新工科背景下計算機系統能力培養的重定位思考

葛方振　劉懷愚　洪留榮　沈龍鳳

摘要：在“新工科”背景下，如何進行計算機系統能力培養是計算機科學與技術專業教育的重要問題。針對新工科的特點，分析了計算機系統能力的新內涵，提出了計算機系統能力的培養方式和計算機系統能力培養的新型師資隊伍要求，并進行了試點改革，說明了試點改革的有效性。

關鍵詞：新工科；工程教育；計算機系統能力；能力培養

中圖分類號：TP314 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0133-02

為實現制造強國戰略目標，推動我國從制造業大國向制造業強國邁進，我國提出了“中國制造2025”規劃。因此，目前我國急需大量具有創新實踐能力的工程技術人才。于是，2017年6月9日新工科研究與實踐專家組成立，提出了新工科的概念。在這次會議上，教育部副部長林蕙青強調，新工科[1]（Emerging Engineering Education，3E）是探索具有國際水平的中國特色工程教育體系，推動我國工程教育，培養我國工程技術人才。與會代表也表示，高校應該積極探索，先行先試，開展新工科研究和實踐，成為新工科建設的推動者和引領者，積累工程教育改革經驗[2]。

隨著工程活動中大數據、云計算、物聯網、人工智能等新技術的廣泛應用，工程生產組織、設計、工藝流程等將呈現全新模式。也就是，新工科要充分體現“新技術、新業態、新產業、新模式”的特點。

計算機科學與技術是新工科體系中的重要學科。計算機科學與技術的基礎性和重要性主要體現在以下兩個方面，一是“計算機類”學科內部交叉，形成了新技術行業，數字媒體技術、機器人、信息空間安全、智能系統等；計算機與其他學科交叉，形成“計算機+”的新專業，如電子商務、生物信息技術、數字化制造、智能醫療等。因此，在新工科背景下計算機科學與技術專業學生應該具有厚重的專業基礎，才能為社會培養可持續競爭力的創新型人才。

于是，新工科背景計算機系統能力應該是當前計算機科學與技術專業學生必備的基礎能力，是計算機科學與技術專業建設的重要任務。那么，新工科背景計算機系統能力的新內涵是什么？需要怎樣的培養體系或培養方法？需要具備怎樣的師資隊伍？

1 計算機系統能力的新內涵

自2006年，我國提出“核高基”專項之后（“核高基”即是核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品的簡稱），很多學者就提出，計算機專業課程體系要突出計算機系統能力培養，提高計算機類專業本科教學質量和水平，培養具有引領行業發展的高素質人才。在這一階段，計算機系統能力是指能運用系統觀理解計算機系統的整體性、關聯性、層次性、動態性和開放性，并用系統化方法，掌握計算機硬軟件協同工作及相互作用機制的能力[3]。本定義包含系統分析能力、系統設計能力和系統驗證能力三個方面：其中系統分析能力指給定系統結構和輸入，分析系統輸出的能力；系統設計能力就是給定系統輸入和輸出，綜合出系統結構的能力。

然而新工科背景下，計算機系統能力應該是：1）動態性：以不變應對變化、塑造未來為理念；2）創新性：繼承與創新相結合，以學科交叉與融合為手段；3）多元化：與時俱進，以多元化創新為目標。

因此，新工科下計算機系統能力是一種創新型工程教育方案，反映了將來工程教育的形態，社會需要的人才結構、質量標準。

2 計算機系統能力的培養方式

基于上述對“新工科”建設背景的理解，本文以淮北師范大學計算機科學與技術專業（國家級特色專業）為例，結合IEET（中華工程教育學會）工程教育認證[4]，探討計算機系統能力培養的新方式。

1） 體現特色和優勢，激發新工科學生的求知欲、創新精神

目前，許多高校積極響應教育部要求，推進“新工科”建設，開展多學科交叉研究。針對計算機科學與技術專業系統能力培養，需要各個高校根據自己的專業特色、辦學定位，培養學生掌握知識、認識世界的能力，自我控制能力，激發學生大膽改革、實踐創新，體現計算機工程人才的新素養、新能力。

