

要培養創新人才，教師要具備的素質有：

(1) 教學與科研兩手都要硬，并要緊密結合

(2) 教師要具有系統扎實的業務知識、自我發展與自我完善的能力

(3) 工作責任心與進取心

(4) 寬廣的胸懷與平和的心態

(5) 真誠合作、和諧共事

(6) 開放與交流

(7) 關注學科前沿和發展趨勢

(8) 良好的文化修養

(9) 積極探索探究式教學、互動式授課、專題型研討教學方法

(10) 指導學生創新實踐活動、大學生業余科研

(11) 帶領本科生進入課題組和科研平臺

(12) 充分利用IT技術輔助教學，如利用BBS、博客等開展討論式或互動式教學

具有國際競爭能力的人才應該具有下列素質：

(1) 國際視野：有全球化的概念和國際化視野

(2) 國際意識：以國際化的態度對待和處理事物

(3) 國際活動：善于國際交往，能夠與國際同行打交道、交朋友

(4) 國際知識：了解國際競爭規則和各國文化與專業情況

(5) 國際資源：能夠迅速獲取和擁有國際合作伙伴、網絡及國際上各種資源

(6) 參與國際競爭：迅速適應國際環境，適應并參與國際競爭

清華大學的觀點認為，具有國際競爭能力的人才應該具有下列能力：

(1) 獲取信息的能力：能準確及時地從各種媒介了解國際重大事件、世界政治經濟文化發展的動態和趨勢、中國在國際社會中面臨的挑戰和機遇、各個方面的基本數據和背景資料等。

(2) 分析鑒別能力：對國際政治斗爭、經濟全球化的影響、國家民族利益、人類和平發展及環境等問題有正確的認識。具有獨立思考精神，能從現象抓住本質，能比較準確地預測判斷未來發展趨勢，做出自己的決策。

(3) 國際交往能力：具有國際交流活動的經歷和能力，掌握準確、流利的外語，熟悉國外禮儀習俗，懂得保護國家民族和自身合法利益，能以公平競爭、友好合作，互相尊重，自強不息的態度參與國際合作交流。

哈爾濱工業大學的觀點認為，具有國際競爭能力的人才應該是這樣的：

(1) 國際化氛圍：營造多元化校園環境及國際化氛圍，培養學生的國際化視野。

(2) 海外教師聘請：聘請海外教授及專家講學，提高教師與學生接受和參與國際活動的機會。

(3) 教師隊伍國際化：通過引進留學人員、派出教師國外深造，促進教師隊伍國際化。

(4) 教學研究國際化：研究國外教學模式與經驗。

(5) 課程體系及教學方式國際化：引進國外先進課程體系、教學方式、教材及課件等，采用雙語教學。

(6) 學生國際化：學生聯合培養；交換與交流、培養留學生。

(7) 建立國際合作交流平臺：開展國際合作研究項目、聯合實驗室、國際學術會議、國際學生科技競賽。

而武漢大學的觀點則認為，要培養具有國際競爭能力的人才，應該培養學生的三創精神，即創新、創造、創業。

國際化的大型企業喜歡SCORE人才，即：

如果能夠具有以下能力，則更是一個全面的人才，發展會更好，即：

●誠信的人品

●開闊的視野

●溝通+團隊合作能力

●對理想的執著追求

●跨文化的能力

服務經濟時代需要T型人才，如圖4所示。“橫”代表寬闊的基礎知識，“豎”代表深入的專業知識。

圖4 T型人才

在現代社會中，很多觀點認為T型人才還不夠，還需要∏型人才，除了基礎知識和專業知識外，還要有特別的技能，那樣就會“打遍天下無敵手”。如圖5所示。

圖5 ∏型人才

這里還有一個加強實踐的問題，康德在18世紀末提出的科學研究方法論是：

人類在探索自然時，不應該像個小學生似地聽取老師告訴他們的每一件事；反之，他們應該像一位被任命的法官一樣，迫使自然回答他提出的問題。

事先提出一個關于自然的假設，然后再通過實驗或觀察來迫使自然回答我們的問題，這就是康德哲學。

在IT領域中，問題求解能力很重要。包括：運用創新方法和知識求解問題的能力和實踐動手能力。MIT校訓指出：

I hear，I forget；

I see，I remember；

I do，I understand。

MIT的“不為”原則是：“只要努力一定能成功的課題不做”，即要做沒有把握成功的研究，要重新創造(Reinvention)。

我們在研究中要注重學科交叉與綜合應用，各領域學科交叉與綜合應用的情況如圖6所示。

圖6學科交叉及綜合應用示意圖

計算機科學與現有的物理學、生命科學、社會科學具有很強的交叉性與融合性。

5IT發展實例

5.1銥星計劃(銥星系統)

1987年，摩托羅拉公司的兩位工程師提出一個設想：設計一群由低地球軌道的通信衛星組成的星座，以提供全球范圍內任意兩點的無線通信聯絡。

1991年，摩托羅拉公司決定建立由77顆低軌道衛星(后來衛星的數量減到66顆)組成的空間移動通信網絡，并以在元素周期表上第77位的金屬“銥”(Iridium)來命名——“銥星系統”。投資高達57億美元。

銥星系統的技術十分先進，它采用了星上處理和星間鏈路技術，相當于把地面蜂窩網倒置在空中，解決了衛星網與地面蜂窩網之間的跨協議漫游，最大特點就是通信終端手持化，個人通信全球化，實現了5個“任何”(5W)，即任何人(Whoever)在任何地點(Wherever)，任何時間(Whenever)可與任何人(Whomever)采取任何方式(Whatever)進行通信。

科技界對它評價頗高，如開創全球個人通信的新時代，成為現代通信的一個里程碑；1998年被美國《大眾科學》雜志評為獨一無二的新型衛星電話系統。

然而，十年計劃，一年破產。

1997年6月，銥星公司股票以每股20美元上市，1998年5月飆升到每股70美元；1998年11月1日，銥星系統投入市場；1999年8月13日，銥星公司申請破產保護；但2000年3月17日，銥星公司正式終止其商業服務，宣告破產。

思考銥星系統失敗的原因，可以概括為幾方面：

在經營方面，為了搶占市場匆匆上馬，結果手機供不應求；

在技術方面，手機笨重，初期通話質量差，還不能在室內和車內使用等；

而最根本原因的是對技術發展的預測(forecast)和前瞻(foresight)出現重大失誤，首先它未能預測10年后地面移動通信技術實現了由模擬式向數字式的跨越，而且價格低廉，用戶眾多；第二，它未能預測10年后Internet應用得如此廣泛。

5.2諾基亞公司

諾基亞公司起步的時候是“鄉鎮企業”，80年代主要業務是傳統產業、造紙、膠皮棉靴、電視機；92年砍掉電視機業務，專心發展移動通信，目前已占世界移動通信市場的1/3；1/3職工(約1.3萬人)做 R&D，每年投入R&D 13.5億美元；每月推出一種新產品，市場方面把握正確。

6啟示與體會

計算機學科和現代社會的發展日新月異，機遇前所未有，挑戰前所未有，但機遇大于挑戰。我們教育工作者要適應這種飛躍發展的形勢，只有不斷創新教學理念，改革教學方法，才能培養出具有國際競爭能力和創新能力的人才。