言 十

編者按：繼上期刊發(fā)《論新工科建設(shè)及計算機與軟件工程學(xué)科的作用》，本期言十文章以新工科建設(shè)為背景，針對新工科建設(shè)中數(shù)量最多、影響最大的計算機類專業(yè)中的系統(tǒng)能力培養(yǎng)進行探討，針對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內(nèi)涵、培養(yǎng)的現(xiàn)狀以及新工科系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究項目進行深入分析和論述，以期為提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量提供借鑒，有力推進新工科建設(shè)。

0 引 言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，計算系統(tǒng)及其應(yīng)用不斷呈現(xiàn)出新的特征，形成了嵌入式計算、移動計算、并行計算、智能計算、服務(wù)計算等多計算平臺并存和融合的計算模式，處理的對象也呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化、大數(shù)據(jù)化和智能化需求的特征，新形勢下對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求也發(fā)生了極大的變化。教育部新工科建設(shè)就是為了使當(dāng)前的工科教育更好地適應(yīng)這些變化，培養(yǎng)出具有持續(xù)競爭力的人才。

肩負(fù)新型計算系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的計算機類專業(yè)人員需要深入了解和掌握計算機系統(tǒng)內(nèi)部的工作機制和原理，具有比以往更多、更深入的系統(tǒng)級的設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用能力，才能較好地適應(yīng)未來新經(jīng)濟和智能時代的需求。

在工科專業(yè)類中，信息類專業(yè)布點、畢業(yè)生數(shù)量、在校生數(shù)量都約占30%。而在信息類中計算機類專業(yè)點又占比近半[1]，因此計算機類專業(yè)是新工科建設(shè)中數(shù)量最多、影響最大的專業(yè)。在新工科的計算機類專業(yè)建設(shè)和教育提升中，系統(tǒng)能力培養(yǎng)是首當(dāng)其沖的重要內(nèi)容，系統(tǒng)能力培養(yǎng)具有比以往更加迫切的要求[2]。

在信息技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用的新形勢下，系統(tǒng)能力培養(yǎng)在理論和實踐上對未來計算機類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)水平和質(zhì)量具有重大意義和影響。

1 系統(tǒng)能力培養(yǎng)內(nèi)涵

隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建立和個人移動設(shè)備的大量普及使用，計算機人才培養(yǎng)強調(diào)的“程序性開發(fā)能力”也正在轉(zhuǎn)化為更重要的“系統(tǒng)性設(shè)計能力”。為了應(yīng)對各種復(fù)雜的計算機應(yīng)用，編寫出各類適合不同平臺的高效程序，應(yīng)用開發(fā)人員必須了解不同系統(tǒng)平臺的底層結(jié)構(gòu)，并熟練掌握其中的技術(shù)和工具，培養(yǎng)相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域方面的整體系統(tǒng)觀以及能夠進行軟硬件協(xié)同設(shè)計的貫通能力。在這些方面，我們與國際上發(fā)達國家的差距還不小。重大裝備或者重大應(yīng)用的研發(fā)，都不是單項技術(shù)的開發(fā)，而是要求整體的系統(tǒng)層面綜合設(shè)計，通過軟硬件協(xié)同實現(xiàn)開發(fā)方案的最優(yōu)化，以強大的底層技術(shù)保證各項功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)能力是計算機人才的關(guān)鍵能力。

系統(tǒng)是若干相互聯(lián)系、相互作用和相互依賴的部件結(jié)合而成的，具有一定結(jié)構(gòu)和功能并處在一定環(huán)境下的有機整體。系統(tǒng)能力是依據(jù)確定的系統(tǒng)功能，設(shè)計與開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)工程目標(biāo)的能力。

從計算機教學(xué)的角度來說，可以將涉及系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機系統(tǒng)劃分為3個層次。

（1）運用數(shù)學(xué)和物理原理，設(shè)計和開發(fā)計算機運行系統(tǒng)，包括中央處理器（CPU）、操作系統(tǒng)及編譯系統(tǒng)，這是計算機最基本的系統(tǒng)，稱為計算機基礎(chǔ)系統(tǒng)，相關(guān)課程包括數(shù)字邏輯、計算機組成、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等。

（2）運用計算機基礎(chǔ)系統(tǒng)原理，設(shè)計和開發(fā)計算機領(lǐng)域的專門系統(tǒng)，如軟件開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、平臺系統(tǒng)等，稱為計算機領(lǐng)域系統(tǒng)。

