数字经济视域下的计算机系统能力培养模式

樊媛媛，梁庆中，胡成玉，曾德泽

（中国地质大学〔武汉〕计算机学院，湖北 武汉 430074）

一、数字经济视域下的人才需求

“数字经济”自2017年首次提出以来，至今已经是第5次写入政府工作报告。《2022年政府工作报告》提出，“促进数字经济发展”“建设数字信息基础设施”“发展智慧城市、数字乡村”“加快发展工业互联网”“培育壮大集成电路、人工智能等数字产业”等［1］。随着新一轮工业革命与产业革命的孕育兴起，以大数据、云计算、物联网、区块链、AI为代表的新一代信息技术由理论研究阶段转向产业化应用阶段，为我国的数字化基础设施提供了重要支撑［2］。因此，在数字经济视域下，对涵盖信息技术、通信技术以及数据技术等各领域的综合性信息类人才，提出了更高的需求［3］。

二、系统能力培养面临的主要挑战

从数字经济视野下的人才需求来看，其对能力的要求，对应了计算机系统能力所包含的计算机基础系统能力、计算机领域系统能力和计算机应用系统能力三个方面［4］。针对计算机系统能力培养，教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会专门成立了系统研究组，面向计算机专业系统能力培养开展了教学研究［5］。国内不少高等学校，如清华大学［6］、浙江大学［7］、北京航空航天大学［8］、华中科技大学［9］等也在不同程度上探索和实践了促使计算机系统整体能力提升的教学模式，中国地质大学（武汉）在网络工程专业的人才培养中，也积累了一定的经验［10］。但正如吴建平院士2019年在《计算机系统能力培养》的主题报告中所说的，我国计算机专业人才的能力需求会随着计算机产业的发展而发生变化。根据兄弟院校的经验，结合中国地质大学近年来的培养过程积累，以及对毕业生的跟踪调查，目前在计算机科学与技术专业的系统能力培养方面仍面临着一些挑战。

一是对数字经济的适应性不足。随着数字经济内涵的进一步丰富，对计算机系统的定义，已从传统的“computer”扩展到了现在的“computer+-control+communication”。而在目前的系统能力培养模式中，课程体系的构建与串联，主要还是基于“CPU+接口+操作系统+编译系统”的单系统模式，对于系统中的控制、通信部分没有很好的串联。

二是对学生的创新性培养有限。在目前的系统能力培养模式中，通过打通数字逻辑电路、汇编语言程序设计、计算机组成原理、操作系统及编译原理等核心课程及其实践部分，能够很好地让学生全面掌握计算机系统的知识点，并培养计算机系统的设计能力。但这类实践任务的目标统一，留给学生自主创新的空间较小，导致大部分学生的设计产出差异性不大。

三、培养模式的构建

针对以上挑战，我们进行了计算机科学与技术专业人才培养模式和途径的研究，对其培养目标、教学体系、实践体系以及师资支撑等方面开展了系统探索，构建并实践了计算机专业人才培养体系，提出了以构建系统观为核心的人才培养模式。

（一）以系统观为核心的教学课程体系建设

为了使计算机科学与技术专业的毕业生能够具备计算机系统，特别是网络系统的基本原理与系统开发能力，我们将系统能力分为5个大方向，即数学基础、计算机软件基础、计算机硬件基础、计算机网络基础、计算机应用基础，围绕这5大基础能力，构建了如图1所示的教学课程体系。

图1 计算机科学与技术专业课程体系

整个课程体系以数学理论为基础，即“微积分”“离散数学”“线性代数”以及“概率论与数理统计”。这几门课程带给学生的数学基础与素养是继续学习其他相关数学课程以及计算机理论的基础。同时，融入了更多的通信理论知识，将“信号与系统”课程纳入专业课程体系。

