强化系统能力 推进信息产业自主可控人才培养

秦磊华　谭志虎

摘要：系统能力培养是当今计算机教育发展的新动向。分析了系统能力提出的背景和内涵，探讨了我国信息产业人才培养中引入系统能力的必要性，提出了以系统能力为主线推进信息产业自主可控人才培养的举措。

关键词：系统能力；信息产业；计算机类专业；自主可控；人才培养

一、“系统能力”提出的背景及内涵

1.“系统能力”提出的背景

美国ACM协会和IEEE计算机协会（IEEE-CS）是两大致力于创建计算学科本科国际课程（Computing Curricula）指南的学术团体，他们十分关注学科发展和社会变革对计算机教育的影响，并通过修订计算机教程中的核心概念、领域、单元和主题等内容将学科发展和社会变革对人才培养的新要求反映出来，以指导和推动计算机人才培养主动适应学科发展与社会进步的需求。由IEEE-CS与ACM联合编写的Computing Curricula 1991（简称CC1991）和Computing Curricula 2001（简称CC2001）对包括中国在内的国际计算机本科教育起到了巨大的推动作用。

2000年以来，受网络泡沫的影响，美国填报计算机类专业的大学生人数持续下降，而实际上社会对计算机类人才的需求却持续上升，出现了较为严重的供不应求局面。这种供求失衡，不仅表现在毕业生的数量少于用人单位的实际需求，而且还表现在毕业生的质量低于用人单位的预期和网络时代对计算机类人才的能力要求。在这样的背景下，2010年12月，IEEE-CS和ACM联合工作组对全球计算机系的系主任进行问卷调查，并在对调查结果进行深入分析和专题研究的基础上，联合研制了Computer Science Curricula 2013（以下简称CS2013），对CC2001中原有的14个知识域进行了适度调整，增加了系统基础、并行和分布计算、基于平台的开发、信息保障和安全等四个新的领域，同时强调系统知识和系统能力培养。

2.“系统能力”的内涵

CS2013认为，“具有系统层次视野”是网络经济时代对计算机专业学生提出的新要求，计算机专业的学生需要从多层次的细节抽象来思考问题，对计算机的理解应该超越各种组件的实现细节，从计算机系统结构和构建分析过程去认识计算机系统的运行原理，更多地掌握计算系统软/硬件部分的关联关系与逻辑层次，了解计算系统呈现的外部特性（包括功能特性与性能特性）以及与人和物理世界的交互模式，强调“性能编程”的思想，即程序员需要了解计算机底层硬件结构（包括并行结构）对程序执行性能的影响，提升程序执行的性能。然而在IEEE-CS和ACM先前发布的计算机系列教程中（包括CC1991、CC2001和CS2008等）没有提出从计算机系统层面理解计算软/硬件系统交互的要求和教学指导，而涉及计算机系统硬件构建、组织架构、操作系统服务到应用程序执行环境等核心内容的教学都是安排在独立的知识域进行的，按照该模式培养出来的学生势必在计算机系统级的视野和能力方面有所欠缺。因此，CS2013提出了强调系统知识和系统能力培养的要求，通过增加系统基本原理知识域，提供统一的系统观和通用的概念基础（特别是体系结构和组织、网络与通信、操作系统和并行与分布式算法），提升学生对计算机系统及计算机应用系统的系统级认知能力、设计能力、开发能力和应用能力。

系统认知能力是系统能力中最为基础的能力，重在帮助学生建立系统观，培养学生了解信息系统中基本软件系统的组成与功能、硬件系统的组成与功能、软/硬件系统的性能等基本概念。在此基础上，还需要进一步让学生认识到信息系统中硬件系统性能与软件系统性能之间存在相互制约与相互促进的关系，培养学生从系统层面认知和分析系统的习惯。

系统设计能力是核心的系统能力，主要培养学生硬件系统、软件系统和完整应用系统的设计能力，包括硬件功能部件（含芯片、外部设备等）、智能系统硬件（含计算机硬件、传感器硬件等）、系统软件、应用软件和完整信息系统的设计能力。系统设计能力是系统能力培养的核心内容，强调具有自主知识产权的硬件设计、软件设计和应用系统的设计；强调软/硬协同的系统设计，确保系统性能的最优化和系统的稳定性；强调大工程观的系统设计，注重设计中科学要素、技术要素以及非技术要素的有机融合。

