王懷民??王濤??毛新軍

摘 要：無處不在的軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代社會經(jīng)濟活動的基礎設施，深刻重塑人們的思維模式。在現(xiàn)代高等教育體系中，軟件教育不僅僅是面向軟件專門人才的專業(yè)教育，還應該成為覆蓋全體大學生的通識教育。軟件教育要專業(yè)教育與通識教育并重，領域?qū)W科知識與軟件學科知識結(jié)合，原理講授與動手實踐融合，實現(xiàn)對軟件通識教育、專業(yè)教育、領域軟件教育以及實踐教育的升級。

關鍵詞：軟件教育;升級;通識教育;專業(yè)教育;實踐教育;開源教育

早期的大學軟件教育是計算機教育的組成部分，是以計算機為中心的軟件教育。隨著信息時代的到來，人類社會的數(shù)字化程度日益深化和普及，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化，并正在向智能化的高級階段邁進。當前世界，計算無處不在，軟件定義一切。軟件已經(jīng)成為當今信息化社會的基礎設施，它不僅是記載人類文明的新載體，而且是運行現(xiàn)代文明的新平臺，軟件正在重塑我們的思維模式和生產(chǎn)生活方式。面對新時代新需求，中國比任何時候都需要更加重視軟件教育，軟件教育亟須全面升級和變革[1-3]。本文結(jié)合我國當前大學軟件教育實踐，討論為什么需要升級大學軟件教育和如何升級大學軟件教育。

一、為什么要升級大學軟件教育

1.軟件自身發(fā)展變化要求升級大學軟件教育

軟件學科是一個年輕的學科。從全球視角看，大學軟件教育大約起步于20世紀50年代，直到20世紀80年代初才逐步形成以計算機為中心的軟件知識體系。大學軟件教育以軟件開發(fā)專業(yè)人才為教育對象，以邏輯思維訓練為核心。20世紀90年代，伴隨著個人計算機和互聯(lián)網(wǎng)的普及，大學軟件教育及其知識體系雖然發(fā)生了數(shù)輪迭代升級，但仍然沒有改變以計算機為中心的主流范式。例如，網(wǎng)絡協(xié)議作為計算機上一種新的I/O協(xié)議，網(wǎng)絡應用作為計算機上一種新的應用方式。進入21世紀，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，軟件成為云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化（俗稱“云大物智”）時代的靈魂載體，大學軟件教育的對象、知識體系和模式都需要做出改變和升級。

第一，大學軟件教育不應僅僅是面向軟件專門人才的專業(yè)教育，還應該成為覆蓋全體大學生的通識教育。軟件技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為具有廣泛滲透性的基礎性技術(shù)和技能，軟件定義一切將帶來軟件定義的世界，無處不在的軟件不僅是作為社會經(jīng)濟活動的基礎設施，還將成為人們解決問題的基本手段。面向未來，每一個接受高等教育的成年人不僅應該是現(xiàn)代信息化社會的直接受益者，更應該是現(xiàn)代軟件文明的直接創(chuàng)造者，軟件技能不再僅僅是大學軟件專業(yè)人才的專業(yè)能力，還將成為所有大學生必備的基本生活和工作技能。

第二，軟件教育的專業(yè)知識體系升級不應僅僅局限在傳統(tǒng)的計算機視野下，而應該向網(wǎng)絡空間拓展。軟件成為人類社會的基礎設施是社會信息化進程不斷深化的必然結(jié)果，其技術(shù)基礎是“計算的泛在化”和“軟件定義一切”。網(wǎng)絡化計算平臺連接無處不在的各類智能化設備和可傳感物體，深入人類社會生活的方方面面，形成了“人—機—物”三元融合萬物智能互聯(lián)的態(tài)勢?；谟嬎銠C的計算演變成基于網(wǎng)絡的計算，軟件基于網(wǎng)絡開發(fā)、通過網(wǎng)絡提供服務已經(jīng)成為常態(tài)，傳統(tǒng)計算理論（如算法理論）和軟件開發(fā)模式（如逐步求精方法）不足以回答新的軟件問題。例如，如何刻畫基于云計算的軟件服務的可信性和持續(xù)演化問題。軟件知識體系必須正視軟件作為基礎設施的新挑戰(zhàn)，特別是方法論上的挑戰(zhàn)。