2） 重構核心知識，提升新工科學生的自拓展能力

計算機科學與技術學科的知識涉及哲學、社會、數學、物理、信息、通信、科技以及工程等諸多學科領域，必須重構知識體系，實現通識教育與專業教育的有機結合，強調“大通識”教育，根除以增加課程方式的教育思想，拓寬學生知識面，改善學生的知識結構、培養學生的自拓展能力，即學生學習完成核心課程所蘊含的理論規律，應該具有解決對相關領域問題的能力，并自行拓展和提高。為此，我們重構了了新工科背景下的計算機系統能力的核心內容。

計算機系統能力培養涉及的課程有：C語言、匯編語言、計算機組成原理、模擬電路、數字邏輯、操作系統和編譯技術等課程，這些課程之間在大學生學習過程中，有時同一知識在不同課程中，存在知識講解不夠完善，學生理解不全面；有些知識點，有先導和后續關系，但在不同課程中，存在講解順序顛倒，學生理解困難。因此，在新工科背景下，重構計算機系統的核心知識，夯實學生核心知識、厘清知識點之間的聯系，設計層次化、網絡化的知識聯系，如表1所示。新工科背景下，講授這些核心知識，必須考慮納入現代技術工具課程，提高學生使用現代技術工具的能力，提升學生的技術理解能力。

3） 緊跟學科競賽發展

為了提高學生的計算機系統能力培養，鼓勵指導老師帶領學生參加學科競賽，緊跟學科前沿。在“大眾創業、萬眾創新”時代，帶領學生參與企業工程項目，培養學生的創新能力，積極探討工程項目與學科競賽的切合點，不僅增強了學生的實踐動手能力，還培養學生的實戰運用能力，“以賽代教”提高學生計算機系統能力。參與學科競賽容易培養學生以問題為導向的思維模式，進而形成獨立思考和綜合判斷能力。同時，促進教學模式改變，形成交流—質疑—辯論迭代的教學模式。

3 新型的師資隊伍

傳統工科建設要求教師知識淵博、教學水平高、工程經歷豐富、工程能力強、綜合素質高，基本上是“大學教師+準工程師=工科教師”。新工科背景下，教師隊伍的優勢應該突出專業的學科交融特征和產業性，針對計算機科學與技術專業的教師應該具備以下素質和能力：

首先，在知識面上，關注一些新興、交叉和前沿學科，特別是與本學科相關的云計算、物聯網、大數據、人工智能、機器人工程等前沿科學。使教師不僅對承擔教學任務熟悉，還要本學科專業領域相關的新技術的出現和發展比較熟悉。

其次，在先進的工程經歷，要對先進技術使用和工程過程熟悉，有從事先進工程的經歷，積累了一些解決前沿問題的經驗，對先進工程設備的操作步驟比較熟悉，并且與企業有合作經驗。

最后，在產業能力上，具有運用多學科知識解決大型工程的能力，特別是以“互聯網+”平臺的工程問題，能夠應對和處理人工智能、機器人工程等未來工程的能力。

4 試點改革

基于上述定位思考，2016年10月起，對我校“卓越工程師班”學生進行了教學改革試點。對15名學生進行專業基礎和前沿教育，主要采用專題講座的形式。基礎知識主要講授計算機系統[5]，前沿知識培訓圖像處理技術，深度學習算法等知識。然后，在有企業工作經歷的導師帶領下，研究與企業合作項目“智能太陽能電池片切割系統”。經過一年的鍛煉，這些學生不僅掌握了計算機系統的基本知識，還對圖像處理、深度學習技術有深刻的理解，加強了理論與實踐相結合，提高了學生的分析問題能力、建模設計能力以及前沿工具的使用能力，解決實際工程問題的能力有顯著提高。

參考文獻：

[1] 教育部高等教育司. 關于開展新工科研究與實踐的通知[z]. 教高司函[2017]6號.

[2] 陸國棟， 李拓宇. 新工科建設與發展的路徑思考. 高等工程教育研究[J]. 2017.3， P20-21.

[3] 劉衛東， 張悠慧， 向勇， 王生原， 李山山. 面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J]. 中國大學教學， 2014（8）：50-52.

[4] 陳國鐵， 王健. 臺灣地區IEET工程教育專業認證的現狀及啟示[J]. 中國建設教育， 2014（1）.

[5] 布賴恩特（Bryant，R.E.）（美）， 龔奕利， 賀蓮. 深入理解計算機系統[M]. 北京： 機械工業出版社， 2016.11.