系统开发能力也是核心的系统能力，主要培养学生软/硬协同视角下的信息系统开发和实现能力。即在系统规划，软/硬件平台和开发工具选择，实现所设计的功能部件、软件系统、应用系统的过程，信息系统的项目集成等过程，充分考虑所选软/硬件平台的适配性、充分考虑系统运行的综合环境，使所实现的系统具有人机和谐、性价比高、可用性高等特性。

系统应用能力主要培养学生具有系统观素养的信息系统综合应用能力。即在信息系统安装、使用、管理、更新、维护等过程中，能充分考虑行业应用的特殊要求、软件系统与硬件系统变化及相互影响、环境因素（如温度、湿度、电磁干扰等）对系统运行的影响，正确分析系统应用过程中出现的问题，制订科学的系统使用、管理、更新和维护规划，使系统能长期稳定运行。

二、我国信息产业人才培养引入“系统能力”的必要性

电子信息产业已成为我国国民经济的战略性、基础性和先导性支柱产业之一，对促进社会就业、拉动经济增长、调整产业结构、转变发展方式具有十分重要的作用。未来5～10年，是我国信息产业实现核心领域突破和优势领域赶超的重要战略机遇期，必须加快建设一支高素质的信息产业人才队伍。计算机类专业（包括计算机科学与技术、软件工程、信息安全等）是信息产业的基础专业，将“计算机系统能力”作为人才培养的重要抓手，可从以下几个方面推动我国信息产业的跨越式发展。

1.有助于优化人才培养模式，整体提升人才培养质量

信息产业是智力密集型、高技术渗透性和综合性很强的产业，人才是推动信息技术创新的核心源泉，是信息产业持续发展的智力保障。尽管“十一五”以来，我国信息产业人才资源总量持续增长（目前总量达到900余万人），人才素质稳步提高，人才结构也得到不断优化，但目前我国信息产业人才培养不能完全适应信息产业发展的新形势、新任务和新要求。站在CS2013提出的“系统能力”角度，重新审视信息产业相关专业本科人才培养的课程体系、教学及其实验内容，不难发现现有人才培养体系中存在的以下问题。

（1）课程体系中缺乏对系统能力培养的整体考虑。课程设置离散化现象明显，缺少独立的能贯穿整个计算机系统的课程，不能很好地帮助学生建立计算机系统完整概念，教与学过于关注局部知识，缺乏系统观；同时缺少系统性的综合实践环节，学生接受分析和解决系统级问题的训练不足，实践动手能力和系统集成能力不突出。

（2）课程之间的衔接、关联和融合不够。目前课程设置大多按照计算机系统不同层次的内容独立开设课程，涉及计算机系统不同层次核心课程的教学缺少相互间的本质关联和深度融合，对计算机系统核心技术及其之间的关联缺少全面认识，难以胜任复杂的涉及软/硬件协同的系统级问题的求解。

（3）教学内容成旧，不能适应信息技术的发展。纵观国内计算机科学与技术、软件工程、信息安全等信息产业核心专业的人才培养方案和课程教学大纲，不难发现教学内容较少涉及近年来出现的多核/众核处理器、分布式和并行计算，特别是对于后PC时代信息产业发展所需关于移动终端系统、大数据中心、云计算等知识体系。

导致上述问题的主要原因是教育理念上缺少系统观，没有从产业发展所需要的系统能力培养的角度去研究、组织、实施和评价人才培养的各环节。CS2013提出的“系统能力”培养举措，直接针对当前世界计算机类专业人才培养中的实际问题，从系统能力培养核心知识域设计、专业实践实施、课程样例和课程设置、毕业生能力评价等方面给出了全面指导。以CS2013提出的“系统能力”培养为指导，全面优化人才培养模式，能够整体提升计算机类专业人才培养的质量，为我国信息产业的跨越式发展提供强有力的智力保障。

2.有助于培养学生的创新能力，推进信息产业的自主可控发展

信息产业自主可控是指依靠自身研发设计，全面掌握信息系统产品核心技术，实现信息系统从硬件到软件的自主研发、生产、升级、维护的全程可控。自主可控是我国信息化建设的关键环节，在国民经济和信息产业发展、国家安全等方面具有重要的战略意义。