第三，大學軟件教育方式不能僅僅局限于課堂的專業(yè)性知識傳授，必須適應豐富多彩的軟件實踐生態(tài)發(fā)展要求。由于軟件的邏輯特征，早期的軟件教育關注于邏輯思維訓練，形成了用大腦“運行軟件”的數(shù)學演算取向，忽略了在計算機上“調(diào)試軟件”的實踐。在當今信息化時代，軟件越來越復雜，僅僅開源空間的開源項目倉庫數(shù)量就超過3億個，任何程序員不可能讀完每一行代碼，更不可能用大腦“跑明白”復雜軟件系統(tǒng)。軟件教育不僅需要依靠共享協(xié)作的開源生態(tài)環(huán)境，更應該是一個“入世”的教育，形成與軟件產(chǎn)業(yè)、軟件研發(fā)、軟件用戶互為依賴、協(xié)同發(fā)展的共生體。

2.中國軟件發(fā)展要求升級中國大學軟件教育

自從我國開展軟件教育以來，歷經(jīng)幾代計算機科學家、教育家和企業(yè)家的不懈努力，我國軟件科研、教育、產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大。20世紀80年代初，中國學位制度的建立和發(fā)展為我國大學軟件教育奠定了堅實的學科基礎，完成與國際先進軟件知識體系對接。進入21世紀，為了滿足我國軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展對軟件產(chǎn)業(yè)人才的迫切需求，國家試辦示范性軟件學院，開啟了面向軟件產(chǎn)業(yè)需求的大學軟件教育新探索。在當前構(gòu)建新發(fā)展格局的時代背景下，升級中國大學軟件教育不僅有軟件技術(shù)發(fā)展變化的要求，還有中國軟件自身發(fā)展的特殊要求。

第一，必須加強服務于軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才供給。過去20年間，我國軟件產(chǎn)業(yè)持續(xù)保持兩位數(shù)的快速增長態(tài)勢。2021年我國軟件業(yè)累計完成軟件業(yè)務收入94 994億元，同比增長17.7%，是2001年的131倍，軟件業(yè)利潤總額11 875億元，同比增長7.6%[1]。近20年來，雖然我國高校軟件相關專業(yè)畢業(yè)生規(guī)模不斷擴大，但相較于我國軟件產(chǎn)業(yè)持續(xù)多年的兩位數(shù)年增速，我國大學軟件類人才供給年均增長只有個位數(shù)，人才供給增量較之需求存在巨大缺口。根據(jù)關鍵軟件人才需求預測研究報告，預計到2025年，我國軟件人才缺口將繼續(xù)加大，軟件人才緊缺問題將嚴重制約軟件產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

第二，必須加強掌握軟件核心關鍵技術(shù)創(chuàng)新的高素質(zhì)人才供給。20世紀80年代，當美國主導全球IT市場之后，我國也完全開放了中國IT市場。我們培養(yǎng)的優(yōu)秀大學生或者留學美國，成為美國IT核心技術(shù)創(chuàng)新的生力軍，或者進入外企，成為美國產(chǎn)品進入中國的代理者。相當長的一段時間，國內(nèi)失去了關鍵軟件的市場競爭力，大學軟件教育更加熱衷追逐應用熱點，軟件人才的系統(tǒng)能力培養(yǎng)嚴重弱化，導致我國關鍵軟件人才奇缺。當中國IT產(chǎn)業(yè)升級的時候，發(fā)現(xiàn)“缺芯少魂”，被“卡脖子”問題日益突出。近年來，盡管開源軟件為我國學習關鍵軟件提供了新機會和新條件，但我們?nèi)蕴幱陂_源軟件生態(tài)鏈的外圍，缺少主導性的關鍵軟件開源項目和軟件核心關鍵技術(shù)創(chuàng)新人才群體。

二、如何升級大學軟件教育

無論是從軟件技術(shù)發(fā)展的時代特點出發(fā)，還是從我國軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家安全要求出發(fā)，我國大學軟件教育都亟須升級。大學軟件教育涉及軟件通識教育、軟件專業(yè)教育、領域軟件教育等，結(jié)合我國當前軟件教育現(xiàn)狀，中國大學軟件教育升級需要重點關注以下四個方面的問題。

問題一：如何升級大學軟件通識教育？

軟件有通識教育嗎？答案是肯定的。比如當前中國大學普遍開設的“大學計算機基礎”通識課，在相當程度上就是軟件通識教育。在“軟件定義一切”的時代背景下，我們不是把所有大學專業(yè)變?yōu)橛嬎銠C類專業(yè)，而是通過升級軟件通識教育，使每一個大學生具備用軟件來解決未來就職領域數(shù)字化問題的知識和技能。同時升級大學軟件通識教育也是解決我國軟件人才缺口的最有效途徑。

