“互聯(lián)網(wǎng)+量子技術(shù)”復合型人才培養(yǎng)模式研究

曹遠龍，曾 歷，劉清華，蔣長根，雷 剛

（江西師范大學 軟件學院，江西 南昌 330022）

0 引言

隨著全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的發(fā)射升空、全球首臺光量子計算機的誕生，量子信息科學被科學界公認為是第四次工業(yè)革命的標志之一。為了搶占未來科技發(fā)展高地，世界各國都紛紛出臺了量子國家大戰(zhàn)略，旨在培養(yǎng)未來量子技術(shù)專業(yè)人才。美國國家科學技術(shù)委員會和能源部于2016年7月先后發(fā)布了題為《推動量子信息科學：國家挑戰(zhàn)與機遇》和《與基礎(chǔ)科學、量子信息科學和計算交匯的量子傳感器》的報告[1]，報告分析了美國在量子信息科學領(lǐng)域發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)、機遇等，列出了有效推進美國量子前沿取得更大進展的需求。英國政府科學辦公室于2016年12月發(fā)布的報告《量子技術(shù)：時代機會》強調(diào)重視量子應(yīng)用領(lǐng)域，以加速量子技術(shù)的商業(yè)化進程[2]。歐盟也于2018年在“地平線2020”（Horizon 2020）創(chuàng)新框架下，啟動量子技術(shù)研發(fā)旗艦計劃[3]。

1 研究背景

在應(yīng)用層面，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)完成了一個小型量子互聯(lián)網(wǎng)試驗網(wǎng)絡(luò)，并成功運行了兩年多的時間。得益于政府大力支持，我國也建成了世界第一條量子通信保密干線——“京滬干線”量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信技術(shù)也已正式寫入我國“十三五”規(guī)劃綱要。可以看出，以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)時代即將到來。中國智研咨詢在2016年發(fā)布的《2016—2022年中國量子通信市場分析預測及未來前景預測報告》指出：預計到2025年，中國量子通信市場規(guī)模將達到千億級[4]。然而，科學家和行業(yè)代表認為量子信息科學的相關(guān)學科教育，尤其是量子信息與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的交叉學科人才培養(yǎng)遠不能滿足和支撐未來量子互聯(lián)網(wǎng)信息科學的持續(xù)發(fā)展。此外，在我國當前的高校教育中，量子科學和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的交叉學科還沒有形成科學的教育體系。

2 研究意義

以“新工科”發(fā)展為契機，以培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)革命所需的技術(shù)技能人才為目標，以文獻[5]提出的“導師制下的項目驅(qū)動教學模式”為背景，提出新工科背景下‘互聯(lián)網(wǎng)+量子技術(shù)’復合型人才培養(yǎng)模式探究”教學改革，其作用和意義在于以下幾方面。

（1）研究構(gòu)建面向新技術(shù)革命的量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系。融合計算機科學與技術(shù)、軟件工程、物理學、數(shù)學等多領(lǐng)域?qū)W科知識，建立“量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”交叉學科的新工科人才培養(yǎng)體系。

（2）研究構(gòu)建“校—企”多方協(xié)同的“量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合培養(yǎng)工作室”教學模式，形成“校—企”雙導師制下“量子互聯(lián)網(wǎng)”項目驅(qū)動教學法。培養(yǎng)適應(yīng)未來社會發(fā)展和企業(yè)無縫連接的復合型、實用性、高層次的量子科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)人才。

（3）研究針對大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的培養(yǎng)策略，著力打造未來創(chuàng)新人才高地。從“量子互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”“量子互聯(lián)網(wǎng)+新業(yè)態(tài)”“量子互聯(lián)網(wǎng)+公共服務(wù)”“量子互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)支撐平臺”等4個方面培養(yǎng)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維，著力打造未來創(chuàng)新人才高地。

3 研究內(nèi)容

3.1 面向新技術(shù)革命的量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)體系

量子互聯(lián)網(wǎng)是一種運用量子力學原理搭建的未來絕對安全通訊的互聯(lián)網(wǎng)。量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是有效融合以物理學、計算機科學與技術(shù)、軟件工程、數(shù)學為主的多個傳統(tǒng)工科專業(yè)的新工科專業(yè)，是研究自然科學和工程技術(shù)中量子計算、互聯(lián)網(wǎng)理論及其應(yīng)用的一個基礎(chǔ)性專業(yè)，培養(yǎng)學生掌握未來量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本理論與方法，運用物理、計算機科學和數(shù)學知識解決實際問題的能力。量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)培養(yǎng)體系的建設(shè)遵循“基本理論+技術(shù)原理+創(chuàng)新實踐”的設(shè)計思路和原則,以滿足社會未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需人才為培養(yǎng)導向，以學校、企業(yè)、政府多方項目驅(qū)動培養(yǎng)模式為主線和紐帶，以多導師定向培養(yǎng)方式為核心，實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)理論教學、實踐教學和校企協(xié)同教學有機結(jié)合，實現(xiàn)人才培養(yǎng)的全面提升和專業(yè)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