（3）運用計算機專業(yè)系統(tǒng)原理，設(shè)計和開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，如數(shù)字制造系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等，稱為計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的范圍可以涉及這3個層次中的1個或者多個。計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本內(nèi)容是掌握系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的接口、運行協(xié)同以及系統(tǒng)內(nèi)部各部件的邏輯關(guān)聯(lián)，了解系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性與人機交互模式，強調(diào)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度實現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)功能。具備了系統(tǒng)能力，計算機的應(yīng)用和創(chuàng)新能力也會由此得到強化與提升[2]。

系統(tǒng)能力包括系統(tǒng)知識和工程實踐。系統(tǒng)知識是掌握計算機核心系統(tǒng)的工作原理、構(gòu)造方法、軟硬件協(xié)同、層次間邏輯關(guān)聯(lián)，工程實踐是用工程方法開發(fā)計算機應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)能力的培養(yǎng)具有突出的工程教育特征，是解決復(fù)雜工程問題的直接體現(xiàn)。與其他專業(yè)學(xué)生的計算機基礎(chǔ)和應(yīng)用能力相比，計算機類專業(yè)學(xué)生應(yīng)突出強調(diào)計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)是改造升級現(xiàn)有高等學(xué)校的計算機類專業(yè)教育，加強新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，推動高新技術(shù)與計算機類專業(yè)的知識、能力、素質(zhì)要求深度融合，探索計算機類專業(yè)改造升級的實施路徑，提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展的整體素質(zhì)和能力。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)觀教育對于計算機類所有專業(yè)及各培養(yǎng)方向均適用。我們需要積累豐富的教學(xué)資源，形成有價值的實踐經(jīng)驗，以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為抓手持續(xù)提升計算機類專業(yè)辦學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 現(xiàn) 狀

目前，國內(nèi)高校計算機類專業(yè)教學(xué)對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究改革和重視程度不夠，因而培養(yǎng)的學(xué)生在系統(tǒng)能力方面存在一些問題，不能滿足社會、學(xué)科技術(shù)發(fā)展和用人單位的要求。首先，不能很好地建立計算機系統(tǒng)完整概念，缺乏系統(tǒng)觀，無法解決系統(tǒng)層面的問題；其次，對于計算機系統(tǒng)的核心內(nèi)容掌握不夠，大部分學(xué)生難以勝任復(fù)雜的涉及軟/硬件協(xié)同設(shè)計的任務(wù)；第三，由于沒有很好地建立課程之間內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，學(xué)生綜合分析、設(shè)計和應(yīng)用能力也較差；最后，系統(tǒng)性的綜合實踐環(huán)節(jié)缺乏，學(xué)生系統(tǒng)實踐動手能力較差[2]。

國內(nèi)外在系統(tǒng)能力培養(yǎng)上已經(jīng)取得許多相關(guān)研究進展。ACM/IEEE CS2013、SE2014、CE2016、IT2017等規(guī)范在知識結(jié)構(gòu)方面調(diào)整的重點是進一步加強了系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，國際上CMU、Stanford、UC Berkley等高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面已經(jīng)有很好的成效。

從2010年初起，針對計算機類專業(yè)中教育存在的問題，教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會（以下簡稱教指委）就開始組織進行計算機類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究和實踐。由浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科技大學(xué)等高校的相關(guān)教授，以及機械工業(yè)出版社華章公司和高等教育出版社計算機分社負(fù)責(zé)人共同組成研究小組，進行了關(guān)于計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)知識、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的深入研究與實踐。研究小組明確提出了適合于我國高等教育計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系改革總體設(shè)置思路，并對相關(guān)的主要課程內(nèi)容及其實踐內(nèi)容進行了規(guī)劃[3-4]。

以上先行一步的8所示范高校計算機學(xué)院已經(jīng)在不同范圍和程度上，對計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)進行了相關(guān)探索、研究和實踐，取得了較好的進展，起到了高校計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)示范院校的作用。近3年來，教指委已經(jīng)設(shè)立了3批共約80所高等院校進行有關(guān)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究課題和試點，成立了5個省級區(qū)域的工作組，發(fā)揮示范、合作和帶頭院校作用，推動試點工作深入展開，取得了良好的效果，目前正規(guī)劃在國內(nèi)高校進行更大范圍的推廣。

當(dāng)前計算機類專業(yè)教育在理論知識教學(xué)上，正在建立新的系統(tǒng)級綜合性課程，強化系統(tǒng)知識，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內(nèi)容，使這些核心課程之間的內(nèi)容聯(lián)系更緊密、銜接更加順暢，整體系統(tǒng)性更強；同時需要加強系統(tǒng)實踐動手能力培養(yǎng)，著力研究建設(shè)充足配套的實踐環(huán)境和內(nèi)容。

