计算机科学与技术专业学生系统能力培养研究
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摘 要：以重庆理工大学计算机科学与技术专业为例，介绍了专业建设过程中面临的一些主要问题，提出了从系统观出发解决这些问题的方法和措施。计算机科学主要研究的应该是计算机系统各个不同抽象层的实现及其相互转换的机制，通过人才培养模式和课程体系等方面的改革，有意识的提升学生从系统层面的高度进行专业认知的水平，以达到提高学生的创新创造和动手实践能力目的。
关键词：计算机;专业建设;人才培养;系统观
重庆理工大学计算机科学与技术专业1999年经教育部批准设立，2008年，“计算机科学与技术专业主干课程教学团队”被评为重庆市优秀教学团队。2010年，被评为国家级特色专业。2011年，计算机类专业分层分类人才培养模式创新实验区建成为重庆市人才培养模式创新实验区。2011年，实施校级“卓越工程师”教育培养计划，按照工程认证要求修订人才培养方案和大纲。2014年成为重庆市“三特行动计划”特色专业。
专业定位：把本专业建设成西部一流、具有较强区域性示范辐射作用和广泛影响的特色品牌专业，为地方经济建设培养具有创新意识和国际视野的高素质工程应用型人才。
一、专业发展的瓶颈
随着IT产业成为重庆市第一支柱产业，本专业围绕重庆地方经济建设和社会发展的需要，与国内外IT企业和各类具有信息技术需求的企业、政府相关部门紧密合作，不断完善和优化人才培养模式和人才培养方案，使本专业在计算机科学与技术领域，特别是在移动互联、大数据和智能感知等方向上具有一定特色和优势，但发展也面临一些瓶颈。
最近几年，计算机专业办学同质化问题比较突出，缺乏特色。全国90%以上的高校都设置了计算机科学与技术专业，培养方案大同小异，作为一所地方普通高校，办出自身的特色成为困扰专业发展的一个大问题。
21世纪又称后PC时代，计算机和通信技术、消费产品结合起来进入生产、办公和生活中，进入了一个以移动互联、物联网、云计算和大数据为特征的新型网络时代，计算系统呈现四种新的形态：嵌入式计算系统、并行计算系统、移动计算系统和服务计算系统。计算机不再只是专门用来计算和信息处理的机器，逐步向网络化、多媒体化、大数据化和智能化方向发展。计算资源多样化，计算架构并行化，软硬件协同设计，应用问题更复杂、范围更广泛，信息产业形态发生重要变化。
另外从计算科学与技术专业衍生了许多新兴专业，如软件工程、物联网工程、网络工程、信息安全等，使得计算机专业本身的面变窄。
因此，传统的计算机专业人才培养方案已经不能适应潮流的发展，不再着眼于计算机技术的某个点，如软件开发，或者是移动开发技术，而是强调整体的、系统的原理与架构。必须构造能够使学生站在系统的高度进行软硬件系统集成和认知的人才培养模式和方案。
计算机专业由计算机技术发展为计算机、通信和控制的融合性技术，将来必然是计算机控制下的物联世界，是大数据和移动计算的智能互联。计算机科学主要研究的应该是计算机系统各个不同抽象层的实现及其相互转换的机制，故如何提高计算机专业学生的计算机系统能力是我们急需要解决的一个问题。
二、系统能力培养的基本思路
目前本专业的培养方案中，计算机科学与技术专业分为嵌入式系统和应用软件开发两个方向，人为地割裂了软件系统和硬件系统能力培养，也阻断了计算思维和计算机思维的发展，最终使得学生在创新创造能力上有局限。
基本思路为：计算机专业学生的系统能力核心是在掌握计算系统基本原理基础上，熟悉如何进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统，创新型应用计算机人才的培养应该在系统综合能力上形成系统观，因此，把系统能力的培养放在首要位置，不再区分软件方向和硬件方向。图2给出了系统观培养的关系示意图。
图1计算机专业系统观的培养
培养系统地掌握计算机基础理论与基本技能、具有较强的计算机系统理解和分析能力、能够承担软硬件系统开发和管理工作的、具有高度社会责任心和国际化视野的、个性与人格健全的创新型计算机应用人才。
三、系统观培养的主要措施
系统观的培养是计算机专业教育过程中，解决诸如“计算机本科专业学生硬件设计能力不如电子工程专业、行业软件开发和应用能力不如其他相关专业学生、数学理论基础又不如数学系”等专业重叠和边缘化问题的重要突破点，也是解决计算机思维缺乏这个短板的关键。只有具有了系统观，站在系统的高度考虑和解决问题，学生才能在创新创造能力上有所展现。
1.要培养具有系统观能力的人才，首先我们必须进行系统的顶层设计，通盘考量，实施综合改革。
实施过程中，必须注意要继承经实践证明是优良的东西，例如“卓越工程师”和“国家特色专业”两大主题，然后才是在此基础上的教学内容改革、教学形式改革、教学环节改革等发展创新的东西，各个部分是一个有机整体，不能片面，也不能割裂。图3给出了任务分解和综合实施路线的顶层设计。实施过程必须由具有丰富教学管理经验的教授牵头。
图2：任务分解和实施路线的顶层系统设计
2.在吸收国家级特色专业建设、卓越工程师建设的成果基础上，构建面向产业需求的“系统+应用”课程体系。