赛迪研究院2014年最新统计数据显示，我国操作系统的自主化率仅2.75%，数据库的自主化率为4.96%，服务器自主化率约13%，而网络存储设备的自主化率约16%。这说明长期以来我国信息产业核心软件和硬件技术缺失，从源头上受制于人的现状依然没有得到有效缓解，发展信息产业所需的核心软、硬件仍依赖进口，不仅包括CPU、操作系统、数据库等核心基础硬/软件，而且还包括办公软件和产品设计类的基础工具性软件。由于缺乏对核心技术的掌控，使得我国信息产业长期处于世界信息产业链的下游，虽然产业规模持续扩展，但效益一直持续在低水平徘徊，近十年来的利润一直维持在4%左右。这种高产值、低利润的格局与信息产业作为国民经济战略性、基础性和先导性支柱产业的重要地位不符。

从安全层面看，原理上讲任何电子信息产品都有被植入“后门”、窃取信息的可能性，这其中基础软件（如操作系统）、基础硬件（如CPU）、关键网络设备和海量存储设备等对信息安全的影响最大。现阶段，我国对信息系统核心产品的硬/软技术缺乏掌控权，无法准确评估其安全隐患并采取积极有效的防范措施，信息泄露也就在所难免。近年来，网络空间的国际竞争和对抗愈加激烈，我国已成为网络攻击的主要受害者之一，国家信息受到威胁，国家安全和产业安全受到影响。

综上所述，导致我国信息产业高产值、低利润和信息安全受到严重威胁的主要原因是我国缺少对信息产业核心技术的自主可控。解决问题的根本办法就是提升信息产业研发人员的自主创新能力，不断强化核心应用自主研发、核心知识自主掌控，不断推动国产化信息技术进程加快，有效提升我国整体信息安全和信息化建设水平，提升我国在世界信息产业链中的位置。通过对“系统能力”内涵分析不难发现，系统设计能力和系统开发能力的培养可以提高人才培养的自主创新能力，提高信息系统核心软/硬件的自主研发和生产能力、提高信息系统安全隐患的分析和防御能力；而系统应用能力的培养，可以为信息系统的升级和维护培养更多高层次人才，对保证系统长期稳定、安全运行具有重要意义。

3.有助于复合型人才培养，推进信息产业的融合式发展

在经济全球化和信息革命的大背景下，尤其是全球金融危机爆发以来，美国等工业制造强国凭借信息通讯技术优势，掀起了以工业互联网为核心的“再工业化”浪潮；而德国则推出了将物联网和服务网应用到制造业以引领所谓的“第四次工业革命”，即“工业4.0”战略，加快信息技术向传统产业、现代制造业和现代服务业等领域渗透，加快工业结构转型升级，促进战略性新兴产业、面向生产的信息服务业的发展，重构产业价值链、实现高端制造业的再次飞跃。

当前，信息化浪潮席卷全球，引发生产、生活方式变革，信息技术已成为创造更多经济价值和社会价值的关键引擎，成为经济社会各领域快速发展的重要支撑工具，成为重塑综合国力和竞争格局的强劲动力。信息化与传统工业之间的融合与渗透，也给我们破解工业化难题、走跨越式发展道路带来了机遇。信息产业的融合式发展不仅是时代发展、工业发展的需要，更是我国完成工业化使命、实现小康社会目标、构建现代化强国的必由之路。

技术融合是跨学科知识的综合整合、交叉渗透并形成新技术体系和新标准的过程，需要更加注重人才专业知识结构的扩展和专业化的创造能力，这对信息产业人才培养提出了新要求。而传统的人才培养模式注重学科自身知识体系的完备性，无论是从课程设置、教学内容还是实践环节等方面，都较少考虑信息学科与其他学科的实质交叉与融合。复合型创新人才严重不足已成为制约我国信息产业融合发展的重要因素之一。因此，需要进一步优化教育体制，拓宽专业领域，推进学科交叉，开阔学生跨学科的思维。CS2013提出的“大帐篷观”（The“Big Tent”view of CS）强调开放的学科视野，积极寻求计算机学科与其他学科，包括数学、电子工程、机械工程、心理学、美术、语言学、物理和生命等学科的融合，并在课程设置上给予学生选择不同学科专业课程的自由，为今后从事跨领域的工作奠定基础。CS2013提出的大帐篷观本质上是更高层次的系统观，即跨学科的系统观，旨在培养跨学科的系统认知能力、系统设计能力、系统开发能力和系统应用能力，而这正是信息产业融合发展所需的复合型人才应具备的能力特征。

