數字經濟視域下的計算機系統能力培養模式

樊媛媛，梁慶中，胡成玉，曾德澤

（中國地質大學〔武漢〕計算機學院，湖北 武漢 430074）

一、數字經濟視域下的人才需求

“數字經濟”自2017年首次提出以來，至今已經是第5次寫入政府工作報告。《2022年政府工作報告》提出，“促進數字經濟發展”“建設數字信息基礎設施”“發展智慧城市、數字鄉村”“加快發展工業互聯網”“培育壯大集成電路、人工智能等數字產業”等［1］。隨著新一輪工業革命與產業革命的孕育興起，以大數據、云計算、物聯網、區塊鏈、AI為代表的新一代信息技術由理論研究階段轉向產業化應用階段，為我國的數字化基礎設施提供了重要支撐［2］。因此，在數字經濟視域下，對涵蓋信息技術、通信技術以及數據技術等各領域的綜合性信息類人才，提出了更高的需求［3］。

二、系統能力培養面臨的主要挑戰

從數字經濟視野下的人才需求來看，其對能力的要求，對應了計算機系統能力所包含的計算機基礎系統能力、計算機領域系統能力和計算機應用系統能力三個方面［4］。針對計算機系統能力培養，教育部計算機科學與技術專業教學指導委員會專門成立了系統研究組，面向計算機專業系統能力培養開展了教學研究［5］。國內不少高等學校，如清華大學［6］、浙江大學［7］、北京航空航天大學［8］、華中科技大學［9］等也在不同程度上探索和實踐了促使計算機系統整體能力提升的教學模式，中國地質大學（武漢）在網絡工程專業的人才培養中，也積累了一定的經驗［10］。但正如吳建平院士2019年在《計算機系統能力培養》的主題報告中所說的，我國計算機專業人才的能力需求會隨著計算機產業的發展而發生變化。根據兄弟院校的經驗，結合中國地質大學近年來的培養過程積累，以及對畢業生的跟蹤調查，目前在計算機科學與技術專業的系統能力培養方面仍面臨著一些挑戰。

一是對數字經濟的適應性不足。隨著數字經濟內涵的進一步豐富，對計算機系統的定義，已從傳統的“computer”擴展到了現在的“computer+-control+communication”。而在目前的系統能力培養模式中，課程體系的構建與串聯，主要還是基于“CPU+接口+操作系統+編譯系統”的單系統模式，對于系統中的控制、通信部分沒有很好的串聯。

二是對學生的創新性培養有限。在目前的系統能力培養模式中，通過打通數字邏輯電路、匯編語言程序設計、計算機組成原理、操作系統及編譯原理等核心課程及其實踐部分，能夠很好地讓學生全面掌握計算機系統的知識點，并培養計算機系統的設計能力。但這類實踐任務的目標統一，留給學生自主創新的空間較小，導致大部分學生的設計產出差異性不大。

三、培養模式的構建

針對以上挑戰，我們進行了計算機科學與技術專業人才培養模式和途徑的研究，對其培養目標、教學體系、實踐體系以及師資支撐等方面開展了系統探索，構建并實踐了計算機專業人才培養體系，提出了以構建系統觀為核心的人才培養模式。

（一）以系統觀為核心的教學課程體系建設

為了使計算機科學與技術專業的畢業生能夠具備計算機系統，特別是網絡系統的基本原理與系統開發能力，我們將系統能力分為5個大方向，即數學基礎、計算機軟件基礎、計算機硬件基礎、計算機網絡基礎、計算機應用基礎，圍繞這5大基礎能力，構建了如圖1所示的教學課程體系。

圖1 計算機科學與技術專業課程體系

整個課程體系以數學理論為基礎，即“微積分”“離散數學”“線性代數”以及“概率論與數理統計”。這幾門課程帶給學生的數學基礎與素養是繼續學習其他相關數學課程以及計算機理論的基礎。同時，融入了更多的通信理論知識，將“信號與系統”課程納入專業課程體系。

