言 十

編者按：繼上期刊發(fā)《論新工科建設及計算機與軟件工程學科的作用》，本期言十文章以新工科建設為背景，針對新工科建設中數(shù)量最多、影響最大的計算機類專業(yè)中的系統(tǒng)能力培養(yǎng)進行探討，針對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內涵、培養(yǎng)的現(xiàn)狀以及新工科系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究項目進行深入分析和論述，以期為提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質量提供借鑒，有力推進新工科建設。

0 引 言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的快速發(fā)展和廣泛應用，計算系統(tǒng)及其應用不斷呈現(xiàn)出新的特征，形成了嵌入式計算、移動計算、并行計算、智能計算、服務計算等多計算平臺并存和融合的計算模式，處理的對象也呈現(xiàn)出網(wǎng)絡化、多媒體化、大數(shù)據(jù)化和智能化需求的特征，新形勢下對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求也發(fā)生了極大的變化。教育部新工科建設就是為了使當前的工科教育更好地適應這些變化，培養(yǎng)出具有持續(xù)競爭力的人才。

肩負新型計算系統(tǒng)設計與開發(fā)的計算機類專業(yè)人員需要深入了解和掌握計算機系統(tǒng)內部的工作機制和原理，具有比以往更多、更深入的系統(tǒng)級的設計、實現(xiàn)和應用能力，才能較好地適應未來新經濟和智能時代的需求。

在工科專業(yè)類中，信息類專業(yè)布點、畢業(yè)生數(shù)量、在校生數(shù)量都約占30%。而在信息類中計算機類專業(yè)點又占比近半[1]，因此計算機類專業(yè)是新工科建設中數(shù)量最多、影響最大的專業(yè)。在新工科的計算機類專業(yè)建設和教育提升中，系統(tǒng)能力培養(yǎng)是首當其沖的重要內容，系統(tǒng)能力培養(yǎng)具有比以往更加迫切的要求[2]。

在信息技術快速發(fā)展和應用的新形勢下，系統(tǒng)能力培養(yǎng)在理論和實踐上對未來計算機類專業(yè)學生的培養(yǎng)水平和質量具有重大意義和影響。

1 系統(tǒng)能力培養(yǎng)內涵

隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建立和個人移動設備的大量普及使用，計算機人才培養(yǎng)強調的“程序性開發(fā)能力”也正在轉化為更重要的“系統(tǒng)性設計能力”。為了應對各種復雜的計算機應用，編寫出各類適合不同平臺的高效程序，應用開發(fā)人員必須了解不同系統(tǒng)平臺的底層結構，并熟練掌握其中的技術和工具，培養(yǎng)相應的技術領域方面的整體系統(tǒng)觀以及能夠進行軟硬件協(xié)同設計的貫通能力。在這些方面，我們與國際上發(fā)達國家的差距還不小。重大裝備或者重大應用的研發(fā)，都不是單項技術的開發(fā)，而是要求整體的系統(tǒng)層面綜合設計，通過軟硬件協(xié)同實現(xiàn)開發(fā)方案的最優(yōu)化，以強大的底層技術保證各項功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)能力是計算機人才的關鍵能力。

系統(tǒng)是若干相互聯(lián)系、相互作用和相互依賴的部件結合而成的，具有一定結構和功能并處在一定環(huán)境下的有機整體。系統(tǒng)能力是依據(jù)確定的系統(tǒng)功能，設計與開發(fā)系統(tǒng)結構，實現(xiàn)工程目標的能力。

從計算機教學的角度來說，可以將涉及系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機系統(tǒng)劃分為3個層次。

（1）運用數(shù)學和物理原理，設計和開發(fā)計算機運行系統(tǒng)，包括中央處理器（CPU）、操作系統(tǒng)及編譯系統(tǒng)，這是計算機最基本的系統(tǒng)，稱為計算機基礎系統(tǒng)，相關課程包括數(shù)字邏輯、計算機組成、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等。

（2）運用計算機基礎系統(tǒng)原理，設計和開發(fā)計算機領域的專門系統(tǒng)，如軟件開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、平臺系統(tǒng)等，稱為計算機領域系統(tǒng)。