通過國防科技大學近年來的實踐，我們認為升級大學軟件通識教育需要聚焦“兩種能力”，抓住“三個銜接”。首先要聚焦提升學生的計算思維認知能力，幫助學生形成用算法抽象理解數(shù)字空間問題求解，計算思維的訓練必須以軟件為載體，且須通過編程能力培養(yǎng)加以落實。其次要聚焦提升學生的編程實踐能力，通過問題案例和編程案例，依托各類在線編程工具的靈活組合，支持課堂內(nèi)的實踐教學，幫助學生形成自主學習編程工具解決現(xiàn)實問題的知識、技能和信心。

“三個銜接”是指大學軟件通識教育要與中小學計算機基礎教育、大學計算機通識教育、其他專業(yè)教育相銜接。通過銜接過去、銜接當下、銜接未來，促進軟件通識教育與各類教育的融合和銜接，貫穿教育的各個階段，極大提升軟件通識教育的效率。

問題二：如何升級軟件專業(yè)教育？

培養(yǎng)關鍵軟件核心技術(shù)的創(chuàng)新人才主要依靠升級軟件專業(yè)，需要把握軟件技術(shù)發(fā)展的新機遇。傳統(tǒng)的軟件專業(yè)教育以計算機為中心。進入互聯(lián)網(wǎng)時代，軟件系統(tǒng)往往基于網(wǎng)絡開發(fā)、維護、運行和演化，呈現(xiàn)出“構(gòu)造于網(wǎng)絡、運行于網(wǎng)絡、服務于網(wǎng)絡”的網(wǎng)絡化特征，軟件形態(tài)也正在變?yōu)椤叭恕獧C—物”融合的基礎設施。軟件系統(tǒng)表現(xiàn)出的這些新特征、新變化，要求軟件專業(yè)教育主動適應，做好升級。

一是要升級新的軟件觀。要培養(yǎng)學生新的軟件系統(tǒng)觀，關注“人—機—物”融合的復雜軟件系統(tǒng)論;要培養(yǎng)學生新的軟件形態(tài)觀，關注軟件系統(tǒng)持續(xù)成長的特點和規(guī)律;要培養(yǎng)學生新的軟件價值觀，關注以人為中心的可信軟件價值標準;要培養(yǎng)學生新的軟件生態(tài)觀，關注軟件生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演變。

二是要升級以網(wǎng)絡為中心的軟件學科知識體系。從軟件運行的角度看，需要將以計算機為平臺的軟件知識體系升級到以網(wǎng)絡為平臺的軟件知識體系;從軟件開發(fā)的角度看，需要將計算機輔助的軟件工程知識體系升級為基于網(wǎng)絡的軟件開發(fā)生態(tài)知識體系。

三是要升級軟件系統(tǒng)能力培養(yǎng)。系統(tǒng)能力是軟件專業(yè)人才的關鍵能力，系統(tǒng)能力培養(yǎng)標準同樣需要由計算機空間拓展到網(wǎng)絡空間，建立與軟件新形態(tài)相適應的高層次研究型人才培養(yǎng)方法，強化解決以網(wǎng)絡為平臺的復雜系統(tǒng)問題的能力，提升勇于開拓新時代軟件學科“無人區(qū)”的探索能力。

問題三：如何升級領域軟件教育？

領域軟件是領域知識軟件化，在經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全中的作用日益突出，學習、理解、開發(fā)領域軟件，是軟件教育的重要目標與內(nèi)容。傳統(tǒng)的領域軟件開發(fā)是以程序本身為關注點的垂直領域軟件開發(fā)，如工業(yè)設計系統(tǒng)、氣象預報系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等。如何有效提升領域軟件開發(fā)效率與軟件質(zhì)量，提高領域軟件可移植、易復用、能升級和平臺化水平，是當前領域軟件教育面臨的主要問題。

首先要升級或強化領域軟件工程課程體系。要聚焦工業(yè)設計、電子信息、科學計算等領域的特點和信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展需求，構(gòu)建面向領域的軟件工程課程體系，在相關專業(yè)領域開設軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件開發(fā)方法學等相關課程。其次要加強各專業(yè)領域?qū)W生兩種能力的培養(yǎng)：一是升級領域需求工程能力，即提升學生的領域需求分析能力以及領域軟件的規(guī)劃和構(gòu)思能力;二是升級領域軟件工程能力，即提升學生跨學科協(xié)作的專業(yè)軟件研發(fā)能力和專業(yè)軟件創(chuàng)新能力。