在教指委的研究和指導(dǎo)推進下，國內(nèi)主要有以下3種系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式[2]。

（1）采用引進教材《深入理解計算機系統(tǒng)》（Computer Systems: A Programmer’s Perspective ，CMU1-213）或者《計算系統(tǒng)概論》（Introduction to Computing Systems，CMU18-447）。有的學(xué)校還借鑒國外課程教學(xué)方式、實驗和過程，與國外高校密切合作。

（2）采用由南京大學(xué)袁春風(fēng)教授編寫的《計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)》。該教材將高級語言程序、匯編語言、編譯和鏈接、組成原理、操作系統(tǒng)等相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容有機貫穿起來，以建立完整的計算機系統(tǒng)概念。

（3）融合課程群內(nèi)容并進行系統(tǒng)實踐。將核心課程群數(shù)字邏輯、計算機組成、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等教學(xué)內(nèi)容整體規(guī)劃，連通實踐環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)目標(biāo)是設(shè)計實現(xiàn)一個CPU、一個操作系統(tǒng)、一個編譯器；改革思路是課程體系整合重構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)造的內(nèi)在邏輯關(guān)系，梳理課程群知識體系，在統(tǒng)一硬件實驗平臺上實現(xiàn)計算機軟硬件的物理綜合，以MIPS或者ARM指令集為基礎(chǔ)，逐步建立并深化系統(tǒng)觀念[5-6]。

采用以上3種模式進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)都取得了很好的進展和成效。近3年來為進一步深入研究和實踐系統(tǒng)能力培養(yǎng)，教指委還組織了全國高校系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇、中國計算機教育大會、中國計算機大會系統(tǒng)能力培養(yǎng)專題論壇等進行專題教學(xué)交流；組織了系統(tǒng)能力方面有關(guān)新課程的研究和新教材的編寫；組織成立了“高等學(xué)校計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究”產(chǎn)學(xué)合作工作組，規(guī)劃投入專項以支持系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究和實踐；進行了全國高校范圍的教師培訓(xùn)和導(dǎo)教，包括相關(guān)課程的理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)；啟動了系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽等。

3 新工科系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究項目

在教育部新工科研究實踐項目中，教指委申請并獲批了計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的項目。該項目的工作目標(biāo)是改造升級一批高等學(xué)校傳統(tǒng)計算機類專業(yè)，加強新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，推動高新技術(shù)與計算機類專業(yè)的知識、能力、素質(zhì)要求深度融合，探索計算機類專業(yè)改造升級的實施路徑，提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展的整體素質(zhì)和能力。該項目主要研究內(nèi)容包括以下幾方面。

（1）研究分析新經(jīng)濟對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)提出的知識、能力和素質(zhì)新要求；研究新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方式、培養(yǎng)方案、新的知識框架及內(nèi)容；研究新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平的評價標(biāo)準(zhǔn)、與培養(yǎng)方案對應(yīng)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)分類分層次的新的課程體系及課程主要內(nèi)容。系統(tǒng)能力培養(yǎng)分類分層次實踐教學(xué)體系，包括各個課程的實踐環(huán)節(jié)、綜合課程設(shè)計等內(nèi)容。

（2）組織編寫和出版系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材，主要側(cè)重在對應(yīng)新工科課程體系的核心和專業(yè)拓展2個層次的課程教材建設(shè)上；撰寫和發(fā)表與該項目相關(guān)的教學(xué)研究論文。

（3）發(fā)揮好示范和帶頭高校的作用，進一步推動系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點學(xué)校的工作，組織進行省或者跨省范圍的區(qū)域性試點學(xué)校的指導(dǎo)、交流和研討；舉辦各種類型和層次的全國高校系統(tǒng)能力培養(yǎng)研討和交流大會，舉辦系統(tǒng)能力方面的教師培訓(xùn)班、導(dǎo)教班，提升講授新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力相關(guān)課程的師資水平；舉辦全國高校系統(tǒng)能力競賽，進一步調(diào)動教師和學(xué)生的積極性，以賽促學(xué)，以賽促教。

（4）提供校企合作的平臺和聯(lián)合研究，企業(yè)通過發(fā)布項目、提供需求、提供實踐環(huán)境和內(nèi)容等方式推動高校的系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作取得實質(zhì)性成果。

該項目的創(chuàng)新之處是通過研究、示范、試點和推廣，推進計算機類專業(yè)教學(xué)改革，從理論和實踐上全面提升計算機類專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，以適應(yīng)未來計算機科學(xué)技術(shù)和新經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，滿足未來智能時代社會應(yīng)用的迫切需求。