三、以系统能力为主线推进信息产业自主可控人才培养的举措

系统能力培养是一项系统工程，涉及教育观念更新、培养模式变革、课程体系再设计、实践体系重构等一系列问题。而如何将系统能力培养与信息产业自主可控人才培养有机融合更是一项极具挑战的工作，需要进行深入研究、广泛探索和反复实践。

1.强化CDIO理念，培养工程系统能力，提升信息产业自主可控人才培养的有效度

前美国工程院院长理查德·莫洛（Richard Morrow）认为：拥有最优秀工程人才的国家就已经拥有了取得工业经济和工业相对优势的核心原料。要实现我国信息产业的自主可控，必须强化广大教师的工程教育观念，改变过去以传授知识为主的教学设计，着力提升学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力。

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，已经得到国际工程教育界的广泛认可，它以产品从研发到运行全生命周期的构想（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate）为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、团队合作能力和工程系统能力四个层面。将CDIO理念引入系统能力培养环节，对信息产业自主可控人才培养具有极大的推动作用。首先，CDIO理念将系统能力培养从CS2013的课程维度提升到工程维度，强调结合实际工程项目面临的实际问题培养学生的工程系统能力，这是对系统能力培养的层次的极大提升，促进了系统能力培养与信息产业自主可控发展的有机结合。其次，CDIO理念拓展了系统能力培养的广度，在强调技术层面系统能力的同时，还注重培养学生的团队合作、人际交往能力、批判思维能力、职业道德、职业态度、工程组织与管理能力等全方位的工程素养，这是解决实际工程项目所必备的非技术能力。最后，CDIO理念为系统能力培养提供了良好的顶层设计典范，强调以实际工程项目为主线，以实际产品、实际工程项目为载体，全面培养学生的系统认知、系统设计、系统开发和系统应用能力，而不是浅尝辄止、简单、离散、脱离工程实际的实践环节的拼接。

信息产业自主可控是一项复杂的系统工程，既涉及信息系统自身软/硬件研发的科学要素与技术要素，还涉及硬件制造、软件开发、系统集成、工程组织与实施等一系列的工程实践问题。在构思信息产业自主可控人才培养体系的过程中，有必要借鉴CDIO工程教育的先进理念，以实际信息产品或项目从研发到运行的完整生命周期为载体，提升学生学习工程理论知识、积累工程实践经验和训练工程能力的有效度。

2.优化人才培养方案，凸显系统能力培养，提升信息产业自主可控人才培养的可执行度

培养方案是人才培养工作的总体蓝图，是教学工作的基本依据，是决定人才培养质量的重要因素，必须优化人才培养方案，做好信息产业自主可控人才培养的顶层设计，推进课程优化与教学改革，打好信息产业自主可控人才培养所需的学科基础。从凸显系统能力培养，服务我国信息产业自主可控战略需求的角度看，按照系统认知能力、系统设计能力、系统开发能力、系统应用能力的培养要求，结合信息产业相关专业的特点及不同高校办学定位，确立系统能力培养的侧重点，并重新规划系统核心课程体系和综合实践环节。

首先，以确立的系统能力培养为目标，重新梳理并优化人才培养方案。按照系统认知能力、系统设计能力、系统开发能力、系统应用能力的培养要求，结合信息产业相关专业的特点及不同高校办学定位，确立系统能力培养的侧重点，以此为主线，全面分析现有人才培养方案中各专业课程对系统能力培养的贡献度，通过删减、合并及适当增加部分新课程等方式，确立面向系统能力培养的核心课程体系。其次，注重课程群建设，强化系统观教育。课程教学是系统能力培养的基础，为克服过去课程教学过程中课程之间的衔接、关联和融合不够等问题，建议将若干门与某种系统能力培养相关的课程组建成课程群，这样既可以强化课程教学与系统能力培养的关系，又能提高课程教学的效果。同时在课程教学中注重强化系统观教育，通过课程教学让学生更多地掌握计算系统内部各软件/硬件部分的关联关系与逻辑层次，了解计算系统呈现的外部特性以及与人和物理世界的交互模式及其相互影响，培养学生考虑全局、把握全局的意识，养成站在不同层面把握不同层次系统的思维习惯。最后，重构面向系统能力培养的实践教学体系。系统能力的内涵揭示出系统能力培养只有通过大量的实践环节才能达成。由前文的分析还可以知道，面向系统能力培养的实践既强调原创性自主设计或集成性创新，又强调实践应具有一定的规模性和复杂度。这就要求按CDIO的理念，突破课程限制，按所确立的系统能力培养侧重点重构建实践教学体系。