该课程体系中，基于系统能力培养的需求，最重要的是右边自下而上的五层能力提升。“五层次”第一层是素质与基础培养，以数理为主的自然科学与人文科学等公共基础知识和素质教育;第二层是计算能力，主要是计算机学科基础知识特别是编程能力的培养;第三层系统理解能力培养，主要是掌握进行计算机创新型应用人才培养所需要的专业核心知识;第四层是系统设计能力培养，主要是结合应用领域或应用系统进行的深层次知识;第五层是应用创新能力，主要通过让学生参加企业或教师项目，通过项目实现系统分析与设计能力的提升，达到有想法有做法的创新性要求。 高素质应用型人才要有一定的知识广度和深度，要在二者之间找到平衡。我校计算机专业学生毕业以后主要从事软、硬件开发以及应用研究工作，对计算机系统的基础理论知识要有所了解，因此除了必修的数学、外语等公共基础课外，计算机组成原理、操作系统、数据库原理、编译原理等以传授知识为目的的学科核心课程，在保证一定学时的基础上，需要更多注重系统（软硬件）的理解和认识。
3.系统能力基于计算机思维，计算机思维要求首先掌握计算思维。对计算机专业学生来说，计算思维必需，但远远不够，要“知其然并知其所以然”，必须用计算机思维分析和解决问题。
计算思维从计算机学科中提炼出来的一种“普适”思维方式，是抽象的逻辑解决问题的方法，可以面向所有人、所有领域，可以无需深入了解计算机系统。计算机思维是从计算机角度出发来分析问题和解决问题的方法，是针对计算机的具体方式，取决于对计算机系统有多了解，“知其然并知其所以然”。例如，x*x，从计算思维的维度看，应该是大于等于0的，但从计算机的角度看，可能小于0。再如，从计算机思维看，（x+y）+z不一定等于x+（y+z）。
一是按计算思维表述体系的某些知识点串成主线来编写教材，按此讲解培训，过程中计算机应用作配角，计算机课程教学围绕着计算思维能力培养的目标旋转。
二是计算思维表述体系中的某些知识点按计算机相应课程自身的教学需要进行重组，在实现计算机面向应用能力教学的过程中，潜移默化地实现计算思维培养的目标。在此过程中计算机应用能力教学为主体。
三是按计算机相应课程本身规律教学，让学生领略计算机思维的风采，从而也达到了培养计算机思维能力的目的。
4.实现系统能力培养，强化各个知识点的原理性认知和贯通性案例式教学是关键，强化工程训练是根本。
将四年的本科教育分为三个阶段。第一阶段进行公共基础教育和学科基础教育，累计约2年时间;第二阶段进行专业教育和特色教育，进行工程能力和工程素质提升，累计约1年时间，通过工程案例训练与实践、由学校模拟企业环境完成，校内培养，企业参与;第三阶段进行专业拓展教育，工程实践，校企联合培养，累计约1年时间，企业提供实习环境和工程项目，以项目实战为主，在岗实习，并完成毕业设计和论文。
案例教学应该围绕三个方面进行：（1）特定应用领域的软硬件工程方法;（2）系统应用与集成的特定技术;（3）新一代计算机技术、软件技术和网络通信技术。并且应该贯穿始终，串联多门课程的多个知识点和要求，形成一个有机整体。
在实施过程中，所有实验、课程设计、竞赛项目、课外科技创新项目、工程项目、实习实训案例进行一体化规划和运作，保持连续性和完整性（案例库从一年级到高年级贯通组织），学生的工程能力得以循序渐近地提升。
5.建设面向系统能力培养的学科综合实践平台，全方位提升多类型、多层次的项目驱动型实践教学体系。
该平台推行模块式、组合式、系列化课程方案，本着开放共享、可扩展、先原则，整合学科内各项教学资源，重点建设与课程体系相匹配的教学案例库。特别是在“机器人”（特定应用领域的软硬件工程方法）和“移动互联”（新一代计算机技术、软件技术和网络通信技术）两个面向应用的领域上着重进行打造锤炼，形成两个分别以硬件系统和软件系统应用为主的综合应用型案例群。
在机器人领域，可以拓展派生出诸如机器人驱动控制、传感器应用、视觉识别等应用方向;而在移动互联领域，可以拓展派生出诸如网络工程、通信原理、计算机开发语言、移动应用开发（如iPhone和Android）等方向。围绕这两个领域形成2个大型可操作性案例。这些领域或方向技术性强、实用性高，完全能够满足“厚基础宽口径”的要求。
围绕这两个大型案例库群，将全部项目按照规模和范围分为三级：1级项目为个人级程序设计项目，使用单门课程的相关知识点即可完成;2级项目为小组级项目，包括模拟项目、学科竞赛、课外科技活动等项目，需要综合应用多门课程的知识点以小组方式来完成;3级项目为团队级项目，一般在高年级开设，包括实习、实训、创新型项目、毕业设计等，大多来自企业实际需求或教师科研。
四、结语
通过人才培养模式和课程体系等方面的提升，有效提高计算机专业学生的计算思维与计算机思维能力，从系统观出发，有意识的培养学生的系统层面的认知和各种能力，借助实践教学平台，在教师的指导下完成项目，有自主思想，能够针对实际应用进行思维拓展，使得学生能够站在系统的高度考虑和解决问题。这样才能够培养出具有系统观的软/硬件贯通的以及能够举一反三的创新型人才。
（作者单位：重庆理工大学计算机科学与工程学院）
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