教指委深入研究分析新經(jīng)濟對傳統(tǒng)工科專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求，調(diào)查若干國外高校本科生教學(xué)在計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的一些做法和思路，通過借鑒國外大學(xué)的經(jīng)驗，面向人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，結(jié)合智能時代信息技術(shù)和社會發(fā)展趨勢以及我國高校計算機人才培養(yǎng)的特點，提出了適合我國高等教育計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系改革總體思路，并對相關(guān)的主要課程內(nèi)容及其實驗內(nèi)容進行了規(guī)劃。

在理論知識教學(xué)上，需要建立新的系統(tǒng)級綜合性課程，強化系統(tǒng)知識，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內(nèi)容，使這些核心課程內(nèi)容之間的聯(lián)系更緊密、銜接更加順暢、整體系統(tǒng)性更強；同時針對系統(tǒng)實踐能力弱的問題，需要特別加強系統(tǒng)實踐動手能力培養(yǎng)。教指委把課程分成3個層次：計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程、重組內(nèi)容的核心課程以及側(cè)重不同計算系統(tǒng)若干相關(guān)平臺的專業(yè)拓展和應(yīng)用課程。目前已經(jīng)在第1層次的研究和實踐上取得較好的進展，該項目將對第2和第3層次進行深入研究、實踐和推廣應(yīng)用。

我們應(yīng)著力研究并建設(shè)充足配套的實踐環(huán)境和內(nèi)容，把相應(yīng)的系統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)放在重要位置予以加強。參加該項目的企業(yè)要結(jié)合自己的特色，提供實踐平臺和內(nèi)容方面的大力支持。已經(jīng)實施的基于MIPS的實踐平臺和內(nèi)容要改進，進一步貼近新技術(shù)發(fā)展；同時在ARM作為應(yīng)用主流的技術(shù)發(fā)展趨勢下，必須要研究、開發(fā)、試點和推廣基于ARM的實踐平臺和內(nèi)容。

在教育部新工科建設(shè)的強力推動以及計算機學(xué)科技術(shù)迅速發(fā)展和社會應(yīng)用的迫切需求下，該項目的研究、試點和推廣將持續(xù)推進4年以上，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，積累豐富的教學(xué)資源，形成有價值的實踐經(jīng)驗，以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為抓手持續(xù)提升計算機類專業(yè)辦學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。具體措施和研究方式主要包括以下幾方面。

（1）深入分析研究，提出改革方案。組織研究小組，進行國內(nèi)外深入調(diào)查、分析和研究；提出和建立新的計算機專業(yè)本科教學(xué)課程體系，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內(nèi)容；研究提出新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平的評價標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提倡示范院校帶動。在新工科知識結(jié)構(gòu)和課程體系下，要進一步推動示范院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作，進行關(guān)于計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)知識、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的深入研究和分析，進一步提升對試點學(xué)校系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作的指導(dǎo)。

（3）總結(jié)試點經(jīng)驗，向全國范圍推廣。根據(jù)所在院校的特色和目標(biāo)，扎實推進試點工作，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究實踐的有效做法、課程內(nèi)容、實踐環(huán)境和內(nèi)容等按照不同類型和層次向全國高校計算機類專業(yè)推廣應(yīng)用。

（4）加強教師培訓(xùn)，加快教材編寫，發(fā)表相關(guān)的教學(xué)研究論文。推進教師系統(tǒng)能力理論和實踐培訓(xùn)工作，加快以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為核心的新教材編寫工作，特別要把重點放在第2核心層次和第3專業(yè)拓展層次課程教材的編寫上。

（5）檢查交流促進，以競賽提高水平。通過系統(tǒng)能力培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的實施，衡量整體系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平并促進其提高；通過每年舉辦系統(tǒng)能力全國高校競賽，促進高校間互相學(xué)習(xí)，調(diào)動學(xué)生對系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)掌握的積極性。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)能力是計算機類專業(yè)人員創(chuàng)新的基礎(chǔ)保證，系統(tǒng)能力培養(yǎng)將積極提高學(xué)生創(chuàng)新能力，這非常切合新工科積極應(yīng)對變化、引領(lǐng)創(chuàng)新的要求以及“雙一流”提高本科學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)。要通過系統(tǒng)能力培養(yǎng)的過程，不斷探索新經(jīng)濟變化背景下的工程教育新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時代和未來變化的卓越計算機類專業(yè)工程人才。系統(tǒng)能力培養(yǎng)將有力地提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量，促進新工科建設(shè)的深入展開。