美國計算機專業博士生教育的特點和啟示

李 歡

1 美國麻省大學計算機系博士研究生培養概況

美國麻省大學(University of Massachusetts Amherst)阿默斯特校區(以下簡稱麻省大學)是馬薩諸塞州立大學系統五個校園中的主校園,是美國知名的研究型大學。該校創辦于1863年,坐落在美國東部美麗的新英格蘭地區。

麻省大學計算機系成立于1964年,其研究生教育也有超過40年的發展歷史。由最初的3名教授發展到現在擁有43名教授,其中包括9名ACM計算機學會(Association for Computing Machinery)院士(Fellow)、4名電子和電氣工程師協會(IEEE)院士、5名人工智能學會(AAAI)院士和2名美國科學促進協會(AAAS)院士。麻省大學計算機系在人工智能、網絡與分布式系統、計算理論等多個領域的研究處于世界領先水平。作為美國知名的計算機系,麻省大學計算機系的教育理念是“培養下一代能以創新的方法解決真實世界問題的計算機科學家”(http://www.cs.umass.edu/grads/msphd-requirements)。在這個核心思想的指導下,該系非常注重對博士研究生的培養,為了達到培養學生具備進行原創性科學研究(Original Research)的能力的教育宗旨,該系制定了一套非常嚴格的課程計劃,以培養學生堅實而廣博的基礎知識、良好的科學研究方法和思維習慣。麻省大學計算機系每年大約會收到1000份左右來自世界各國的優秀學生的申請,攻讀其博士學位,而錄取的人數一般保持在30名左右。完善和嚴格的博士研究生培養體系、開放而先進的教育理念,使麻省大學計算機系成為全美最具有競爭力的計算機院系之一。

麻省大學計算機系招收兩種形式的博士研究生:碩士/博士連讀研究生和直博研究生。只有在美國其他大學獲得相應計算機碩士學位,并修完麻省大學計算機系認可的相關課程的學生,才有資格申請直接攻讀博士學位;否則,學生在錄取后必須經過碩士/博士的連續培養才能獲得博士學位。

無論哪種形式,麻省大學計算機系博士生培養大體分為兩個階段:博士生資格學習階段和博士生研究階段。博士生資格學習階段主要是對學生進行基礎知識培養和基本研究能力訓練。學生只有在通過博士資格考試論證,成為正式博士候選(PhD Candidate)人后,才能進入下一步的博士論文研究階段學習。以下是麻省大學計算機系對碩士/博士研究生的培養要求:

(1)Actively participate in research under the guidance of an advisor(在導師的指導下,積極參與研究)

(2)Satisfy 6 Core Requirements (完成6門核心課程的要求)

(3)Complete 42 course credits (core courses taken to satisfy core requirements are included)(完成42個課程學分,其中包括核心課程的學分)

(4)Complete a 6-credit MS Project (完成6個學分的碩士研究項目)

(5)Graduate with an M.S. Degree(申請獲得碩士學位)

(6)Pass the Department Qualifying Exam- Portfolio(通過博士資格考試)

(7)Form a Committee(成立答辯委員會)

(8)Propose a Thesis(提交博士開題報告)

(9)Complete 18 Dissertation Credits (完成18個學分博士論文)

(10)Pass the Teaching Assistant Requirement(完成助教的工作要求)

(11)Pass the Residency Requirement (at least 9 credits in back-to-back semesters) (完成連續兩個學期修9個學分的要求)

(12)Defend and Submit a Thesis (博士答辯和提交博士論文)

本文將以麻省大學計算機系為例,探討美國計算機專業博士研究生培養的一個重要環節——博士研究生課程教育體系的特點,以期為提高我國的計算機專業博士生教育提供借鑒。

2掌握牢固的理論知識是培養優秀博士生的基礎

美國的計算機博士教育非常注重對學生基礎理論知識的培養,為了使學生掌握牢固而廣博的基礎知識,麻省大學計算機系要求每個碩士/博士研究生必須修完6門博士核心課程,而且成績必須達到B+以上。這些核心課程分別屬于計算機科學的三大領域:理論(Theory)、系統(Systems)和人工智能(Artificial Intelligence),課程設置具體如下:

(1) 理論核心課:計算理論(Computation Theory)、高級算法(Advanced Algorithms)

(2) 系統核心課:有三組課程,分別是:

編譯技術(Compiler Techniques)、現代計算機體系結構(Modern Computer Architecture)

數據庫設計和實現(Database Design and Implementation)、高級計算機網絡(Advanced Computer Networking)、操作系統(Operating Systems)