以MATLAB的發(fā)展為例，在1965年到1970年，J. H. Wilkinson教授及18個同事發(fā)表了一系列數(shù)學計算方法及其算法的論文，為MATLAB打下了數(shù)學基礎。之后他們相繼發(fā)布了一組工具軟件，如1971年發(fā)布的基于Algol 60開發(fā)的相關矩陣算法和基于Fortran開發(fā)的EISPACK，1975年發(fā)布的基于Fortran開發(fā)的LINPACK。在此基礎上，1980年MATLAB正式發(fā)布并開始用于新墨西哥大學、斯坦福大學的相關教學。1992年，Simulink發(fā)布并用于仿真和模型設計，MATLAB作為一個教學和工程計算平臺開始發(fā)揮越來越重要的作用。2010年以后，一大批MATLAB相關應用程序發(fā)布，覆蓋了生物、金融、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、圖像處理和計算機視覺、數(shù)學、并行計算、信號處理和無線通信、測試和測量等相關領域，提供了一大批各個領域的工具箱，形成了豐富的計算與仿真工具生態(tài)系統(tǒng)。今天的MATLAB已然發(fā)展為一個覆蓋多領域的計算工具生態(tài)系統(tǒng)。

問題四：如何升級軟件實踐教育？

軟件教育既是邏輯性很強的知識傳授，更是工程性很強的實踐教育。軟件實踐教育質(zhì)量的好壞，直接關系到軟件通識教育、軟件專業(yè)教育和領域軟件教育水平的高低。長期以來，軟件實踐教育始終是制約軟件教育發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。軟件實踐教育在實踐案例構(gòu)造、實踐資源共享、實踐效果評估等方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。開源軟件的成功實踐為我們提供了升級軟件實踐教育、破解長期困擾軟件實踐教學難題的啟示和途徑。

升級軟件實踐教育，首先要開展教育模式創(chuàng)新，有效利用大規(guī)模開放在線實踐教學模式;其次要做好平臺升級，全力打造開放、共享的軟件教育支撐平臺。具體而言，一是要升級軟件教學與軟件實踐的融合，基于互聯(lián)網(wǎng)實踐教學平臺，依托線上線下課堂教學和線上線下實踐教學，采用群體化實踐教學模式，從而形成群體化實踐教學案例。二是要升級學習工具與開發(fā)工具的融合，依托項目代碼庫、核心開發(fā)團隊，通過快速體驗、創(chuàng)意分享、協(xié)同編程、持續(xù)評估等，實現(xiàn)開發(fā)測試與部署維護的相互促進，從而讓學生能夠讀好的代碼，學好的技術(shù)，做好的項目，真正參與群體化的創(chuàng)新實踐。三是升級軟件創(chuàng)作與軟件生產(chǎn)的融合。軟件創(chuàng)作是由創(chuàng)意驅(qū)動的軟件實踐活動，鼓勵開放共享，而軟件生產(chǎn)則是目標驅(qū)動的軟件實踐活動，關注質(zhì)量和流程控制。

在軟件實踐教育升級中，要遵循以“大眾化協(xié)同、開放式共享、持續(xù)性評估”為核心的群體化學習與創(chuàng)新機理[4]。作為未來的軟件開發(fā)人員，要學會面向大規(guī)模開放群體，通過大眾化協(xié)同將教師答疑輔導為主的課堂實驗模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜷_放社區(qū)、面向客戶需求和任務、以互助討論為主的協(xié)作學習模式。通過引入開放式資源共享模式，將以教師為單一資源來源的封閉環(huán)境資源分享模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c程序員、開發(fā)者甚至極客一起解決軟件問題的基于互聯(lián)網(wǎng)的大范圍資源共享模式。通過引入持續(xù)性評估機制，實現(xiàn)對實踐教學的有效評估與反饋，實現(xiàn)對學習者參與性與創(chuàng)新性的有效培養(yǎng)。

三、升級軟件教育的探索與實踐

近年來，國防科技大學以開源創(chuàng)新為抓手，以軟件開發(fā)群體化方法的大眾化協(xié)同、開放式共享和持續(xù)性評估思想為指導，積極研發(fā)支持軟件人才培養(yǎng)的支撐軟件和大規(guī)模開放在線課程（Massive Open Online Course，MOOC），與開源軟件資源以及開源軟件開發(fā)部署云平臺對接，構(gòu)建開放共享的軟件開發(fā)、部署、維護、升級和演化的實訓平臺，推廣大規(guī)模開放在線實踐（Massive Open Online Practice，MOOP）教學，推進基于開源和面向開源的軟件教育升級，并取得了很好的成效。

