新工科建设与系统能力培养

随着大规模数据中心的建立和个人移动设备的大量普及使用，计算机人才培养强调的“程序性开发能力”也正在转化为更重要的“系统性设计能力”。为了应对各种复杂的计算机应用，编写出各类适合不同平台的高效程序，应用开发人员必须了解不同系统平台的底层结构，并熟练掌握其中的技术和工具，培养相应的技术领域方面的整体系统观以及能够进行软硬件协同设计的贯通能力。在这些方面，我们与国际上发达国家的差距还不小。重大装备或者重大应用的研发，都不是单项技术的开发，而是要求整体的系统层面综合设计，通过软硬件协同实现开发方案的最优化，以强大的底层技术保证各项功能的实现。系统能力是计算机人才的关键能力。 

系统是若干相互联系、相互作用和相互依赖的部件结合而成的，具有一定结构和功能并处在一定环境下的有机整体。系统能力是依据确定的系统功能，设计与开发系统结构，实现工程目标的能力。 

从计算机教学的角度来说，可以将涉及系统能力培养的计算机系统划分为3个层次。 

（1）运用数学和物理原理，设计和开发计算机运行系统，包括中央处理器（CPU）、操作系统及编译系统，这是计算机最基本的系统，称为计算机基础系统，相关课程包括数字逻辑、计算机组成、操作系统、编译系统等。

（2）运用计算机基础系统原理，设计和开发计算机领域的专门系统，如软件开发系统、数据库系统、网络系统、支撑系统、平台系统等，称为计算机领域系统。 

（3）运用计算机专业系统原理，设计和开发各种应用系统，如数字制造系统、无人驾驶系统、无线通讯系统等，称为计算机应用系统。

系统能力培养的范围可以涉及这3个层次中的1个或者多个。计算机类专业学生系统能力培养的基本内容是掌握系统内部各软件/硬件部分的接口、运行协同以及系统内部各部件的逻辑关联，了解系统呈现的外部特性与人机交互模式，强调从系统结构角度实现优化的系统功能。具备了系统能力，计算机的应用和创新能力也会由此得到强化与提升[2]。 

系统能力包括系统知识和工程实践。系统知识是掌握计算机核心系统的工作原理、构造方法、软硬件协同、层次间逻辑关联，工程实践是用工程方法开发计算机应用系统。系统能力的培养具有突出的工程教育特征，是解决复杂工程问题的直接体现。与其他专业学生的计算机基础和应用能力相比，计算机类专业学生应突出强调计算机系统能力的培养。 

系统能力培养的目标是改造升级现有高等学校的计算机类专业教育，加强新工科计算机类专业系统能力培养，推动高新技术与计算机类专业的知识、能力、素质要求深度融合，探索计算机类专业改造升级的实施路径，提高学生适应新经济发展的整体素质和能力。

系统能力培养和系统观教育对于计算机类所有专业及各培养方向均适用。我们需要积累丰富的教学资源，形成有价值的实践经验，以系统能力培养为抓手持续提升计算机类专业办学水平和人才培养质量。

在教育部新工科研究实践项目中，教指委申请并获批了计算机类专业系统能力培养的项目。该项目的工作目标是改造升级一批高等学校传统计算机类专业，加强新工科计算机类专业系统能力培养，推动高新技术与计算机类专业的知识、能力、素质要求深度融合，探索计算机类专业改造升级的实施路径，提高学生适应新经济发展的整体素质和能力。该项目主要研究内容包括以下几方面。

（1）研究分析新经济对计算机类专业人才培养提出的知识、能力和素质新要求；研究新工科计算机类专业系统能力培养方式、培养方案、新的知识框架及内容；研究新工科计算机类专业系统能力培养水平的评价标准、与培养方案对应的系统能力培养分类分层次的新的课程体系及课程主要内容。系统能力培养分类分层次实践教学体系，包括各个课程的实践环节、综合课程设计等内容。

（2）组织编写和出版系统能力培养系列教材，主要侧重在对应新工科课程体系的核心和专业拓展2个层次的课程教材建设上；撰写和发表与该项目相关的教学研究论文。

（3）发挥好示范和带头高校的作用，进一步推动系统能力培养试点学校的工作，组织进行省或者跨省范围的区域性试点学校的指导、交流和研讨；举办各种类型和层次的全国高校系统能力培养研讨和交流大会，举办系统能力方面的教师培训班、导教班，提升讲授新工科计算机类专业系统能力相关课程的师资水平；举办全国高校系统能力竞赛，进一步调动教师和学生的积极性，以赛促学，以赛促教。