（3）運用計算機專業(yè)系統(tǒng)原理，設計和開發(fā)各種應用系統(tǒng)，如數(shù)字制造系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等，稱為計算機應用系統(tǒng)。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的范圍可以涉及這3個層次中的1個或者多個。計算機類專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本內容是掌握系統(tǒng)內部各軟件/硬件部分的接口、運行協(xié)同以及系統(tǒng)內部各部件的邏輯關聯(lián)，了解系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性與人機交互模式，強調從系統(tǒng)結構角度實現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)功能。具備了系統(tǒng)能力，計算機的應用和創(chuàng)新能力也會由此得到強化與提升[2]。

系統(tǒng)能力包括系統(tǒng)知識和工程實踐。系統(tǒng)知識是掌握計算機核心系統(tǒng)的工作原理、構造方法、軟硬件協(xié)同、層次間邏輯關聯(lián)，工程實踐是用工程方法開發(fā)計算機應用系統(tǒng)。系統(tǒng)能力的培養(yǎng)具有突出的工程教育特征，是解決復雜工程問題的直接體現(xiàn)。與其他專業(yè)學生的計算機基礎和應用能力相比，計算機類專業(yè)學生應突出強調計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標是改造升級現(xiàn)有高等學校的計算機類專業(yè)教育，加強新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，推動高新技術與計算機類專業(yè)的知識、能力、素質要求深度融合，探索計算機類專業(yè)改造升級的實施路徑，提高學生適應新經濟發(fā)展的整體素質和能力。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)觀教育對于計算機類所有專業(yè)及各培養(yǎng)方向均適用。我們需要積累豐富的教學資源，形成有價值的實踐經驗，以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為抓手持續(xù)提升計算機類專業(yè)辦學水平和人才培養(yǎng)質量。

2 現(xiàn) 狀

目前，國內高校計算機類專業(yè)教學對系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究改革和重視程度不夠，因而培養(yǎng)的學生在系統(tǒng)能力方面存在一些問題，不能滿足社會、學科技術發(fā)展和用人單位的要求。首先，不能很好地建立計算機系統(tǒng)完整概念，缺乏系統(tǒng)觀，無法解決系統(tǒng)層面的問題；其次，對于計算機系統(tǒng)的核心內容掌握不夠，大部分學生難以勝任復雜的涉及軟/硬件協(xié)同設計的任務；第三，由于沒有很好地建立課程之間內容的關聯(lián)，學生綜合分析、設計和應用能力也較差；最后，系統(tǒng)性的綜合實踐環(huán)節(jié)缺乏，學生系統(tǒng)實踐動手能力較差[2]。

國內外在系統(tǒng)能力培養(yǎng)上已經取得許多相關研究進展。ACM/IEEE CS2013、SE2014、CE2016、IT2017等規(guī)范在知識結構方面調整的重點是進一步加強了系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，國際上CMU、Stanford、UC Berkley等高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面已經有很好的成效。

從2010年初起，針對計算機類專業(yè)中教育存在的問題，教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會（以下簡稱教指委）就開始組織進行計算機類專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究和實踐。由浙江大學、北京航空航天大學、南京大學、北京大學、國防科技大學、清華大學、上海交通大學、中國科技大學等高校的相關教授，以及機械工業(yè)出版社華章公司和高等教育出版社計算機分社負責人共同組成研究小組，進行了關于計算機專業(yè)學生系統(tǒng)知識、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的深入研究與實踐。研究小組明確提出了適合于我國高等教育計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系改革總體設置思路，并對相關的主要課程內容及其實踐內容進行了規(guī)劃[3-4]。

以上先行一步的8所示范高校計算機學院已經在不同范圍和程度上，對計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)進行了相關探索、研究和實踐，取得了較好的進展，起到了高校計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)示范院校的作用。近3年來，教指委已經設立了3批共約80所高等院校進行有關系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究課題和試點，成立了5個省級區(qū)域的工作組，發(fā)揮示范、合作和帶頭院校作用，推動試點工作深入展開，取得了良好的效果，目前正規(guī)劃在國內高校進行更大范圍的推廣。

當前計算機類專業(yè)教育在理論知識教學上，正在建立新的系統(tǒng)級綜合性課程，強化系統(tǒng)知識，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內容，使這些核心課程之間的內容聯(lián)系更緊密、銜接更加順暢，整體系統(tǒng)性更強；同時需要加強系統(tǒng)實踐動手能力培養(yǎng)，著力研究建設充足配套的實踐環(huán)境和內容。