“大學計算機基礎”在相當程度上就是軟件通識教育，國防科技大學開設的“大學計算”課程以計算思維和編程能力培養(yǎng)為核心，采用以復雜工程問題實訓為主線的能力培養(yǎng)途徑編排教學內(nèi)容和施教。該課程依托EduCoder.net實訓平臺，精心選取了數(shù)學、物理、經(jīng)濟、地理等領域的案例和實踐，以公式編程、圓周率π的計算、泰勒級數(shù)計算及誤差分析、函數(shù)可視化、國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)分析、在線實時地震動畫模擬、線性代數(shù)計算、數(shù)獨游戲、密碼破解與電子取證、SAR圖像處理10個復雜工程問題為牽引，分成37個內(nèi)容，植入130余個知識點，將課程知識和技術(shù)植入復雜工程問題計算求解過程之中，通過翻轉(zhuǎn)知識學習和實踐實訓的傳統(tǒng)方式，突出了能力培養(yǎng)的中心地位。該課程在國防科技大學作為計算機專業(yè)基礎課面向全校各專業(yè)一年級本科生開課，有效形成了線下課堂與線上課程相結(jié)合、理論學習與實戰(zhàn)實訓相結(jié)合的混合式教學模式，充分發(fā)揮了線上平臺伴隨式實戰(zhàn)實訓、持續(xù)實時評測、全過程跟蹤評估的優(yōu)勢，學生學習興趣、問題求解能力以及編程實踐能力得到極大的提升，獲得了非常好的教學效果。

“軟件工程”是軟件專業(yè)教育的核心課程，國防科技大學依托Trustie/GitLink等平臺對軟件工程系列課程進行了系統(tǒng)性和深層次的改

革[5-6]。（1）在專業(yè)知識體系方面，引入以開源軟件技術(shù)、群體化開發(fā)方法、分布式協(xié)同開發(fā)等基于網(wǎng)絡的軟件工程技術(shù)，全面升級以網(wǎng)絡為中心的軟件學科知識體系;以“人—機—物”融合的軟件系統(tǒng)為案例來介紹軟件開發(fā)的挑戰(zhàn)和問題以及相關的方法和技術(shù)，以此來幫助學生深入理解軟件新形態(tài)，建立新的軟件觀。（2）在實踐教學方面，創(chuàng)新課程實踐教學模式。一方面要求學生閱讀、分析、標注和維護高質(zhì)量、上規(guī)模的開源軟件，以此來學習開源社區(qū)中高水平軟件開發(fā)者的軟件開發(fā)經(jīng)驗、技能和工程素質(zhì)，從而實現(xiàn)學生的快速學習和高效成長;另一方面，要求學生開發(fā)出有創(chuàng)意、上規(guī)模、高質(zhì)量的“人—機—物”融合軟件系統(tǒng)，并借助開源軟件和群智知識來完成開發(fā)任務，從而培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力、解決復雜工程問題的能力、創(chuàng)新實踐能力。（3）在教育理念和學習方法方面，打破傳統(tǒng)教育教學嚴重依靠教師、教材和教室的局限性，借助開源軟件所蘊含的群體智能思想和理念，提出要將不同學校、不同班級、不同年級的學生組織在一起，圍繞課程知識學習和實踐教學，開展群體化學習，以討論和解決問題、交流學習和實踐經(jīng)驗、分享教學和實踐資源，從而形成基于群體大眾的新穎學習方式，極大提升了學生的學習效率和解決問題的能力，并引導學生創(chuàng)作出空巢老人看護系統(tǒng)等優(yōu)秀的開源軟件項目。

此外，國防科技大學聯(lián)合中國計算機學會（CCF）以及相關單位形成了從開源代碼閱讀評注平臺Codepedia、開源技能學習實踐平臺EduCoder.net到開源項目創(chuàng)新開發(fā)平臺GitLink等的系列實踐支撐平臺。并以平臺為依托支撐本科生和研究生的計算機教育，幫助學生從讀好的開源代碼開始，不斷學好的開源技術(shù)實現(xiàn)實踐能力的快速提升。在此基礎上參與好的開源項目開源，甚至進一步做出屬于自己的優(yōu)秀開源項目。相關平臺已支持4屆中國軟件開源創(chuàng)新大賽，并在在線實踐教學、開源項目創(chuàng)新中得到廣泛應用。

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王懷民，國防科技大學教授，中國科學院院士。