在打牢數學和通信基礎的前提下，將專業課程分為四大板塊，即軟件基礎、硬件基礎、網絡基礎以及應用基礎。計算機軟件基礎主要培養學生的系統軟件開發能力，具體包括“高級語言程序設計”“數據結構”“操作系統原理”“數據庫系統原理”“編譯原理”等課程。在計算機硬件基礎方面，則包括“數字電路與邏輯設計”“匯編語言程序設計”“計算機組成與接口技術”“計算機體系結構”等課程。在這方面的課程設計上，需要充分考慮計算機硬件系統設計思想對計算機軟件系統的指導與影響，以硬件設計思想指導軟件實踐能力是應對去“透明化”的重要舉措。針對計算機網絡方向的知識與系統開發，我們設置了“通信原理”“計算機通信與網絡”“計算機網絡安全”以及“計算機網絡程序設計”等課程內容。通過設置這種課程體系，希望該專業學生能夠深入理解網絡通信原理、協議設計思想以及網絡程序設計等系統知識［11-12］。

（二）貫穿式一體化課程實踐體系建設

為了解決數字經濟視野下的實踐課程體系缺乏整體性與關聯性的問題，圍繞“能力分解、階梯推進”，構建了“一生一系統”課程實驗整合思路和基于階段項目訓練的課程體系建設規劃，如圖2所示。專業課程的實踐環節除了能保障實踐技能培養外，還兼顧關聯后續課程，對專業課程的實驗環節進行了重組和系統性規劃。

基于貫穿式的課程實踐體系，完成了兼具專業深度與廣度的課程實踐內容串聯。在深度方面，“一生一系統”完成了嵌入式系統設計、操作系統移植、網絡協議設計與應用展示等復雜系統實施的縱向流程，集成了計算機類具有連貫性的前序、后序課程，相比傳統幾門相互獨立的課程，“一生一系統”能夠讓學生更加系統、深入地掌握知識。且縱向每個階段的知識體系都較為完整，比如操作系統移植的過程，需要學生掌握多任務系統設計/外設驅動等，單從計算機操作系統的本科教學來講，是很完整的工作。在廣度方面，“一生一系統”是計算機體系、計算機網絡、大數據與人工智能的完美結合。此外，除了掌握課程體系的知識外，學生還需要學習和掌握項目管理、系統集成及實施維護等知識。

（三）構建多維度的人才培養模式

為了讓人才培養具備數字經濟視野，我們同樣注重創新思想與能力培養，具體可為課內外和產教研融合兩個方面。從課內延伸到課外的實踐實習是高層次人才培養目標實現的重要途徑，理論學習存在依賴性，學生僅專注于課堂的內容會導致視野的狹窄和思維方式的固化。通過讓本科生走進實驗室參加科研項目，實踐學科的交叉融合，為其今后參與科研工作或進一步學習做鋪墊。同時，要鼓勵學生參加各種計算機競賽和實踐活動，安排專業教師“一人帶一隊”，以培養學生的創新創造、動手實踐、臨場應變能力和團隊合作等多種能力。產教研融合是課內外的進一步延伸，其原則是讓學生在相對實際的研發及生產環境下，進一步強化系統觀念，并提高系統能力。通過對實際生產環境與教學環境、實驗室環境不同的對比認識，使學生加強對理論聯系實際的重視以及對現實生產工作的思考。我們可以邀請業界專家進行專題講座，從企業實踐角度，拓寬學生視野；同時支持學生到企業進行生產實習，提高學生的創新創業實踐能力［13-14］。

結語

我國數字經濟的發展，對計算機科學與技術專業人才的系統能力培養提出了新的挑戰。本文面向數字經濟視野下的學科融合及工程能力要求，以綜合型計算機科學與技術專業人才為培養目標，將實現這一目標所需的計算機系統與網絡理論知識及實踐能力分解為基礎編程能力、應用開發能力以及系統創新能力等，對應于計算機系統能力培養所要求的基礎系統能力、領域系統能力與應用系統能力。通過梳理現有的課程體系結構，將分解的知識與能力下放至理論課程與實踐課程中，構建了迭代式課程教學體系、貫穿式課程實踐體系以及多維的人才培養模式。