在打牢数学和通信基础的前提下，将专业课程分为四大板块，即软件基础、硬件基础、网络基础以及应用基础。计算机软件基础主要培养学生的系统软件开发能力，具体包括“高级语言程序设计”“数据结构”“操作系统原理”“数据库系统原理”“编译原理”等课程。在计算机硬件基础方面，则包括“数字电路与逻辑设计”“汇编语言程序设计”“计算机组成与接口技术”“计算机体系结构”等课程。在这方面的课程设计上，需要充分考虑计算机硬件系统设计思想对计算机软件系统的指导与影响，以硬件设计思想指导软件实践能力是应对去“透明化”的重要举措。针对计算机网络方向的知识与系统开发，我们设置了“通信原理”“计算机通信与网络”“计算机网络安全”以及“计算机网络程序设计”等课程内容。通过设置这种课程体系，希望该专业学生能够深入理解网络通信原理、协议设计思想以及网络程序设计等系统知识［11-12］。

（二）贯穿式一体化课程实践体系建设

为了解决数字经济视野下的实践课程体系缺乏整体性与关联性的问题，围绕“能力分解、阶梯推进”，构建了“一生一系统”课程实验整合思路和基于阶段项目训练的课程体系建设规划，如图2所示。专业课程的实践环节除了能保障实践技能培养外，还兼顾关联后续课程，对专业课程的实验环节进行了重组和系统性规划。

基于贯穿式的课程实践体系，完成了兼具专业深度与广度的课程实践内容串联。在深度方面，“一生一系统”完成了嵌入式系统设计、操作系统移植、网络协议设计与应用展示等复杂系统实施的纵向流程，集成了计算机类具有连贯性的前序、后序课程，相比传统几门相互独立的课程，“一生一系统”能够让学生更加系统、深入地掌握知识。且纵向每个阶段的知识体系都较为完整，比如操作系统移植的过程，需要学生掌握多任务系统设计/外设驱动等，单从计算机操作系统的本科教学来讲，是很完整的工作。在广度方面，“一生一系统”是计算机体系、计算机网络、大数据与人工智能的完美结合。此外，除了掌握课程体系的知识外，学生还需要学习和掌握项目管理、系统集成及实施维护等知识。

（三）构建多维度的人才培养模式

为了让人才培养具备数字经济视野，我们同样注重创新思想与能力培养，具体可为课内外和产教研融合两个方面。从课内延伸到课外的实践实习是高层次人才培养目标实现的重要途径，理论学习存在依赖性，学生仅专注于课堂的内容会导致视野的狭窄和思维方式的固化。通过让本科生走进实验室参加科研项目，实践学科的交叉融合，为其今后参与科研工作或进一步学习做铺垫。同时，要鼓励学生参加各种计算机竞赛和实践活动，安排专业教师“一人带一队”，以培养学生的创新创造、动手实践、临场应变能力和团队合作等多种能力。产教研融合是课内外的进一步延伸，其原则是让学生在相对实际的研发及生产环境下，进一步强化系统观念，并提高系统能力。通过对实际生产环境与教学环境、实验室环境不同的对比认识，使学生加强对理论联系实际的重视以及对现实生产工作的思考。我们可以邀请业界专家进行专题讲座，从企业实践角度，拓宽学生视野；同时支持学生到企业进行生产实习，提高学生的创新创业实践能力［13-14］。

结语

我国数字经济的发展，对计算机科学与技术专业人才的系统能力培养提出了新的挑战。本文面向数字经济视野下的学科融合及工程能力要求，以综合型计算机科学与技术专业人才为培养目标，将实现这一目标所需的计算机系统与网络理论知识及实践能力分解为基础编程能力、应用开发能力以及系统创新能力等，对应于计算机系统能力培养所要求的基础系统能力、领域系统能力与应用系统能力。通过梳理现有的课程体系结构，将分解的知识与能力下放至理论课程与实践课程中，构建了迭代式课程教学体系、贯穿式课程实践体系以及多维的人才培养模式。