以计算机科学与技术专业为例，在划定核心专业课程的基础上，还可按照计算机硬件系统设计能力培养，构建涵盖Verilog语言、数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构、接口技术等课程的课程群；按系统开发能力培养，构建涵盖高级语言、数据结构、算法分析与设计、软件工程等课程的课程群；按系统软件综合设计能力培养，构建包含操作系统、编译原理等课程的课程群。在设置核心专业课程实验的基础上，建议再按照前述所构建的课程群分别设置计算机硬件系统设计综合实践（目标是设计具有简单外围接口，支持某种指令系统，能正确运行汇编级程序的完整计算机硬件系统）、软件开发综合设计实践（目标是训练复杂应用软件开发的能力）、系统软件综合设计实践（目标是训练系统软件的开发能力）。在此基础上，还需要设置计算机系统综合设计实践（目标是实现支持操作系统与编译系统的自主计算机系统的开发，这也是硬件系统设计综合实践与系统软件设计综合实践的进阶与集成）。不同层次的学校，可结合各自的特点，对上述课程群和综合实践环节进行适当的取舍，并根据“大帐篷观”，结合某一应用领域开设面向系统开发能力或面向系统应用能力的综合实践环节。

3.工程教育认证标准规范系统能力培养，提升信息产业自主可控人才培养的达成度

国际工程教育的实践表明，工程教育专业认证制度对提高工程教育质量具有重要的指导和促进作用，工程教育认证制度已经得到国际工程界、教育界的广泛共识和认同。由前文的分析可知，系统能力培养涉及计算机学科多方面的技术，既包含计算机软、硬件技术工作原理的深入学习，还包含软件与硬件集成的工程因素和其他非技术因素，具有较高的综合性。同时，系统能力培养没有现成的经验可借鉴，需要进行系统教学研究与持续改进，为提升系统能力培养和信息产业自主可控人才培养的达成度，建议引入工程教育认证的标准来规范系统能力培养，重点做好以下三方面的工作。

首先，规范与完善课程大纲（含实践教学大纲），落实服务于系统能力培养的课程教学目标。系统能力培养是一个渐进的过程，只有落实各课程的教学目标，才能促成人才培养目标的最终达成。从工程教育专业认证的角度看，课程教学目标既是人才培养目标的具体化和目标分解，也是指导教师教学和学生学习的指南，而且还是评价课程教学效果和人才培养目标达成度的重要依据之一。因此，建议按照工程教育专业认证的要求，规范和完善课程大纲，使其成为一份集课程教学活动（含教学内容、主要教学环节、教学方法、学生学习建议及学时安排等环节）、预期学习成效（含课程教学目标及其对人才培养目标的贡献度）和学习评估有机结合的指导性文件，以更好指导和落实信息产业自主可用人才培养的教学环节。

其次，强化师资培养。师资水平是影响工程教育质量的重要因素，也是工程教育认证评估的重要指标之一。从工程教育认证的层面看，系统能力培养要求任课教师具备从事系统能力教学所需专业水平、工程背景、工程研究能力、工程经验和工程方法，同时，还会带来教育理念、教育模式、教学内容、教学方法等方面的重大变革。这些新要求和变革对任课教师提出了强有力的挑战，也成为制约系统能力培养达成度的关键因素，强化师资培养是应对上述挑战的不二选择。现阶段可通过组织任课教师参加教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会组织的系统能力师资培训班和教学交流会、加强与行业领先企业的合作并选聘企业兼职教师、组建教学团队并强化系统能力培养教学研究与改革项目等方式进行。

最后，完善监控体系，强化持续改进。“持续改进”是质量管理的原则之一，也是工程教育专业认证的重要理念。工程质量管理和工程教育认证的实践已经充分说明了“持续改进”对提高产品质量和人才培养质量的有效性。“系统能力培养”是一项复杂的工作，也没有现成的经验可借鉴，更需要引入持续改进机制。为此，需要建立教学过程质量监控体系，明确教学各环节的质量要求，并通过对教学过程的跟踪反馈机制以及引入多方参与的社会评价机制，定期进行人才培养方案、课程体系设置、教学方法、教学管理及教学质量等方面的评价，促进系统能力培养教学改革的持续改进与优化，确保系统能力培养目标的达成。

[责任编辑：余大品]