“互聯(lián)網(wǎng)+量子技術(shù)”培養(yǎng)模式特點決定了量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的前沿性和交叉性。近年來，隨著量子力學研究及其應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)以及計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得物理學在量子計算、量子通信及其在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面產(chǎn)生了重大進展，這就要求學生不僅要有良好的物理學基礎(chǔ)知識，還要具備必要的數(shù)學、計算機科學與技術(shù)和軟件工程等基本知識，因此，培養(yǎng)量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)復合型人才首先要進行培養(yǎng)體系的優(yōu)化建設(shè)，以優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)體系建設(shè)為核心，結(jié)合教學內(nèi)容、教學方法和教學手段，設(shè)計培養(yǎng)體系（如圖1所示）。通過學習物理學、數(shù)學、計算機科學與技術(shù)基本理論、基本知識和項目實驗基本技能，掌握量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本知識素養(yǎng)與技能；此外，通過將設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗以及企業(yè)項目貫穿整個培養(yǎng)體系，將量子物理和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新成果、新技術(shù)與新方法引入實驗教學以培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型的復合型量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。

圖1 量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)培養(yǎng)體系設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

與此同時，隨著我國在量子物理領(lǐng)域的大規(guī)模人力、物力投入而帶來的未來量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，該培養(yǎng)體系的教學內(nèi)容與教學模式也應(yīng)當及時更新以適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。

3.2 “校-企”多方協(xié)同的“量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合培養(yǎng)工作室”教學模式以及“校-企”雙導師制下量子互聯(lián)網(wǎng)項目驅(qū)動教學法

為培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)革命和未來量子互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)無縫連接的復合型、實用型、高層次的專業(yè)人才，擬建立“校—企”多方協(xié)同的“量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合培養(yǎng)工作室”，以及實施“校—企”雙導師制下“量子互聯(lián)網(wǎng)”項目驅(qū)動教學法（如圖2所示）。

教學思路和特點包括如下幾方面。

1）學生培養(yǎng)實行導師制。

圖2 “校-企”多方協(xié)同工作室培養(yǎng)教學模式

（1）學生要求。進入“工作室”的學生應(yīng)為大學本科三年級的學生，這些學生在大學一、二年級按照本專業(yè)課程體系要求已經(jīng)完成了計算機科學與技術(shù)、軟件工程、量子物理學等基礎(chǔ)理論課程的學習。

（2）導師選取。導師分為工作室導師和企業(yè)導師兩類，導師應(yīng)具備從事量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學科研工作的能力，能夠組織和帶領(lǐng)學生從事量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)項目的研發(fā)，并以項目研發(fā)為主線組織專業(yè)教學。

該工程大體積混凝土施工自2013年7月6日開始，經(jīng)過近4個晝夜的連續(xù)澆筑，于7月10日結(jié)束，養(yǎng)護3周后拆模，混凝土表面未發(fā)現(xiàn)裂縫，證明所采用的施工方案是可行的。

（3）培養(yǎng)模式。大學本科三年級的整個教學過程在“工作室”中實施，學生在工作室導師全程指導下以量子互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項目開發(fā)為主線進行學習。每位工作室導師每屆負責指導20～30名學生，學生分在具體的項目組從事量子互聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進行相應(yīng)專業(yè)課程的學習。學生在大三暑假進入企業(yè)實習，并在企業(yè)導師指導下，完成本科畢業(yè)論文的撰寫。

（4）學生考核。對工作室學生的考核一般安排在每個學年結(jié)束時進行。項目考核一般以導師組織、項目小組成員參與答辯的形式進行。工作室導師根據(jù)每個項目小組成員在項目開發(fā)過程中的學習態(tài)度、研發(fā)能力、創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作精神和組織溝通能力等進行綜合評分。

2）導師制下的工作室。

（1）組織形式。工作室分為若干個項目開發(fā)小組，每個小組選取1名項目組長。項目開發(fā)小組將密切關(guān)注量子互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的發(fā)展方向和企業(yè)需求，并對學習和研發(fā)內(nèi)容做及時調(diào)整。

（2）項目來源。工作室項目的研發(fā)內(nèi)容應(yīng)該選取與量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的項目。項目本身可以來自企業(yè)需求（也可以由企業(yè)導師指定）、工作室導師的科研課題。項目立項前需報學校相應(yīng)管理機構(gòu)審批，確保具有一定研發(fā)價值并嚴格按照量子互聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)流程標準完成。

（3）學習環(huán)境。工作室布局參照互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)研發(fā)中心，每個工作室分別配備20～30個工位，每個工位配置一臺高性能計算機以及量子互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)設(shè)備或模擬終端。工作室還應(yīng)設(shè)置討論區(qū)，且所有計算機和終端設(shè)備連接寬帶網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)。

3.3 針對大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的培養(yǎng)策略，著力打造未來創(chuàng)新人才高地

