新工科背景下计算机系统能力培养的重定位思考

葛方振　刘怀愚　洪留荣　沈龙凤

摘要：在“新工科”背景下，如何进行计算机系统能力培养是计算机科学与技术专业教育的重要问题。针对新工科的特点，分析了计算机系统能力的新内涵，提出了计算机系统能力的培养方式和计算机系统能力培养的新型师资队伍要求，并进行了试点改革，说明了试点改革的有效性。

关键词：新工科；工程教育；计算机系统能力；能力培养

中图分类号：TP314 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）36-0133-02

为实现制造强国战略目标，推动我国从制造业大国向制造业强国迈进，我国提出了“中国制造2025”规划。因此，目前我国急需大量具有创新实践能力的工程技术人才。于是，2017年6月9日新工科研究与实践专家组成立，提出了新工科的概念。在这次会议上，教育部副部长林蕙青强调，新工科[1]（Emerging Engineering Education，3E）是探索具有国际水平的中国特色工程教育体系，推动我国工程教育，培养我国工程技术人才。与会代表也表示，高校应该积极探索，先行先试，开展新工科研究和实践，成为新工科建设的推动者和引领者，积累工程教育改革经验[2]。

随着工程活动中大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术的广泛应用，工程生产组织、设计、工艺流程等将呈现全新模式。也就是，新工科要充分体现“新技术、新业态、新产业、新模式”的特点。

计算机科学与技术是新工科体系中的重要学科。计算机科学与技术的基础性和重要性主要体现在以下两个方面，一是“计算机类”学科内部交叉，形成了新技术行业，数字媒体技术、机器人、信息空间安全、智能系统等；计算机与其他学科交叉，形成“计算机+”的新专业，如电子商务、生物信息技术、数字化制造、智能医疗等。因此，在新工科背景下计算机科学与技术专业学生应该具有厚重的专业基础，才能为社会培养可持续竞争力的创新型人才。

于是，新工科背景计算机系统能力应该是当前计算机科学与技术专业学生必备的基础能力，是计算机科学与技术专业建设的重要任务。那么，新工科背景计算机系统能力的新内涵是什么？需要怎样的培养体系或培养方法？需要具备怎样的师资队伍？

1 计算机系统能力的新内涵

自2006年，我国提出“核高基”专项之后（“核高基”即是核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品的简称），很多学者就提出，计算机专业课程体系要突出计算机系统能力培养，提高计算机类专业本科教学质量和水平，培养具有引领行业发展的高素质人才。在这一阶段，计算机系统能力是指能运用系统观理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，并用系统化方法，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制的能力[3]。本定义包含系统分析能力、系统设计能力和系统验证能力三个方面：其中系统分析能力指给定系统结构和输入，分析系统输出的能力；系统设计能力就是给定系统输入和输出，综合出系统结构的能力。

然而新工科背景下，计算机系统能力应该是：1）动态性：以不变应对变化、塑造未来为理念；2）创新性：继承与创新相结合，以学科交叉与融合为手段；3）多元化：与时俱进，以多元化创新为目标。

因此，新工科下计算机系统能力是一种创新型工程教育方案，反映了将来工程教育的形态，社会需要的人才结构、质量标准。

2 计算机系统能力的培养方式

基于上述对“新工科”建设背景的理解，本文以淮北师范大学计算机科学与技术专业（国家级特色专业）为例，结合IEET（中华工程教育学会）工程教育认证[4]，探讨计算机系统能力培养的新方式。

1） 体现特色和优势，激发新工科学生的求知欲、创新精神

目前，许多高校积极响应教育部要求，推进“新工科”建设，开展多学科交叉研究。针对计算机科学与技术专业系统能力培养，需要各个高校根据自己的专业特色、办学定位，培养学生掌握知识、认识世界的能力，自我控制能力，激发学生大胆改革、实践创新，体现计算机工程人才的新素养、新能力。

