毛艷艷 ,馮煙利謝青松程大鵬何 凱

（1．山東工商學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2．中國石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

近年來,隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度交叉融合,我國新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的步伐不斷加快。自2017年2月以來,從“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”到“北京指南”,新工科的研究與建設(shè)工作已經(jīng)漸入佳境。教育部強(qiáng)調(diào),我國的工程教育要對(duì)國家的重大強(qiáng)國戰(zhàn)略做出積極響應(yīng),使當(dāng)前高校的工科教育更快更好地適應(yīng)新形勢(shì)的發(fā)展,從而培養(yǎng)出大量滿足當(dāng)前社會(huì)需求的具有持續(xù)競爭力的卓越工程人才[1]。計(jì)算機(jī)類專業(yè)是新工科建設(shè)體系中的重要組成部分,一方面計(jì)算機(jī)類專業(yè)的內(nèi)部交叉融合,形成了人工智能、機(jī)器人工程等新技術(shù)行業(yè);另一方面計(jì)算機(jī)專業(yè)與其他學(xué)科深度交叉,這些領(lǐng)域包括智能醫(yī)療、智能制造、新能源工程等。

在新工科的背景下,計(jì)算機(jī)類專業(yè)的高素質(zhì)人才需求大幅度增加,與計(jì)算機(jī)相關(guān)的工程問題也日趨復(fù)雜,而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的畢業(yè)生缺乏分析和解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。因此,新工科背景下的計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革迫在眉睫,成為了當(dāng)前人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容。

1 新工科背景下系統(tǒng)能力特點(diǎn)

在新工科背景下進(jìn)行系統(tǒng)能力教學(xué)改革主要分為以清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)為代表的3種模式[3-5]。清華大學(xué)劉衛(wèi)東老師根據(jù)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求,提出了“注重系統(tǒng)、強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)能力”的教學(xué)理念,統(tǒng)一規(guī)劃理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐課程體系,利用自主開發(fā)的硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)THINPAD統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。北京航空航天大學(xué)高小鵬老師提出系統(tǒng)能力培養(yǎng)圍繞教學(xué)目標(biāo)“一個(gè)CPU、一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)編譯器”展開,在完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過程中,深化學(xué)生的系統(tǒng)觀。南京大學(xué)袁春風(fēng)老師基于“IA-32+Linux+GCC+C語言”平臺(tái)講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)層次之間的關(guān)系,將高級(jí)語言、匯編語言、機(jī)器語言、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)等相關(guān)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來,從而使學(xué)生建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念。

以上3所名校的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式各具特色,充分考慮了新工科對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求,但由于全國各高校的辦學(xué)層次、培養(yǎng)目標(biāo)、師資力量、學(xué)生素質(zhì)等諸多方面存在差異,這些經(jīng)驗(yàn)并不能完全復(fù)制。進(jìn)行系統(tǒng)能力培養(yǎng),應(yīng)充分結(jié)合學(xué)校自身特點(diǎn)和定位,考慮本校學(xué)生的實(shí)際接受能力,設(shè)計(jì)具有可操作性和實(shí)效性的系統(tǒng)能力培養(yǎng)方案。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內(nèi)涵與現(xiàn)狀

新工科及工程教育專業(yè)認(rèn)證均強(qiáng)調(diào)的“解決復(fù)雜工程問題”能力,即計(jì)算機(jī)類專業(yè)的“系統(tǒng)能力”,是計(jì)算機(jī)類專業(yè)相較于其他專業(yè)的核心競爭力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)重點(diǎn)在于增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)觀,使學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度分析問題,并能夠綜合運(yùn)用多種新興知識(shí)和技術(shù)解決復(fù)雜工程問題[2]。

目前,國內(nèi)外多所知名高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面已經(jīng)取得了豐碩的成果。國外多所一流大學(xué)非常重視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng),如MIT、UC Berkley、Stanford、CMU 等名校都設(shè)置了各具特色的系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系,取得了良好的實(shí)踐效果。在國內(nèi),教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)(以下簡稱教指委)也非常重視系統(tǒng)能力的培養(yǎng),積極組織全國高校進(jìn)行相關(guān)改革。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)等國內(nèi)知名示范高校緊跟國際步伐,針對(duì)自身的特點(diǎn),不斷調(diào)整系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系和培養(yǎng)模式,逐漸總結(jié)出寶貴的系統(tǒng)能力培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)[3]。

3 系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革過程及措施

在新工科的背景下,結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn),山東工商學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院密切跟蹤教指委對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求,借鑒名校經(jīng)驗(yàn),結(jié)合自身特點(diǎn),歷經(jīng)5年時(shí)間,在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面取得了一些成效。改革主要分為4個(gè)階段,包括成果延續(xù)和項(xiàng)目啟動(dòng)階段、研究階段、實(shí)施階段和提煉階段。改革過程見表1。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革的具體措施包括以下4個(gè)方面。

3.1 以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為主線，重構(gòu)新工科背景下人才培養(yǎng)的“3個(gè)階段”