在教指委的研究和指導推進下，國內主要有以下3種系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式[2]。

（1）采用引進教材《深入理解計算機系統(tǒng)》（Computer Systems: A Programmer’s Perspective ，CMU1-213）或者《計算系統(tǒng)概論》（Introduction to Computing Systems，CMU18-447）。有的學校還借鑒國外課程教學方式、實驗和過程，與國外高校密切合作。

（2）采用由南京大學袁春風教授編寫的《計算機系統(tǒng)基礎》。該教材將高級語言程序、匯編語言、編譯和鏈接、組成原理、操作系統(tǒng)等相關的基礎內容有機貫穿起來，以建立完整的計算機系統(tǒng)概念。

（3）融合課程群內容并進行系統(tǒng)實踐。將核心課程群數(shù)字邏輯、計算機組成、操作系統(tǒng)、編譯技術等教學內容整體規(guī)劃，連通實踐環(huán)節(jié)。實踐教學目標是設計實現(xiàn)一個CPU、一個操作系統(tǒng)、一個編譯器；改革思路是課程體系整合重構，根據(jù)系統(tǒng)構造的內在邏輯關系，梳理課程群知識體系，在統(tǒng)一硬件實驗平臺上實現(xiàn)計算機軟硬件的物理綜合，以MIPS或者ARM指令集為基礎，逐步建立并深化系統(tǒng)觀念[5-6]。

采用以上3種模式進行系統(tǒng)能力培養(yǎng)都取得了很好的進展和成效。近3年來為進一步深入研究和實踐系統(tǒng)能力培養(yǎng)，教指委還組織了全國高校系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇、中國計算機教育大會、中國計算機大會系統(tǒng)能力培養(yǎng)專題論壇等進行專題教學交流；組織了系統(tǒng)能力方面有關新課程的研究和新教材的編寫；組織成立了“高等學校計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究”產學合作工作組，規(guī)劃投入專項以支持系統(tǒng)能力培養(yǎng)的研究和實踐；進行了全國高校范圍的教師培訓和導教，包括相關課程的理論教學內容和實踐教學環(huán)節(jié)；啟動了系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽等。

3 新工科系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究項目

在教育部新工科研究實踐項目中，教指委申請并獲批了計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的項目。該項目的工作目標是改造升級一批高等學校傳統(tǒng)計算機類專業(yè)，加強新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，推動高新技術與計算機類專業(yè)的知識、能力、素質要求深度融合，探索計算機類專業(yè)改造升級的實施路徑，提高學生適應新經濟發(fā)展的整體素質和能力。該項目主要研究內容包括以下幾方面。

（1）研究分析新經濟對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)提出的知識、能力和素質新要求；研究新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方式、培養(yǎng)方案、新的知識框架及內容；研究新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平的評價標準、與培養(yǎng)方案對應的系統(tǒng)能力培養(yǎng)分類分層次的新的課程體系及課程主要內容。系統(tǒng)能力培養(yǎng)分類分層次實踐教學體系，包括各個課程的實踐環(huán)節(jié)、綜合課程設計等內容。

（2）組織編寫和出版系統(tǒng)能力培養(yǎng)系列教材，主要側重在對應新工科課程體系的核心和專業(yè)拓展2個層次的課程教材建設上；撰寫和發(fā)表與該項目相關的教學研究論文。

（3）發(fā)揮好示范和帶頭高校的作用，進一步推動系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點學校的工作，組織進行省或者跨省范圍的區(qū)域性試點學校的指導、交流和研討；舉辦各種類型和層次的全國高校系統(tǒng)能力培養(yǎng)研討和交流大會，舉辦系統(tǒng)能力方面的教師培訓班、導教班，提升講授新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力相關課程的師資水平；舉辦全國高校系統(tǒng)能力競賽，進一步調動教師和學生的積極性，以賽促學，以賽促教。

（4）提供校企合作的平臺和聯(lián)合研究，企業(yè)通過發(fā)布項目、提供需求、提供實踐環(huán)境和內容等方式推動高校的系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作取得實質性成果。

該項目的創(chuàng)新之處是通過研究、示范、試點和推廣，推進計算機類專業(yè)教學改革，從理論和實踐上全面提升計算機類專業(yè)學生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，以適應未來計算機科學技術和新經濟的持續(xù)快速發(fā)展，滿足未來智能時代社會應用的迫切需求。