高級軟件工程I(Advanced Software Engineering: Synthesis and Development)、高級軟件工程II(Advanced Software Engineering: Analysis and Evaluation)、程序設計語言(Programming Languages)

(3) 人工智能核心課程:高級人工智能(Artificial Intelligence)、機器人學(Robotics)、信息檢索(Information Retrieval)、不確定環境下的推理(Reasoning and Acting under Uncertainty)、增強型學習(Reinforcement Learning)、機器學習(Machine Learning: Pattern Classification)

根據不同的研究方向,學生可以在六門核心課程的選擇上有所不同,但為了加強理論基礎和掌握知識的廣度,無論哪個研究方向的學生,都必須修完兩門理論核心課程和一門高級人工智能課程,同時,再根據自己的研究方向選修其他三門核心課程。例如,一個系統方向的博士研究生除了修完以上兩門理論和一門人工智能課程以外,還必須修完來自于系統方向不同組的三門系統方向的課程;而一個人工智能方向的博士生則必須修完另外兩門人工智能方向的核心課程和一門系統方向的核心課程。

每門核心課程由教師講授一學期,其中每星期2次課,每次2小時,3個學分。根據內容不同,每門課程一般要安排5～8次書面作業、1次期中考試和1次期末考試。其中,對系統方向的課程來說,每個章節完成后一般還有一次課程項目設計(Course Project),主要要求學生實現相應的算法和進行性能評價。由于核心課程要求高,課程學習內容多,導師和系里會建議學生每學期選學不超過一門的核心課程,所有6門核心課程則在三年內完成。如果成績沒有達到B+,麻省大學計算機系允許學生重修該核心課;但是,如果學生在規定的博士資格考試申請時間前沒有通過全部的6門核心課,則不再具備繼續攻讀博士的資格。

嚴格的核心課程作業、考試制度和淘汰制度,不但使學生牢固掌握了計算機科學各領域的基礎知識,培養了學生勤奮刻苦的專研精神,而且極大地豐富了學生的視野,為學生進入實際科學研究打下了堅實的基礎。

3靈活而完善的博士生選修課程體系是培養創新型人才的重要途徑

美國一流研究型大學博士生教育的目標是培養世界一流的科學家和拔尖創新型人才,為了實現這個目標,美國的博士生教育除了注重培養學生扎實和精深的基礎知識外,還非常注重培養學生的創新思維和發現新問題的探索精神及能力。

如果核心課程體系的設置是培養優秀博士生的基礎,是向學生傳授學科領域的重要基本知識和原理與技術,是學生全面掌握計算機基本理論與方法的重要途徑,那么,選修課的設置則是對學科基本知識的補充,是培養學生學習新的知識和了解并探索前沿研究方向,從而成為創新型人才的重要手段。

麻省大學計算機系的做法是,在博士研究階段,除了要求學生完成18個學分(6門)的核心課程學習以外,還要求完成24個學分(8門)的非核心課程(或稱為選修課)學習。這些選修課大多是關于本學科及相關專業前沿領域近3～5年的新研究方向、研究方法或新技術的相關內容的介紹,一般由教師在每學期開學前提出新的課程計劃,學生則根據自己的研究興趣和職業目標自由選課。通過課程的學習,學生能在最短的時間內了解本學科相關領域的最新研究現狀,更重要的是,在課程的學習過程中,教授會將許多新出現的問題在課堂上和學生討論,同時,通過2～3個課程項目培養學生獨立(或合作)解決新問題的能力,以及教會學生各種探索問題的研究方法。

在教學模式上,可以采用由教授主講的傳統方式,也可以采用以討論為主的方式。以教授為主講的教學模式在此就不再贅述,以下著重描述以討論為主的選修課教學模式。

以討論為主的Seminar是美國計算機院系的教授最常用的選修課教學模式。Seminar的課程設置沒有固定模式,但通常有以下幾方面的特點。

第一,課程的選題一般是近年新出現的有代表性的前沿研究課題。

第二,課程內容的選擇一般來自近年來該領域頂級國際會議的專題論文。

第三,課程內容的組織由教師完成。教師在確定題目后,一般會根據論文的情況將討論的內容分為多個子專題,每個子問題由3～4篇論文組成。課程的開始一般是綜述性的論文或在該領域出現的最早的學術論文,其目的是探討該研究方向出現的新的應用背景需求和所帶來的新的挑戰。其后的每個子專題則將對具體問題和方法進行深入探討。