在新工科背景下,計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)的“3個(gè)階段”可以圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)進(jìn)行重新定義:①以理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本原理,建立初步系統(tǒng)概念為核心的基礎(chǔ)教育階段;②以軟硬件貫通,形成系統(tǒng)觀為核心的專業(yè)教育階段;③以訓(xùn)練學(xué)生自主解決新工科背景下各學(xué)科交叉融合所產(chǎn)生的復(fù)雜工程問題,提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和就業(yè)能力為核心的綜合實(shí)踐階段。

在人才培養(yǎng)的各個(gè)階段,均圍繞該階段的核心目標(biāo),精心組織和安排理論課、實(shí)踐課、文化素質(zhì)課和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課等各類課程,構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系,從而形成“前期強(qiáng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)、中期鞏固系統(tǒng)觀念、后期提升系統(tǒng)能力”的計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式。

3.2 結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生能力的要求，構(gòu)建系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群

為使學(xué)生建立完整的系統(tǒng)觀,結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生能力的要求,在“橫向”分析的基礎(chǔ)上,“縱向”考慮各門課程的相互聯(lián)系,將程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)以及編譯原理組建為系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群,重構(gòu)理論與實(shí)驗(yàn)體系[5]。

表1 計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革過程

1)合理調(diào)整課程群教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化知識(shí)體系。

充分理解課程群中各門課程的教學(xué)內(nèi)容,改變傳統(tǒng)的各門課程相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)模式,重視課程間的銜接點(diǎn)及內(nèi)在關(guān)系,突出核心知識(shí)點(diǎn)。課程群優(yōu)化和調(diào)整的課程內(nèi)容見表2。

表2 課程群優(yōu)化和調(diào)整的課程內(nèi)容

2)通過頂層設(shè)計(jì),層次遞進(jìn),重構(gòu)計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力實(shí)踐培養(yǎng)體系[6]。

首先為課程群頂層設(shè)計(jì)具有一定規(guī)模的復(fù)雜工程實(shí)踐項(xiàng)目,然后將實(shí)踐內(nèi)容分解到相應(yīng)的專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)體系中。學(xué)生通過完成子項(xiàng)目,逐次匯總成一個(gè)完整的復(fù)雜工程實(shí)踐項(xiàng)目。采用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在龍芯的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)施數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、CPU設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

3.3 創(chuàng)建“系統(tǒng)導(dǎo)向、雙創(chuàng)驅(qū)動(dòng)、賽考結(jié)合”的人才培養(yǎng)機(jī)制

以系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,引導(dǎo)學(xué)生參與教師承擔(dān)的課題,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力,同時(shí)將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科競賽與課程考核相結(jié)合,以賽促學(xué)、以賽代考,鼓勵(lì)學(xué)生參加各類專業(yè)競賽,并以競賽成績作為課程考核的參考依據(jù),激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力和動(dòng)力。

3.4 加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)師資隊(duì)伍建設(shè)

系統(tǒng)能力培養(yǎng)對(duì)課程群任課教師提出了更高的要求,教師不能單純關(guān)注某門課程的內(nèi)容,要把握整個(gè)課程群的知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)體系。為達(dá)到這一目標(biāo),加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè),提高教師教學(xué)研究水平勢(shì)在必行。

通過設(shè)立專項(xiàng)資金,鼓勵(lì)項(xiàng)目組教師參加系統(tǒng)能力培養(yǎng)相關(guān)的交流活動(dòng),與具有豐富改革經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行深入交流。不定期邀請(qǐng)知名院校專家到山東工商學(xué)院授課,項(xiàng)目組教師認(rèn)真學(xué)習(xí)專家的教學(xué)內(nèi)容和方法,從而提升自身的理論和實(shí)踐能力。

4 系統(tǒng)能力改革的成效

系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革的成效主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)大大激發(fā)了學(xué)生深入探究和理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的濃厚興趣。在改革過程中,課程群的各門課程之間的理論和實(shí)踐內(nèi)容關(guān)系緊密,使學(xué)生可在頂層目標(biāo)的指引下,如游戲闖關(guān)一般逐步完成各項(xiàng)教學(xué)任務(wù),使原本枯燥的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)目標(biāo)逐級(jí)實(shí)現(xiàn),大大挖掘了學(xué)生的潛力,提高了學(xué)生自主解決復(fù)雜工程問題的能力。

(2)大大提高了學(xué)生的社會(huì)競爭力。系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)班的畢業(yè)生在考研和就業(yè)的過程中體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)。

(3)項(xiàng)目組教師的教學(xué)水平大大提高。在教學(xué)改革過程中,項(xiàng)目組教師不斷學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)方法,自身教學(xué)水平快速提高,并形成了大量嶄新的教學(xué)成果,為今后的持續(xù)性教學(xué)改革奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

筆者主要概述新工科背景下進(jìn)行計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革過程,通過改革充分建立了學(xué)生的系統(tǒng)觀,提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,適應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的迫切需求。實(shí)驗(yàn)班的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)逐步推廣到計(jì)算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)方案中,在實(shí)施過程中取得了良好的效果,但仍然存在一定的困難和問題。在今后的改革過程中,筆者將繼續(xù)向國內(nèi)外知名高校學(xué)習(xí)改革的新思路,融合新一代信息技術(shù),為我國應(yīng)用型本科院校新工科建設(shè)培養(yǎng)出創(chuàng)新型卓越人才。