2） 重构核心知识，提升新工科学生的自拓展能力

计算机科学与技术学科的知识涉及哲学、社会、数学、物理、信息、通信、科技以及工程等诸多学科领域，必须重构知识体系，实现通识教育与专业教育的有机结合，强调“大通识”教育，根除以增加课程方式的教育思想，拓宽学生知识面，改善学生的知识结构、培养学生的自拓展能力，即学生学习完成核心课程所蕴含的理论规律，应该具有解决对相关领域问题的能力，并自行拓展和提高。为此，我们重构了了新工科背景下的计算机系统能力的核心内容。

计算机系统能力培养涉及的课程有：C语言、汇编语言、计算机组成原理、模拟电路、数字逻辑、操作系统和编译技术等课程，这些课程之间在大学生学习过程中，有时同一知识在不同课程中，存在知识讲解不够完善，学生理解不全面；有些知识点，有先导和后续关系，但在不同课程中，存在讲解顺序颠倒，学生理解困难。因此，在新工科背景下，重构计算机系统的核心知识，夯实学生核心知识、厘清知识点之间的联系，设计层次化、网络化的知識联系，如表1所示。新工科背景下，讲授这些核心知识，必须考虑纳入现代技术工具课程，提高学生使用现代技术工具的能力，提升学生的技术理解能力。

3） 紧跟学科竞赛发展

为了提高学生的计算机系统能力培养，鼓励指导老师带领学生参加学科竞赛，紧跟学科前沿。在“大众创业、万众创新”时代，带领学生参与企业工程项目，培养学生的创新能力，积极探讨工程项目与学科竞赛的切合点，不仅增强了学生的实践动手能力，还培养学生的实战运用能力，“以赛代教”提高学生计算机系统能力。参与学科竞赛容易培养学生以问题为导向的思维模式，进而形成独立思考和综合判断能力。同时，促进教学模式改变，形成交流—质疑—辩论迭代的教学模式。

3 新型的师资队伍

传统工科建设要求教师知识渊博、教学水平高、工程经历丰富、工程能力强、综合素质高，基本上是“大学教师+准工程师=工科教师”。新工科背景下，教师队伍的优势应该突出专业的学科交融特征和产业性，针对计算机科学与技术专业的教师应该具备以下素质和能力：

首先，在知识面上，关注一些新兴、交叉和前沿学科，特别是与本学科相关的云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人工程等前沿科学。使教师不仅对承担教学任务熟悉，还要本学科专业领域相关的新技术的出现和发展比较熟悉。

其次，在先進的工程经历，要对先进技术使用和工程过程熟悉，有从事先进工程的经历，积累了一些解决前沿问题的经验，对先进工程设备的操作步骤比较熟悉，并且与企业有合作经验。

最后，在产业能力上，具有运用多学科知识解决大型工程的能力，特别是以“互联网+”平台的工程问题，能够应对和处理人工智能、机器人工程等未来工程的能力。

4 试点改革

基于上述定位思考，2016年10月起，对我校“卓越工程师班”学生进行了教学改革试点。对15名学生进行专业基础和前沿教育，主要采用专题讲座的形式。基础知识主要讲授计算机系统[5]，前沿知识培训图像处理技术，深度学习算法等知识。然后，在有企业工作经历的导师带领下，研究与企业合作项目“智能太阳能电池片切割系统”。经过一年的锻炼，这些学生不仅掌握了计算机系统的基本知识，还对图像处理、深度学习技术有深刻的理解，加强了理论与实践相结合，提高了学生的分析问题能力、建模设计能力以及前沿工具的使用能力，解决实际工程问题的能力有显著提高。

参考文献：

[1] 教育部高等教育司. 关于开展新工科研究与实践的通知[z]. 教高司函[2017]6号.

[2] 陆国栋， 李拓宇. 新工科建设与发展的路径思考. 高等工程教育研究[J]. 2017.3， P20-21.

[3] 刘卫东， 张悠慧， 向勇， 王生原， 李山山. 面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J]. 中国大学教学， 2014（8）：50-52.

[4] 陈国铁， 王健. 台湾地区IEET工程教育专业认证的现状及启示[J]. 中国建设教育， 2014（1）.

[5] 布赖恩特（Bryant，R.E.）（美）， 龚奕利， 贺莲. 深入理解计算机系统[M]. 北京： 机械工业出版社， 2016.11.