第四,選課的學生人數一般在20～30人左右,而且通常是由學完了核心課程以后的高年級博士生組成。學生人數太少,論文的覆蓋面可能太小;學生太多,可能導致討論的深度不夠。同時,只有學完了基本理論后,學生才有可能具備較深入分析問題的能力。在Seminar的學習討論中,找到新的研究問題也是該課程設置的重要目的之一。

第五,課堂教學的模式基本上是教師和學生互動的教學方式。教師在第一節課引導學生對該領域的基本問題有了初步認識后,學生將對每篇論文進行評估(Review)、宣講(Presentation)和進行課堂討論。每篇論文的宣講時間是25～30分鐘,課堂討論時間是10～15分鐘。其中教師將引導學生對論文中所研究的問題和關鍵技術進行深入討論,學生參與討論的情況將作為課程考核的重要依據。

選擇合適的題目并對教學討論的內容(論文)進行篩選和組織對開課教師的要求非常高。為了準備一門新的Seminar課,教師一般需要預先通讀該研究方向所有重要國際會議的相關論文,然后根據不同的研究問題對論文分類,并將其中有代表性的論文提煉出來,作為課程學習的論文。在課程項目的設置上,教師會事先準備一些題目,如對某些算法的實現、評估和改進,實現原形系統等,同時也非常鼓勵學生在論文討論的過程中有針對性地提出自己的見解和新的解決問題的方法。

4合理的課程學習安排是培養高質量博士生的有效保證

美國的博士教育是以博士生的最終質量為評判標準,而不是以年限來規定學生的畢業時間。在美國計算機專業,培養一個碩士/博士生一般需要至少5年時間。由于強調博士生專業知識學習的深度和廣度,在整個博士學習階段,博士生都會積極參與課程的學習,并盡可能地將研究項目中的問題和課程學習聯系起來,用所學到的方法或思路來解決新問題。

以麻省大學計算機系為例,雖然學生的背景不同,但為了在保證質量的前提下幫助學生用最短的時間順利完成博士課程要求和博士論文要求,系里建議學生按如表1所示的時間表安排整個博士階段的學習計劃。

麻省大學計算機系不但在本系有完善的研究生課程體系,學生可以根據自己的研究興趣和職業規劃來自由選課,而且也鼓勵學生在其他相關院系選修本系沒有開設但對研究有用的課,如數學系或電子工程系的高級課程。總之,美國博士教育的一個重要特點是強調基礎知識的學習,鼓勵學生以積極的態度參與到課程的學習中,同時訓練學生在課程學習的過程中逐步學會發現問題和研究問題的方法。

5啟示和建議

美國的博士教育強調堅實的基礎理論知識、完善的知識體系和用于探索與創新的研究能力,而這些恰恰是決定博士畢業生日后發展潛力的關鍵。長期以來,我國計算機博士教育主要是通過參與科研項目的形式來對學生進行培養,這種“研究項目驅動型教育”在我國恢復研究生教育的初期起到了很好的推動作用,培養了大批科研人才。但隨著教育本質的回歸和創新型人才培養的需要,從總體來看,我國的這種單純強調研究項目的教育模式培養的博士生,質量與國際先進水平相比還有一定的差距。由于沒有嚴格的博士課程要求和淘汰制度,學生在學習階段往往會忽略對基礎知識的學習和對知識結構的完善。長此以往,必然會影響博士生的研究水平和發展潛力,最終將會影響國家的整體創新能力。

筆者建議,為了使學生掌握牢固的專業基礎知識,同時培養學生在某一學科領域的研究興趣和基本的研究能力,應該首先強調核心課程體系的建設,不論哪個方向的學生都必須通過一定數量的核心課程的學習,如算法、分布式操作系統、人工智能等,這些核心課程應由教師來講授;同時,應嚴格課程的考核制度和課程評價體系。對于選修課,由于其主要目的是擴展學生的視野,培養學生分析問題和研究問題的能力,所以應借鑒國內外Seminar課程的成功經驗,積極有效地激勵教師和學生共同上好Seminar課。

博士生教育是一項復雜而艱巨的系統工程,而其中的課程學習是研究生培養中非常重要的一個環節,如何通過嚴格的培養機制和靈活的培養方法,在給學生傳授基礎知識的同時培養學生分析問題和解決問題的能力;如何將合理的研究生課程體系和研究項目結合起來,嚴格博士生培養機制,完善博士生資格評估體系,從制度上保障博士研究生的質量;以及如何真正教會學生探索科學基本問題的方法,培養學生良好的科研習慣和勇于開拓創新的精神等,是我們在計算機學科建設中應該進一步思考的問題。

參考文獻:

[1] 賈寶余. 資格考試:美國確保博士生質量的關鍵環節[N]. 科學時報,2007-5-7(5).