2016年世界經(jīng)濟論發(fā)布的《第四次工業(yè)革命：未來的就業(yè)、技能和勞動力戰(zhàn)略》報告指出：世界正在進入第四次工業(yè)革命開始階段。相信在不久的將來，以量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的第四次工業(yè)革命將以前所未有的態(tài)勢席卷而來，因此，高校教育必須更加重視培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和技能，同時幫助大學生建立良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)協(xié)作平臺,激發(fā)大學生的創(chuàng)業(yè)積極性和主動性，以培養(yǎng)具有“量子互聯(lián)網(wǎng)+”思維的高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。

“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系如圖3所示，具體培養(yǎng)策略可以考慮從以下幾個方面入手。

1）以“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系為導向，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維。

建立完善的“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系。從學校層面出發(fā)，建立開放的學術(shù)環(huán)境，增強學生的“量子互聯(lián)網(wǎng)+”研發(fā)能力；建立“量子互聯(lián)網(wǎng)+”項目評價和激勵機制，根據(jù)項目所處階段不同（一般可以分為創(chuàng)意階段和實踐階段），給出不同的評價和激勵機制。從工作室層面出發(fā)，在工作室內(nèi)部定期舉辦歷屆工作室獲獎項目和業(yè)內(nèi)優(yōu)秀創(chuàng)意項目匯報交流會；定期邀請量子互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域知名專家學者、企業(yè)家舉行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)講座，為學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供信息交流和共享的平臺。通過“學校—工作室”兩個層面的積極導向，培養(yǎng)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維。

圖3 “量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系

2）以“校—企”聯(lián)合工作室培養(yǎng)為契機，提高大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

“校—企”聯(lián)合工作室的運行模式與企業(yè)接近，可以說是搭建在校內(nèi)的“企業(yè)實訓基地”。傳統(tǒng)培養(yǎng)模式下學生實習一般安排在假期，多由學生自主選擇，實習效果參差不齊，而工作室擔負起實習實訓基地的功能，實現(xiàn)了“教學—實踐—產(chǎn)品”一體化的專業(yè)技能教學模式，使學生能夠邊學邊研發(fā)，有工作室導師和企業(yè)導師答疑解惑，項目研發(fā)成效將會顯著提升。此外，工作室項目與企業(yè)需求接軌。同時，通過工作室學習的學生進入企業(yè)實習，他們可以在企業(yè)繼續(xù)研發(fā)高質(zhì)量的項目，由此提高大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

3）以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為手段，激發(fā)大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

未來巨大的量子互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟市場使得我們需要重視和創(chuàng)造條件逐步培養(yǎng)大學生的“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)意識與理念。培養(yǎng)大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)意識與理念的途徑包括：工作室內(nèi)創(chuàng)業(yè)計劃書的編制、國家級/省部級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的參與、國家級/省部級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的研發(fā)以及企業(yè)內(nèi)的“量子互聯(lián)網(wǎng)+”項目體驗式學習和培訓。另外，工作室應(yīng)承擔組織學生參賽的職責。通過組織學生參賽，不僅體現(xiàn)了“以賽促學”的理念，更重要的是可以實現(xiàn)高校科技創(chuàng)新成果的迅速轉(zhuǎn)化，能夠形成高校、企業(yè)和市場之間的協(xié)同創(chuàng)新，同時也將激發(fā)大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和理念。

4）創(chuàng)建大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”眾創(chuàng)空間，積極挖掘、扶持和孵化大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”項目。

創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)教育是面向大學生的大眾化教育，孵化“量子互聯(lián)網(wǎng)+”項目則是面向大學生的精英培養(yǎng)。通過對項目及團隊進行考核評價，遴選優(yōu)秀的創(chuàng)業(yè)項目及團隊入駐“量子互聯(lián)網(wǎng)+”眾創(chuàng)空間，并為這些優(yōu)秀的項目提供場地、政策咨詢、配置創(chuàng)業(yè)導師、協(xié)助團隊注冊公司、引薦項目融資等方面的幫助。另一方面，學校“筑巢引鳳”，通過創(chuàng)建大學生“量子互聯(lián)網(wǎng)+”眾創(chuàng)空間，吸引優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊和項目入駐，同時也可以激發(fā)優(yōu)秀學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)積極性。

4 結(jié)語

隨著量子計算技術(shù)的快速發(fā)展以及全球首臺量子計算機的問世，量子計算和量子互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認為可能是人類第四次工業(yè)革命的“引擎”，筆者以“新工科”發(fā)展為契機，提出了面向第四次工業(yè)革命的“互聯(lián)網(wǎng)+量子技術(shù)”復合型人才培養(yǎng)模式，其目的在于融合計算機科學與技術(shù)、軟件工程、物理學、數(shù)學等多領(lǐng)域?qū)W科知識，建立“互聯(lián)網(wǎng)+量子技術(shù)”新工科課程體系，培養(yǎng)適應(yīng)未來第四次工業(yè)革命需求的創(chuàng)新性、高層次人才。本文所提研究設(shè)想將在江西師范大學軟件學院的20多個本科大三工作室作嘗試性和探索性實施。未來力爭進一步完善研究方案并在更大范圍內(nèi)推廣和實施。