教指委深入研究分析新經濟對傳統(tǒng)工科專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求，調查若干國外高校本科生教學在計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的一些做法和思路，通過借鑒國外大學的經驗，面向人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術，結合智能時代信息技術和社會發(fā)展趨勢以及我國高校計算機人才培養(yǎng)的特點，提出了適合我國高等教育計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系改革總體思路，并對相關的主要課程內容及其實驗內容進行了規(guī)劃。

在理論知識教學上，需要建立新的系統(tǒng)級綜合性課程，強化系統(tǒng)知識，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內容，使這些核心課程內容之間的聯(lián)系更緊密、銜接更加順暢、整體系統(tǒng)性更強；同時針對系統(tǒng)實踐能力弱的問題，需要特別加強系統(tǒng)實踐動手能力培養(yǎng)。教指委把課程分成3個層次：計算機系統(tǒng)基礎課程、重組內容的核心課程以及側重不同計算系統(tǒng)若干相關平臺的專業(yè)拓展和應用課程。目前已經在第1層次的研究和實踐上取得較好的進展，該項目將對第2和第3層次進行深入研究、實踐和推廣應用。

我們應著力研究并建設充足配套的實踐環(huán)境和內容，把相應的系統(tǒng)實踐能力培養(yǎng)放在重要位置予以加強。參加該項目的企業(yè)要結合自己的特色，提供實踐平臺和內容方面的大力支持。已經實施的基于MIPS的實踐平臺和內容要改進，進一步貼近新技術發(fā)展；同時在ARM作為應用主流的技術發(fā)展趨勢下，必須要研究、開發(fā)、試點和推廣基于ARM的實踐平臺和內容。

在教育部新工科建設的強力推動以及計算機學科技術迅速發(fā)展和社會應用的迫切需求下，該項目的研究、試點和推廣將持續(xù)推進4年以上，在現(xiàn)有基礎上，積累豐富的教學資源，形成有價值的實踐經驗，以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為抓手持續(xù)提升計算機類專業(yè)辦學水平和人才培養(yǎng)質量。具體措施和研究方式主要包括以下幾方面。

（1）深入分析研究，提出改革方案。組織研究小組，進行國內外深入調查、分析和研究；提出和建立新的計算機專業(yè)本科教學課程體系，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)核心課程的內容；研究提出新工科計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平的評價標準。

（2）提倡示范院校帶動。在新工科知識結構和課程體系下，要進一步推動示范院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作，進行關于計算機專業(yè)學生系統(tǒng)知識、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的深入研究和分析，進一步提升對試點學校系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作的指導。

（3）總結試點經驗，向全國范圍推廣。根據(jù)所在院校的特色和目標，扎實推進試點工作，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究實踐的有效做法、課程內容、實踐環(huán)境和內容等按照不同類型和層次向全國高校計算機類專業(yè)推廣應用。

（4）加強教師培訓，加快教材編寫，發(fā)表相關的教學研究論文。推進教師系統(tǒng)能力理論和實踐培訓工作，加快以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為核心的新教材編寫工作，特別要把重點放在第2核心層次和第3專業(yè)拓展層次課程教材的編寫上。

（5）檢查交流促進，以競賽提高水平。通過系統(tǒng)能力培養(yǎng)標準的實施，衡量整體系統(tǒng)能力培養(yǎng)水平并促進其提高；通過每年舉辦系統(tǒng)能力全國高校競賽，促進高校間互相學習，調動學生對系統(tǒng)深入學習掌握的積極性。

4 結 語

系統(tǒng)能力是計算機類專業(yè)人員創(chuàng)新的基礎保證，系統(tǒng)能力培養(yǎng)將積極提高學生創(chuàng)新能力，這非常切合新工科積極應對變化、引領創(chuàng)新的要求以及“雙一流”提高本科學生培養(yǎng)質量的目標。要通過系統(tǒng)能力培養(yǎng)的過程，不斷探索新經濟變化背景下的工程教育新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，培養(yǎng)能夠適應時代和未來變化的卓越計算機類專業(yè)工程人才。系統(tǒng)能力培養(yǎng)將有力地提高計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)水平和質量，促進新工科建設的深入展開。