（4）提供校企合作的平台和联合研究，企业通过发布项目、提供需求、提供实践环境和内容等方式推动高校的系统能力培养工作取得实质性成果。

该项目的创新之处是通过研究、示范、试点和推广，推进计算机类专业教学改革，从理论和实践上全面提升计算机类专业学生的系统能力培养，以适应未来计算机科学技术和新经济的持续快速发展，满足未来智能时代社会应用的迫切需求。

教指委深入研究分析新经济对传统工科专业人才培养提出的新要求，调查若干国外高校本科生教学在计算机系统能力培养方面的一些做法和思路，通过借鉴国外大学的经验，面向人工智能、大数据、云计算、物联网等新技术，结合智能时代信息技术和社会发展趋势以及我国高校计算机人才培养的特点，提出了适合我国高等教育计算机专业系统能力培养的课程体系改革总体思路，并对相关的主要课程内容及其实验内容进行了规划。

在理论知识教学上，需要建立新的系统级综合性课程，强化系统知识，重新规划计算机系统核心课程的内容，使这些核心课程内容之间的联系更紧密、衔接更加顺畅、整体系统性更强；同时针对系统实践能力弱的问题，需要特别加强系统实践动手能力培养。教指委把课程分成3个层次：计算机系统基础课程、重组内容的核心课程以及侧重不同计算系统若干相关平台的专业拓展和应用课程。目前已经在第1层次的研究和实践上取得较好的进展，该项目将对第2和第3层次进行深入研究、实践和推广应用。

我们应着力研究并建设充足配套的实践环境和内容，把相应的系统实践能力培养放在重要位置予以加强。参加该项目的企业要结合自己的特色，提供实践平台和内容方面的大力支持。已经实施的基于MIPS的实践平台和内容要改进，进一步贴近新技术发展；同时在ARM作为应用主流的技术发展趋势下，必须要研究、开发、试点和推广基于ARM的实践平台和内容。

在教育部新工科建设的强力推动以及计算机学科技术迅速发展和社会应用的迫切需求下，该项目的研究、试点和推广将持续推进4年以上，在现有基础上，积累丰富的教学资源，形成有价值的实践经验，以系统能力培养为抓手持续提升计算机类专业办学水平和人才培养质量。具体措施和研究方式主要包括以下几方面。

（1）深入分析研究，提出改革方案。组织研究小组，进行国内外深入调查、分析和研究；提出和建立新的计算机专业本科教学课程体系，重新规划计算机系统核心课程的内容；研究提出新工科计算机类专业系统能力培养水平的评价标准。

（2）提倡示范院校带动。在新工科知识结构和课程体系下，要进一步推动示范院校系统能力培养工作，进行关于计算机专业学生系统知识、系统能力和系统课程的深入研究和分析，进一步提升对试点学校系统能力培养工作的指导。

（3）总结试点经验，向全国范围推广。根据所在院校的特色和目标，扎实推进试点工作，将系统能力培养研究实践的有效做法、课程内容、实践环境和内容等按照不同类型和层次向全国高校计算机类专业推广应用。

（4）加强教师培训，加快教材编写，发表相关的教学研究论文。推进教师系统能力理论和实践培训工作，加快以系统能力培养为核心的新教材编写工作，特别要把重点放在第2核心层次和第3专业拓展层次课程教材的编写上。

（5）检查交流促进，以竞赛提高水平。通过系统能力培养标准的实施，衡量整体系统能力培养水平并促进其提高；通过每年举办系统能力全国高校竞赛，促进高校间互相学习，调动学生对系统深入学习掌握的积极性。

系统能力是计算机类专业人员创新的基础保证，系统能力培养将积极提高学生创新能力，这非常切合新工科积极应对变化、引领创新的要求以及“双一流”提高本科学生培养质量的目标。要通过系统能力培养的过程，不断探索新经济变化背景下的工程教育新理念、新结构、新模式、新质量、新体系，培养能够适应时代和未来变化的卓越计算机类专业工程人才。系统能力培养将有力地提高计算机类专业人才培养水平和质量，促进新工科建设的深入展开。